一、設(shè)計思路
1.設(shè)計背景
當(dāng)前，各國綜合國力的競爭，說到底是科技創(chuàng)新實(shí)力的競爭，是人才的競爭。因此，中國一直采取科教興國的發(fā)展戰(zhàn)略。3D One是國內(nèi)首個面向青少年的三維創(chuàng)意設(shè)計軟件。基于積木，學(xué)生可以使用軟件提供的命令和工具，輕松快速地建立模型和創(chuàng)建創(chuàng)意三維實(shí)體，可以使學(xué)生體驗到愉快的創(chuàng)作過程，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)新思維能力。也符合2016年教育部發(fā)布的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》要求，明確指出有效運(yùn)用信息技術(shù)推進(jìn)“眾創(chuàng)空間”建設(shè)， 并且可以將3D打印的作品融入到各種創(chuàng)新競賽中，讓孩子們在深層次上快樂地發(fā)揮創(chuàng)造能力。實(shí)踐能力的培養(yǎng)引起了教育領(lǐng)域許多專家、學(xué)者和教師的興趣。如何利用3D打印技術(shù)開設(shè)課程成為教師和專家討論的焦點(diǎn)。
廣東省創(chuàng)意機(jī)器人大賽是廣東面對省教育廳廣東省港澳中小學(xué)推進(jìn)的科技創(chuàng)新大賽活動。廣東科學(xué)中心和廣東省科技館研究會共同主辦，旨在提高廣東粵港澳大灣區(qū)、港澳中小學(xué)生機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計和制作水平，將促進(jìn)科普教育交流，助力中小學(xué)人工智能和編程課程向?qū)W校滲透。比賽的主題每年都會不一樣。今年大賽的主題是:工業(yè)機(jī)器人，要求參賽選手按要求自行設(shè)計制造工業(yè)機(jī)器人和傳送帶，模擬智能工廠的生產(chǎn)過程， 進(jìn)行產(chǎn)品識別、加工等一系列操作，完成相應(yīng)任務(wù)。
2.設(shè)計基礎(chǔ)
1)掌握大賽主題。比賽的主題每年都會不一樣。如何在比賽中取得優(yōu)異的成績，讓學(xué)生有所收獲，是我一直在考慮、關(guān)注和不斷改變培養(yǎng)模式的重點(diǎn)內(nèi)容。2020大賽的主題是工業(yè)機(jī)器人，是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器設(shè)備。它可以依靠自身的動力和控制能力自動執(zhí)行工作，實(shí)現(xiàn)各種功能。大賽模擬智能工廠的智能生產(chǎn)流程，要求參賽選手設(shè)計制造機(jī)器人和傳送帶， 并根據(jù)產(chǎn)品定制的要求進(jìn)行產(chǎn)品識別、加工等一系列操作。工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計目標(biāo)是提高生產(chǎn)效率。參賽者使用相同的基本材料包，并通過不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制方法提高生產(chǎn)效率。大賽規(guī)則不僅評判參賽作品的創(chuàng)意水平和科學(xué)性，也比拼參賽作品的制作效率。
2)師生熟悉競賽規(guī)則。閱讀和理解規(guī)則是每場比賽的首要任務(wù)。廣東機(jī)器人大賽創(chuàng)意省的比賽規(guī)則比較嚴(yán)格，不會以任何理由違反比賽規(guī)則，所以如果因為一些小的出差而被取消參賽資格，那就得不償失了。
3)提高學(xué)生的綜合創(chuàng)新素養(yǎng)。機(jī)器人和信息技術(shù)課程都是以實(shí)踐為主要目的的教育理念。在培養(yǎng)中，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的綜合創(chuàng)新素養(yǎng)能力。在培訓(xùn)中，以項目學(xué)習(xí)為學(xué)生的主要模式，讓學(xué)生通過應(yīng)用知識和動手操作進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)而加深對學(xué)習(xí)材料的理解，強(qiáng)調(diào)主動建構(gòu)、合作學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)和主動參與。
3.活動的主題和對象
1)活動主題
活動主題根據(jù)不同的比賽主題設(shè)定，如廣東省創(chuàng)意機(jī)器人大賽2018年是表演機(jī)器人，2019年是無人機(jī)器人，2020年是工業(yè)機(jī)器人。每年都會圍繞主題對學(xué)生進(jìn)行組裝、電路組裝、主題外觀創(chuàng)作等方面的訓(xùn)練，并將每個競賽項目進(jìn)行模塊劃分，訓(xùn)練分析、征服、掌握每個模塊內(nèi)容的循環(huán)模式。
2)對象
