淺談中學(xué)智能機(jī)器人的教與學(xué)

陳敏華

機(jī)器人學(xué)科是一個(gè)涵蓋知識(shí)面很廣的交叉學(xué)科．機(jī)器人是集機(jī)械、電路、程序?yàn)橐惑w的自動(dòng)控制的典型代表，它既包含軟件編程又包含有硬件開發(fā)，機(jī)器人是一個(gè)培養(yǎng)學(xué)生全面素質(zhì)和綜合解決問題能力的非常好的教學(xué)工具．近幾年來，機(jī)器人的教學(xué)也逐漸從大學(xué)課堂走入了中小學(xué)生的課堂中．中小學(xué)生研制的機(jī)器人雖然簡單，但是集合了計(jì)算機(jī)、聲、光、電等多種技術(shù)，可以讓學(xué)生全面接觸傳感器、計(jì)算機(jī)軟硬件、人工智能、自動(dòng)控制等高新科技知識(shí)．機(jī)器人的教學(xué)，除了教會(huì)學(xué)生知識(shí)外，也培養(yǎng)了學(xué)生的綜合思考能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)造能力和團(tuán)隊(duì)合作精神、進(jìn)取精神．從2003年起，我校開展了機(jī)器人的教學(xué)，筆者執(zhí)教五年，通過探索和實(shí)踐，總結(jié)了以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)．

一、搭建入門

從學(xué)生的學(xué)習(xí)生理心理過程看，只有學(xué)生有較高的學(xué)習(xí)興趣，積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)，方能獲得較高的學(xué)習(xí)效率．機(jī)器人的教學(xué)不能急于求成，而要善于引趣，筆者主要采用的是搭建入門的方法．大部分的學(xué)生在兒童時(shí)期都玩過各種積木和電玩，針對(duì)學(xué)生的這些特點(diǎn)，在開始讓學(xué)生接觸機(jī)器人時(shí)，筆者先讓學(xué)生和小時(shí)候玩積木的游戲相聯(lián)系，充分發(fā)揮學(xué)生的想像力，搭建一些類似于小車、房子等的積木玩具，或是一些學(xué)生認(rèn)為好玩的東西．這時(shí)教學(xué)的重點(diǎn)在于訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新性，鼓勵(lì)學(xué)生多想、多動(dòng)手搭建．在機(jī)器人的教學(xué)中，不要急于一開始就教授機(jī)器人的知識(shí)，而是讓學(xué)生多動(dòng)手、多玩，這樣的過程，學(xué)生們覺得太好玩了，從而大大地激發(fā)了興趣．如果學(xué)生具有了濃厚的興趣，必將使智力的開發(fā)成為一種自然，當(dāng)探索變成一種樂趣，就會(huì)變被動(dòng)地接受知識(shí)為主動(dòng)地尋覓知識(shí)．

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及搭建

結(jié)構(gòu)搭建是整個(gè)機(jī)器人制作的關(guān)鍵，好的形體，再配上好的程序，才能有好的機(jī)器人．而機(jī)器人的搭建是工程學(xué)的一部分，涉及的內(nèi)容很多，如杠桿、齒輪配比、輪子和輪軸、梁、摩擦力、重心等．當(dāng)孩子們?cè)谇癬段時(shí)間搭建的作品都擺上了展覽區(qū)后，筆者再針對(duì)他們所搭建的作品引導(dǎo)他們想像怎么讓作品動(dòng)起來．比如說有學(xué)生搭建了一輛小車，我就會(huì)引導(dǎo)他們思考，如果讓小車動(dòng)起來，哪些地方應(yīng)該是可以活動(dòng)的？如果有兩個(gè)馬達(dá)，將連接在小車的哪個(gè)部位?由此引出齒輪的知識(shí)．有的學(xué)生搭建一個(gè)風(fēng)車，筆者就引導(dǎo)他們思考怎么讓風(fēng)車的扇葉動(dòng)起來，動(dòng)力怎么傳遞？怎么使快速旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)變成慢速轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇?這樣就可以把齒輪配比的問題解釋清楚了．通過這樣的方法，逐步把一些簡單的杠桿、齒輪、摩擦力、重心的知識(shí)在實(shí)踐中教給學(xué)生，學(xué)生們通過反復(fù)的搭—拆—搭的過程，漸漸熟悉、掌握這些知識(shí)．前期的搭建入門讓學(xué)生對(duì)機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)產(chǎn)生興趣，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及搭建過程讓學(xué)生維持甚至提高這種學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)的效果非常顯著，學(xué)生們很快體會(huì)到重心、齒輪等對(duì)于機(jī)器人行動(dòng)的重要性，也漸漸能獨(dú)立的搭建一些動(dòng)作簡單的機(jī)器人．

