江苏省南京师范大学附属中学江宁分校 211102
摘 要：本校借鉴先进的STEM教育理念，依托国际顶尖高中生机器人大赛FRC，组织优秀师生团队开展项目攻关，引导学生在项目实践中发现问题、思考问题、解决问题，把学习到的各学科知识转变为探究事物相互联系不同侧面的过程，并最终在大赛中取得优异成绩，完成了引进FRC项目实现STEM创新人才培养的教育目的。
关键词：FRC STEM 项目教学
一、引言
作为21世纪创新教育理念的STEM（Science Technology Engineering Maths）教育不仅仅是科学素养、技术素养、工程素养和数学素养四种素养的简单组合，更倾向于在实际解决问题过程中使各门学科有目的地融合，它强调学生在真实的学习情境中的问题解决能力。
著名科学教育家、哈佛大学教授兰本达指出：“发现意义、领会意义是经历、融入、参与的结果，没有这些先决条件就不可能演化出意义。”由此说来，以解决真实世界问题为目标的“项目学习”方式就是前往科学“胜境”的主要途径。好的项目不仅能够引起教师的教学热情，更能持续带动学生的探究信仰。本校借助国际顶级高中生工业级机器人竞赛FRC(FIRST Robotics Competition)，组织优秀的师生团队根据主题在六周时间设计制作出总重约70KG、体积约70cm宽×96cm长×214cm高的机器人参赛,顺利完成了比赛科目。
FRC机器人是我校首次引进的国际性比赛项目，国内目前参赛队伍不超过十支，其难度在于其自身的不可借鉴性与试验阶段的不可预知性。但是，FRC机器人在美国、英国、澳大利亚等国家成功举办过21届赛事，在国际机器人比赛中具有很高的认可度。我校代表队历时六周，转战悉尼，斩获亚军，适时捧回了最佳全明星新秀奖和最佳全明星奖。
二、引用FRC项目培养STEM创新人才的思路
STEM最初的雏形是SME，冷战后期的1986年，有感于国内理工科人才的匮乏和理工科教育的不振，美国国家科学基金会发表了《本科的科学、数学和工程教育》报告，建议国家调动各类资源投入科学、数学和工程（SME）领域的教育，引导更多优秀学生进入SME领域。1990年代初，Technology（技术）被纳入其中，SME一变而成为SMET；到了2001年，STEM教育这一术语第一次为美国官方所使用，并被定义为“情境”之中的教育探究及学习，学生们通过解决真实世界的问题来为自己“创造机会”。 STEM更有了一种“方法论”意义，正如有学者指出的那样，对于STEM教育，最重要的可能是在解决实际问题中使各门学科有目的地融合。
FRC项目是主题式的团队机器人竞赛项目，学生需要根据规则设计制作出能够解决现实问题的真实机器人。例如2015年的竞赛主题为垃圾回收，团队需要利用机器人尽可能多地搬运现实中的垃圾桶、回收箱等。我校高一机器人社团学生积极组织团队参赛，历时六周，最终收获的不仅仅是国际性大奖，更是科学素养、技术素养、工程素养和数学素养的提升。身为社团老师，经历了这场大赛策划、组织、实施的全过程，体会到STEM教育几点心得如下：
FRC项目不单单是某一门学科的应用，而是综合利用数学、物理、技术、信息、艺术等各科知识的整合。受力分析、勾股定理、伯努利定理这些平时只会出现在习题中反复练习强化的知识，突然被应用到真实情境中，学生新奇的同时会永久理解这些知识，并能够举一反三，身体力行，毫无推辞。
开展实物机器人活动需要购买机器人器材和活动场地等，尤其是FRC机器人比赛，需要设计制作出比普通人还要高，大概两人合围大小的机器人，这对学校来说是一个不小的开支。学生启动众筹时，有家国际汽车企业传来佳音，不仅注资，而且主动投入志愿者团队，激发青年学生成为工程师、科学家以及解决现在和未来问题的领袖。通过校企合作组建团队、创建团队品牌、锻炼团队合作技巧、设计动手制作机器人在国际平台上竞争，让他们接触到“真实世界中的工程”。合作双方的培养理念竟不谋而合。
FRC是全球爱好机器人的同龄人的盛会，为了同一个主题任务，大家同台竞技、相互学习，是一次非常难得的机会，也是青少年时期最美好的记忆。家长非常支持孩子参加这样的活动，因为这是孩子的兴趣爱好，在最富有创造力的年龄应该让他自由发挥、大胆尝试。同时，FRC比赛从方案设计、材料选择、零件制作、软件编程、远程控制、外围沟通等各个环节全部独自承担，与FLL、WRO比赛相比更加锻炼了学生的综合能力。参加国际比赛，可以看到来自各个国家相同爱好者的创意设计，拓宽了视野，激发了潜能。
在六周的时间里，学生自发组队，民主推选队长、副队长，并定期召开例会，分工协作，团队共进。他们与其他参赛队伍保持联系，相互帮助，共同提高，这是比赛的互助精神。他们与相关材料提供商、零件制作商充分沟通，多次协调，确保零件的制作工艺和质量。他们与外部的技术专家不断请教，完善方案。他们队员之间分工协作，明确职责，发挥各自特长。六周的时间，团队的外部表情是十分丰富的，愁眉苦脸，手忙脚乱，精疲力尽，一言不发，欢呼雀跃……这是真实的写照，更是实际的教育。
