《机器人数学建模在STEM教育中的实践》
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【摘 要】 STEM课程是一门多学科交叉,将科学、技术、工程、数学有机地融合一起.它强调的是在不同的情境中培养学生问题的解决能力.机器人课程中融入数学建模思想,培养学生利用数学的思维去看待问题、分析问题、解决问题.
【关键词】 STEM教育;机器人;数学建模
18世纪中叶以来,人类历史发生三次工业革命,从第一次蒸汽技术革命,第二次电力技术革命,第三次计算机及信息技术革命到现在的人工智能革命,每一次的工业革命都推动着社会生产力的发展.机器人不仅作为新时代的产物,也是探究学科之间相互联系的一个契机.因此,学会学习与运用显得尤为重要.模型思想是《义务教育数学课程标准（2011年版）》中十大核心概念之一,是学生将数学与现实生活联系的重要纽带,是引导学生从现实问题到直观模型,从直观模型到抽象模型,从抽象模型到自主建构的建模过程.机器人、建模思想与STEM教育的精髓不谋而合,两者融合将STEM课程效果最大化.
一 学习机器人课程在STEM教育中的意义
现如今机器人产业已经渗透到各个领域,充分表明国家对培养多元化人才的需求,培养孩子学习机器人已刻不容缓.STEM教育是让学生学会综合运用多学科知识,通过实例看到知識的多元化,知道学科知识不是单一的,可以综合运用解决实际问题.机器人课程是STEM教育的具体体现,首先,机器人课程是开放式课程,融合了各个领域知识,发挥学生的动手实践能力、思维创新能力、团队协作能力;其次,学生们富有丰富的想象力和创造力,他们能在机器人课程中寻找乐趣、展示才能、培养创意;最后,开展机器人课程更符合STEM教育的意义,可以打破学生对各个学科的元认知,打破“偏科”的壁垒,也为国家培养多元化人才奠定了基础.
二 寻根溯源,明确数学建模的重要性
对于学生来说,他们年龄小,学习以直观思维为主,不善于抽象思维与逆向思维,他们所学的知识主要是从现实情境中抽象和概括出来的.但不能忽视一点,学生爱动手操作,爱思考,善于发现问题,勇于探索创新.机器人课程给学生提供了这样的“支架”,玩转机器人时,学生边玩边思考边构建数学建模,这样的教学模式有助于加强学生对数学知识的理解.数学建模能对现实问题进行数学抽象,用数学语言进行问题表达,能够帮助学生体会数学与生活的联系.建立数学模型、处理数学模型、应用数学模型的种子在学生们的心中逐渐生长.
三 实践中渗透,操作中感悟
学生对数学知识的学习,很难将知识系统化地应用到生活中,我们可以引导学生将数学中学到的知识运用到机器人课程中,加强学生对数学知识方法与思想的理解,感悟机器人在社会所占的价值.建模思想在机器人学习中如何渗透呢?我们不妨从生活入手,化自然语言为编程语言.
比如：让机器人从A点搬运货物到C点,要求从中选取最优路径（权值最小）.首先我会给学生充足的探索时间,让他们小组讨论交流、分析,各自说出自己的想法,然后教师提问：如果是自己搬运,会选择哪条路?有的学生认为从A点到B点,再从B点到C点（测距估算）,还有学生持反对意见,认为可以结合路程等于速度×时间（S等于VT）,将马达的速度设置最大值.但是转弯太多,转弯也是需要时间的.教师追问：那机器人前进多少?转多少角度的弯?（转弯：左轮与右轮转速的差.）如何判断这些条件呢?实践是检验真理的唯一标准,最后学生去估算、实践.通过问题的层层引导,学生运用了数学建模中的假设检验思想,并利用构建的模型通过软件将程序编写出来,再不断检验、调试,选择让机器人直接将货物从A点搬运到C点,这个简单的案例不仅将数学知识路程、速度、时间、减法、乘法毫秒等概念与公式的合理运用,还利用机器人现场模拟行走,直观地掌握数学理论——两点之间距离最短.长此以往,学生通过反复的操作、练习,就会在无形中养成用编程语言来解决问题的习惯,而在解决问题的过程中,将问题构建成模型库就是数学建模思想的核心,困扰学生的编程问题不再是问题.
再如：伸缩门是日常生活中较为常见的一种门,利用积木块搭建一个伸缩门（自动开关的伸缩门）,控制行人或运输拦截和放行.传统的教学方式是老师直接告诉学生搭建平行四边形,虽然也能完成作品,但学生就不会去分析、讨论、研究为什么,在实践中也不会构建数学模型.即使学生了解平行四边形的特性,也只是单纯地了解数学理论知识,很难形成抽象思维.STEM课程不同于数学课程,它是开放的,是通过实践去论证的,设计伸缩门课程中,我会让学生以实践的方式探讨三角形、平行四边形、正方形它们各自的特性,哪一个更适合并说出理由.实践得出利用平行四边形的结构,因为它具有不稳定性,容易发生形变.最后在建立模型基础之上,再通过编程设计来判断解决问题的可行性.
以上实例都是基于STEM教育思想,即基于真实解决问题的学习.有利于学生建立解决问题的基本模型库;有利于学生学会用编程语言来表达实际问题;有利于培养学生团队合作精神.
“机器人+数学建模”在STEM教育中的实践意在借助于机器人平台模拟生活中的情境,增强学生数学建模的应用意识,提升学生数学建模的应用能力、个人能力、学科品味.
【参考文献】
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[2]姜春霄.数学建模思想在小学机器人教育中的应用[J]中国教育信息化,2012（10）：65-02.
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机器人和数学引用文献:
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