三、程序編制

簡單的機(jī)器人搭建好了，怎么知道機(jī)器人能不能動(dòng)，是否會(huì)按照我們想像的進(jìn)行動(dòng)作呢?如果這時(shí)教師還是停留在搭建的教學(xué)上，那么學(xué)生的興趣會(huì)漸漸的淡薄，他們會(huì)因?yàn)楦杏X不到機(jī)器人動(dòng)而把機(jī)器人歸結(jié)為小時(shí)候玩的玩具而失去了學(xué)習(xí)的興趣．在這時(shí)適當(dāng)?shù)刈寣W(xué)生接觸到編程的知識(shí)，是引導(dǎo)他們繼續(xù)學(xué)習(xí)的關(guān)鍵．、比如，在教學(xué)中，筆者會(huì)讓學(xué)生思考，如果讓機(jī)器人前進(jìn)一段距離再左轉(zhuǎn)彎，對(duì)于機(jī)器人來說，哪些結(jié)構(gòu)是需要運(yùn)動(dòng)的?然后利用編程軟件，根據(jù)學(xué)生的思維編寫機(jī)器人程序，再下載到他們搭建的機(jī)器人中．這時(shí)，學(xué)生很直觀的看到機(jī)器人按照他們所設(shè)想的路線動(dòng)了起來．他們的興趣再次被激發(fā)起來．在這里我們要讓學(xué)生知道，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模塊、傳感器、接口等硬件只是“骨骼”，操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序才是它的“靈魂”，是它的“大腦”和神經(jīng)中樞，正是在這個(gè)“靈魂”的指揮下，機(jī)器人才有了多姿多彩的動(dòng)作表現(xiàn)．同樣的條件，同樣的機(jī)器人，用不同的編程思路，會(huì)獲得完全不一樣的“靈魂”．這時(shí)教學(xué)的作用只是引導(dǎo)學(xué)生的思維，編程和調(diào)試讓學(xué)生自主地去思考和設(shè)想．一堂機(jī)器人編程的教學(xué)課，不再像學(xué)習(xí)高級(jí)語言那樣的枯燥、沉悶，而是在學(xué)生的合作、討論中變得輕松活潑．學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)過程中知道了什么是程序，什么叫循環(huán)，什么叫重復(fù)，計(jì)算機(jī)程序是如何工作的，如何編一個(gè)讓機(jī)器人聽話的程序等。

四、任務(wù)驅(qū)動(dòng)

會(huì)搭建機(jī)器人和編寫機(jī)器人程序只是一個(gè)開始，如何培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維和創(chuàng)造力?在教學(xué)中_．我們給學(xué)生一些任務(wù)，讓他們?cè)谕瓿扇蝿?wù)的過程中，、培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力．筆者在教學(xué)中會(huì)將一些競賽的內(nèi)容布置給學(xué)生，讓他們解決在完成任務(wù)過程中出現(xiàn)的問題；并獨(dú)立搭建機(jī)器人．比如在完成FLL工程挑戰(zhàn)的任務(wù)時(shí)，機(jī)器人編好程序后卻不按照黑線進(jìn)行行走，學(xué)生反復(fù)檢查程序也沒有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，究竟是什么問題?筆者讓學(xué)生與同伴討論，他們經(jīng)過多次的將機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和程序進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)如果機(jī)器人沿黑線向左轉(zhuǎn)，則編程中的A、C馬達(dá)線必須一致，如果向右轉(zhuǎn)，同樣的程序，就需要更換兩個(gè)馬達(dá)線．在教學(xué)中，經(jīng)過這樣的發(fā)散性思維的訓(xùn)練，學(xué)生們的能力大大提高，在比賽時(shí)，如果機(jī)器人出現(xiàn)意外，一般都能夠盡快地通過其他方案來解決問題．

機(jī)器人是信息技術(shù)發(fā)展的前沿領(lǐng)域，是一門有高度綜合滲透性、前瞻未來性、創(chuàng)新實(shí)踐性的學(xué)科．學(xué)生在實(shí)施智能機(jī)器人項(xiàng)目的自主體驗(yàn)過程中，可以充分培養(yǎng)動(dòng)手能力、創(chuàng)造能力。綜合能力和協(xié)作能力等科技探索能力．對(duì)中學(xué)生進(jìn)行智能機(jī)器人的教學(xué)，我們正在摸索與探索之中，目前教材、器材配備、活動(dòng)組織等相關(guān)方面還沒有跟上教學(xué)形式，如何將智能機(jī)器人的教學(xué)普及到課堂教學(xué)中，培養(yǎng)出更多具有綜合素質(zhì)和良好信息素質(zhì)的現(xiàn)代化人才，是智能機(jī)器人教學(xué)應(yīng)該思考的又一問題。