培養(yǎng)對象主要是4-6年級的學(xué)生。先根據(jù)學(xué)生平時成績進(jìn)行初選，再進(jìn)行計算機(jī)操作的二次篩選。第三次篩選是日常機(jī)器人訓(xùn)練，第四次篩選是城市比賽。經(jīng)過四個階段的篩選，從1299人中選出4-8人。廣東省賽創(chuàng)意機(jī)器人培訓(xùn)。
第二，教育目標(biāo)
因為培養(yǎng)意在提高學(xué)生的綜合創(chuàng)新素養(yǎng)能力，以項目學(xué)習(xí)為主要模式，所以從五個方面(S(科學(xué))目標(biāo)、T(技術(shù))目標(biāo)、E(工程)目標(biāo)、A(藝術(shù))目標(biāo)、M(數(shù)學(xué))目標(biāo))設(shè)計教育目標(biāo)。以2020年工業(yè)機(jī)器人大賽為例，為了將整個訓(xùn)練過程與各個學(xué)科融合，作者設(shè)計了如下學(xué)習(xí)目標(biāo):
s(科學(xué))目標(biāo):營造3D打印和機(jī)器人學(xué)習(xí)的氛圍，嘗試運(yùn)用技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識進(jìn)行融合創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作精神。
t(技術(shù))目標(biāo):通過訓(xùn)練，讓學(xué)生了解一些電氣元件的名稱和電路符號。掌握機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)和組成，不看圖紙就能快速組裝機(jī)器人。
e(工科)目標(biāo):掌握機(jī)器人芯片原理，學(xué)會識讀電路圖，熟練快速地完成電路組裝，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的功能。要求熟練使用3D one軟件設(shè)計機(jī)器人的外觀。
a(藝術(shù))目標(biāo):從網(wǎng)絡(luò)、地方文化等途徑尋找機(jī)器人外觀的主題，利用一些回收材料或生活用品，制作具有一定創(chuàng)意和特定功能的裝置，提升學(xué)生的文化藝術(shù)能力。
m(數(shù)學(xué))目標(biāo):用簡單的數(shù)學(xué)邏輯結(jié)構(gòu)描述解題方法。
第三，表達(dá)方法
根據(jù)教育的目的和發(fā)展性評價的理念，為了提高學(xué)生的知識和能力，升華學(xué)生的思想，主要有三種訓(xùn)練方法。
1.頭腦風(fēng)暴
收到省級競賽器材后體內(nèi)會后，參賽成員將組織一次頭腦風(fēng)暴，讓成員根據(jù)比賽內(nèi)容進(jìn)行討論和研討:組裝、電路、創(chuàng)意外觀、分工等。在正常、和諧、不受限制的氛圍中，打破常規(guī)，積極思考，暢所欲言，充分表達(dá)自己的觀點(diǎn)。
2.探索與創(chuàng)新
1)思考如何根據(jù)圖紙裝配工業(yè)機(jī)器人，如何提高裝配速度和精度；
2)掌握每類芯片的邏輯原理，根據(jù)電路原理組裝電路；
3)確立主題，根據(jù)主題內(nèi)容利用3D打印技術(shù)完善創(chuàng)意外觀。
3.評估和交流
對自己的作品和獲獎作品的外觀進(jìn)行評價和總結(jié)，并提出今后的改進(jìn)方法。
第四，實(shí)施過程
1.機(jī)械裝配
工業(yè)機(jī)器人的裝配主要是動作部件的安裝，包括:木支架、橫擔(dān)、碰撞開關(guān)、驅(qū)動電機(jī)、滑輪等。要求學(xué)生能熟練組裝，不看圖紙能在規(guī)定時間內(nèi)快速完成。
2.電路組件
電路是每場比賽的重點(diǎn)和難點(diǎn)。控制電路主要由邏輯芯片組成，按照獨(dú)立設(shè)計的電路，通過杜邦線和面包板連接。首先要求學(xué)生掌握邏輯芯片的原理，并能看懂電路圖。要求組裝的電路完成比賽要求的功能:在規(guī)定的時間內(nèi)，將60個不同顏色的色塊排序。檢測準(zhǔn)確率和工作效率應(yīng)達(dá)到99%。
3.創(chuàng)意外觀
在確立主題后，團(tuán)隊成員考慮外觀以及場景的哪些部分可以利用3D打印技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，在完成設(shè)計、建模、打印等一系列工作后再對外觀和場景進(jìn)行修飾。
動詞 （verb的縮寫）教育效果
在學(xué)校的支持下，機(jī)器人競賽培訓(xùn)班已經(jīng)開展了三年，有一批有固定科技興趣的學(xué)生，以此帶動和輻射所有學(xué)生。雖然是機(jī)器人比賽，但不僅僅是機(jī)器人學(xué)習(xí)，還有3D打印技術(shù)。基于3D打印的競賽讓學(xué)生在先進(jìn)的制作和學(xué)習(xí)過程中體驗成功的喜悅。學(xué)到的內(nèi)容也可以應(yīng)用到日常學(xué)習(xí)和其他競賽類型中。同時可以提高學(xué)生的創(chuàng)造力、設(shè)計力、建構(gòu)力、發(fā)現(xiàn)力、合作力和解決問題的能力，這也符合學(xué)生的童心和興趣，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)方式的多樣化，促使學(xué)生自主參與和探索，在參與和探索中有所收獲。