三、STEM人才培养的案例应用
FRC赛事已经获得全球100多所高校的认可，FRC的所有参赛队员每年均可获得申请总额约2000万美元奖学金的机会，如麻省理工大学、哥伦比亚大学、加拿大多伦多大学、澳大利亚麦考瑞大学等。FRC项目需要在真实的情境中解决实际问题，这对于学生创新能力的培养无疑提供了天然的绿洲。
垃圾回收（Recycling Rush）是为2015年FIRST机器人大赛设计的主题游戏。比赛的开始有15秒的自动期，机器人尝试移动自己，并带黄色箱子进入该地区之间的得分平台。在其余2分15秒的比赛期间会由设在球场两端墙后面的学生司机远程控制机器人，联盟团队共同努力将尽可能多的箱子尽可能放在得分区内。
项目开展中需要应用力学、数学等学科知识，也需要绘图设计、结构选材等制作技术，同时还需要学生具备软件编写与系统测试的能力。在工程应用的一个个难关中，在项目引领教学的过程中，我们有序开展地设计研制的全流程，实现学习能力的培养过程如下：
1.受力分析，数字计算。
一次性抬起四个黄色箱子和一个绿色箱子，这是团队商讨下的最初方案。尽管后来由于种种原因，机器人保险起见一次性抬起三个黄色箱子和一个绿色箱子，但是，最初仍旧按照设计方案根据重量计算受力并作受力分析。在受力分析过程中主动请教物理老师，并得到物理组教研团队的一致帮助与赞赏。
2.紧扣主题，设计制作。
前期在规则解读的基础上，绘图在此阶段就显得十分重要。首先，学生的绘图软件使用尚处初级阶段，因此在一边引导学生手绘图纸的同时一边进行软件学习。在软件选择上，团队使用catia为主,辅助solidworks、proe等绘图软件。在绘图环节中，结构当然是首要难点，但是在工程师顾问的帮助下，团队经过几轮商榷，终于确定了机器人草图，如图1所示。虽然草图与最终的机器人相差诸多，但是手绘图纸毕竟确定了机器人的基本雏形与总体结构。从手绘结构图到绘图软件的细节图，对于团队来说，数据标注和连接是另一个挑战。团队几乎跑遍了当地的五金几条街还有几家加工公司，在充分论证的基础上，铝型材成为首选。一是轻便，机器人有重量要求，同时航空公司在运输过程中同样有各方限制；二是铝型材的便于加工性，这为机器人在后期的制作与优化上提供了良好的空间。
图1：机器人工程制图草图
设计之后的制作过程从零起步，从一开始空空如也的教室，到最后亲自搭建起来的实战型机器人，其中的体会，五味俱全。制作过程中，队员们学会了机械制图，车床、电钻、切割机等许多机械设备的使用，知识习得的同时，更是能力的深化。不难发现，切割机周围被学生主动架起了安全罩，教室每天收拾得干干净净，零件工具能够按需摆放、收拾整齐。这样的技术素养将会伴随学生一生，因为它并非来自于被动的习得，而是出于主动的意义领会。
3.软件编写，测试优化。
计算机编程是机器人项目中必不可少的工作。软件需要完成通过手柄控制来完成机器人一系列的行走以及搬运动作。在机械臂的设计调试操作训练中，光是“机器人前进”的一个动作一天就训练了400多次，队员们已经记不清经过了多少次失败。
在此过程中，队员们学到了许多书本上学不到的知识，也培养了团队精神和合作意识。他们的参赛经历，必将成为他们人生的宝贵财富。一位大学教授看了队员们制作的机器人和他们的训练后感慨：这些孩子真了不起，他们在机器人制作方面的水平可以赶上现在理工科大四的学生。
四、结论
爱因斯坦曾经把科学定义为“探求意义的经历”。FRC项目给学生带来的是一场前所未有的挑战，团队招募、资金募集、材料选购、设计制作、软件优化，乃至到最后拆装、打包、安检、运输，每一步都可以作为一个小课题，诸多任务分工到人，定期例会，协商合作，民主决策。师生团队在项目研究的过程中深刻体会到了STEM创新教育的精髓。
为培养科技创新人才计，科技教育体系迫切需要吸收STEM教育的精神。但这绝不意味着要将STEM教育作为一门学科单列，相反，它应该成为一种有效的教学方法居于现有科技教育学科的中心。课程安排需要提升学生的工程实践能力，培养团队协调能力，使学生具备发现问题、分析问题、解决问题的能力，能够把课程知识转化为实际动手能力。
参考文献
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论文作者:张文文
论文发表刊物:《素质教育》2018年9月总第284期
论文发表时间:2018/8/16
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