摘 要:機器人教育是近幾年開展起來的一項青少年科技創(chuàng)新教育,它將信息技術(shù)、通用技術(shù)等多學科的知識和技能融為一體,讓學生在做中學,學中做,有利于學生的科學和技術(shù)素養(yǎng)的提升。實踐證明,機器人活動課程深受中小學生喜愛,有效地提高了學生的創(chuàng)新精神、實踐能力,成為科技創(chuàng)新教育一種新的平臺和載體。
關(guān)鍵詞:青少年;機器人;科技創(chuàng)新教育
隨著高新技術(shù)與知識經(jīng)濟迅速發(fā)展,人類開始進入信息時代,信息時代需要有創(chuàng)新素質(zhì)的人才。目前我國中小學雖然對培養(yǎng)和發(fā)展學生的創(chuàng)新精神、實踐能力有一定的關(guān)注,但未能找到培養(yǎng)和發(fā)展學生創(chuàng)新精神、實踐能力的切入點,未能真正激發(fā)學生的創(chuàng)新激情和動力,因而效果甚微。鑒于國內(nèi)國際對青少年機器人創(chuàng)新活動的高度關(guān)注,國內(nèi)有全國青少年機器人大賽和信息技術(shù)創(chuàng)新大賽,國際上有國際奧林匹克機器人大賽,我們認為這是培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神、實踐能力的一個很好的突破口。如何將機器人與科技創(chuàng)新教育的培養(yǎng)和諧地鏈接起來,為學生找到一把開啟和開發(fā)創(chuàng)新能力的新“鑰匙”,從而打開通往創(chuàng)新和發(fā)展之路,是一個非常有探究價值的問題。
一、構(gòu)建快樂的教育模式是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的前提
快樂教育要培養(yǎng)學生“樂于學習”,其核心在于一個“樂”字。學生能夠在智能機器人創(chuàng)新活動的學習中“樂”起來,首先是他們把學習機器人制作作為一種樂趣和發(fā)自內(nèi)心的一種愿望,所以他們才會自覺和積極主動地學習。教師應(yīng)樹立起以學生發(fā)展為中心、為樂學而善教的思想,使教學過程成為學生主動學習、主動思考、主動發(fā)展的過程,構(gòu)建師生關(guān)系的和諧之樂。讓學生做學習的主人,使他們成為自主活動和自我教育的主體,提高學生“學”的質(zhì)量。在機器人創(chuàng)新設(shè)計過程中,利用快樂教育的模式,可使學生的學習經(jīng)常處于興奮積極的狀態(tài),思維活躍,反應(yīng)敏捷,在尋根究底中鍛煉思維能力,在求異思維中培養(yǎng)創(chuàng)新思維。引導學生不斷進行分析、歸納和總結(jié),為培養(yǎng)創(chuàng)造性能力奠定基礎(chǔ)。
快樂教育是給每一個學生創(chuàng)造成功的機會。成功會使學生建立自信心,如果學生有了自信心,就會產(chǎn)生新的追求,從而獲得更大的發(fā)展。目標是前進的方向,學生有了明確的目標,就會產(chǎn)生前進的動力,就會促進主動的發(fā)展,因此要鼓勵學生不斷樹立新的奮斗目標,并通過艱苦的努力去實現(xiàn)。這些做法極大地調(diào)動了學生的內(nèi)部動力,促進了他們的主動發(fā)展。學生所進行的機器人創(chuàng)新設(shè)計實驗,是自由式和開放式的學習。他們在制作機器人的過程中“玩”出了樂趣,所以,他們才會如此癡迷地、快樂地完成每天的“作業(yè)”??吹阶约涸O(shè)計制作的機器人能出色地完成一系列的動作和任務(wù),在各類機器人比賽中取得了優(yōu)異成績,他們都會有一種成就感和自豪感。
二、組織各種機器人創(chuàng)新活動,培養(yǎng)學生的學習興趣
