基于STEAM教育的VEX机器人的设计与教育应用
时间：2021-07-17 08:00:16 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：STEAM教育要求学生在实践过程中学习各种学科以及跨学科的知识，从而全面提高学生的综合素质，但在 STEAM 教育的推进过程中，工程教育是一个弱项。文章基于STEAM教育的观点设计实现VEX机器人，为STEAM教育理论提供了实践平台，这也突出了VEX机器人的教育应用价值，是非常好的工程教育案例。作者从STEAM的五个角度出发，分析了VEX机器人的设计、操作过程，阐明了VEX机器人在教育中的应用，以期为VEX机器人在教育中的实践应用提供参考。
关键词：STEAM教育;VEX机器人;结构设计;教育应用
中图分类号：G433 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2019）02-0030-05
一、研究背景
1.STEAM教育背景
国外关于STEAM教育的研究多集中在美国、英国等发达国家。1986年，美国国家科学委员会就发表过《本科的科学、数学和工程教育》报告，这被认为是美国STEM教育集成战略的里程碑。2011年，时任美国总统的奥巴马推出的新版《美国创新战略》指出，“创新教育运动”指引着公共和私营部门的联合，以加强科学、技术、工程和数学（STEM）教育，旨在确保经济增长与繁荣。STEAM教育模式是以美国为首的一些国家在STEM教育模式的基础上，又在其中添加了一项ART（艺术）部分的综合性教育模式[1]。
笔者对STEAM教育研究现状进行分析后发现国外对STEAM教育非常重视，并且已经实施了相关的措施来确保STEAM教育的顺利改革。教育改革是一个需要不断尝试的过程，国外采取循序渐进的原则将STEAM教育自然地融入传统教育。
我国STEAM教育相对起步較晚，但近年来受关注度逐渐上升。2015年9月，教育部发布《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》，谈到未来5年对教育信息化的计划时，提出学校要摸索STEAM教育、创客教育。2015年10月，仅上海就举办了多次以“STEAM教育”为主题的活动。
目前，全国已有600余所中学引入了STEAM教育课程。例如，北京景山学校的吴俊杰老师在学校开展STEAM教育多年，将大量动手实践活动引入课堂，并得到了学生及学校的高度认可[2]。在笔者看来，进行STEAM教育改革不仅有利于开阔学生视野、培养学生的综合能力，而且有利于培养更多尖端人才，以更快地突破现在的技术瓶颈，加快国家发展速度。
2.VEX机器人及VEX机器人工程挑战赛
VEX是美国太空总署（NASA）、美国易安信公司（EMC）等大力支持的机器人项目。VEX机器人世界锦标赛于2007年开始在美国举行，每年吸引着全球30多个国家，上百万青少年参与选拔，角逐参加总决赛的荣誉席位[3]。
VEX机器人比赛更加重视过程以及对学生能力的锻炼和培养，而非仅仅只看重结果。所以该比赛设置了多种奖项，例如：工程笔记奖，是为了鼓励那些在搭建过程中能认真记录自己团队的工作日志以及机器的搭建过程，及时反思自己错误并做出改正的学生;女生奖，因为这个比赛积极鼓励女生来参加，以提高女生在科学、技术、工程、数学方面的应用能力，所以努力的女生团队可以得到这个奖项;最佳结构奖，奖励给设计出有创新点结构，即使这个结构不能很好地完成任务，但是有很大的改进潜力的参赛队员;全能奖，这是所有VEX奖项里面的最高奖项，它不仅需要有很好的比赛成绩，还需要有很好的团队作风和真正的工程笔记、认真的工作态度，以及克服一切困难的精神，经过多重考察才能获得全能奖。
3.研究的意义
本文从STEAM教育的五个方面对VEX机器人的设计进行了详细剖析与评价，并且从VEX机器人课程的设计以及通过VEX机器人对学生综合素质的提高两方面分析了VEX机器人的教育应用，以期为VEX机器人今后的设计以及教育应用提供参考。
二、基于STEAM教育的VEX机器人设计
STEAM教育的核心宗旨是培养具有创新能力的综合型人才，把各学科间的知识融合起来，开拓学生的思维，培养正确判断事物的能力。参赛者在搭建自己的VEX机器人的过程中，以完成比赛任务为目标，在解决比赛任务面临问题的过程中，需要综合多方面的知识，才能设计出完成任务的机器人。在整个学习过程中小组成员都是学习的主人[4]。
VEX机器人主要由结构设计和程序编写两部分组成，笔者以2015-2016年VEX机器人比赛“nothing but net”为例进行具体介绍。VEX机器人要完成比赛任务的功能，结构设计必须包括最基本的四个部分：①发射器，发射装置，用来发射赛场上的球;②底盘，支撑整个机器并能使机器进行自由移动;③抬升装置，完成高低举任务的装置;④捡球器，收球装置，即将球收集在自己的机器上。程序编写部分必须包括最基本的两部分：自动赛程序（完成前45S比赛）和手控赛程序（完成后75S比赛）。
1.发射器（见图1、图2）
科学方面：我们需要让机器人能在赛场上不同的地点将球打进球筐里面，想要将球发射出去就需要借助外力，为了打出不同的距离，就需要给球不同的力度，所以我们的想法是利用飞轮，通过轮子飞速旋转与球产生摩擦力，把球发射出去;通过改变轮子的速度从而改变给球的力，让球飞出不同的距离。
工程方面：发射器对结构的装配要求特别高，需要高度对称才能保证两边的飞轮转速相同，使球打出去是一条直线，从而顺利打入网中。齿轮之间的契合，裁剪后钢架的拼装，发射器搭建是否紧凑，飞轮高速旋转过程中怎么尽可能地减小抖动，每一个部分连接时极小的误差累计到最后都会导致很大的误差。另外，还可以利用工程中的PID自动控制算法来解决飞轮转速不稳定的情况[5]。