機器人創(chuàng)新活動不能簡單地看成是組織一次學生活動或參加一次競賽,而應(yīng)該利用科學探究的方法去研究在機器人創(chuàng)新活動中如何培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng),以機器人創(chuàng)新活動為載體來提高學生的科學素養(yǎng)。并把在機器人創(chuàng)新活動中科學素養(yǎng)的培養(yǎng)內(nèi)容和方法推廣到科技小發(fā)明等其他科技活動中。
我校每年組織一次電腦機器人比賽活動,活動由學生自己舉辦,自己制訂比賽規(guī)則,賽后參賽同學需要對自己的機器人作品的設(shè)計思路進行闡述。去年我校舉行了一次機器人射門比賽,機器人在離球門不同的角度和不同的距離的三個點上發(fā)射乒乓球到球門內(nèi),機器人必須要有彈射球裝置,并根據(jù)射門難易度不同而設(shè)置不同的進球分值。這種形式有效地調(diào)動了學生的學習興趣,豐富了學校文化生活,也展現(xiàn)了學生的創(chuàng)造才華,并有效地提高了機器人應(yīng)用水平。這個項目成為廣受歡迎、最具人氣的學校文化活動之一。2012年5月份我校與市科協(xié)舉行了科技創(chuàng)新活動進社區(qū)活動的機器人專題活動——機器人滅火比賽,我們的活動引起了媒體的關(guān)注,《邵陽日報》刊發(fā)了相應(yīng)的圖片新聞。
學校多次邀請自動化控制的教授、專家、老師來我校進行科技講座。他們詳細地向?qū)W生們介紹了發(fā)明創(chuàng)造的一般過程、發(fā)明常用的幾種技法。并且結(jié)合近幾年省、全國青少年科技創(chuàng)新大賽部分作品給學生們講述了青少年科技創(chuàng)新大賽的發(fā)展動態(tài),以及在科技創(chuàng)新活動中需要注意的問題,其中包括如何選題、如設(shè)計制作自己的創(chuàng)新作品等。這種名師講座對于推動我校機器人創(chuàng)新活動的蓬勃開展,培養(yǎng)青少年的創(chuàng)新精神和實踐能力,提高青少年的科技素質(zhì),鼓勵優(yōu)秀人才的涌現(xiàn)等,起到了積極的推動作用。
三、發(fā)現(xiàn)問題和處理問題是提高學生創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)
素質(zhì)教育的著眼點是要改變學生的學習方式,讓學生主動探索、發(fā)現(xiàn)和體驗。關(guān)注學生學習的過程,在過程中學習知識、應(yīng)用知識、解決問題,通過親身實踐,獲取直接經(jīng)驗,是提高學生創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)。
機器人的創(chuàng)新活動是以解決具體問題的學習方式進行的。學生運用已有的知識,成功地尋找達到目標的手段或途徑,在過程中通過解決具體問題,達到學習目的。學生在完成機器人搭建和編寫程序后,要對機器人進行反復試驗,在試驗過程中發(fā)現(xiàn)問題。實踐中出現(xiàn)的問題是多種多樣的,有時是結(jié)構(gòu)問題,有時是程序編寫問題,還有外界環(huán)境對機器人的影響等。往往是舊的問題解決了,又出現(xiàn)新的問題,學生們會不斷遇到新的挑戰(zhàn),需要反復認識,反復實踐,反復創(chuàng)新。學生們遇到的最大挑戰(zhàn)是突破傳統(tǒng)的觀念和認識,即在機器人的學習中沒有最好,只有更好。
如,在《機器人爬坡大挑戰(zhàn)》主題中,學生制作的機器人要爬上不同坡度的斜坡。學生根據(jù)坡度的不同反復嘗試修改機器人的結(jié)構(gòu),失敗了,找原因,再嘗試,以達到最佳的效果。學生在反復的嘗試中認識齒輪轉(zhuǎn)動的特點,摩擦力對機器人的影響以及體會杠桿原理的應(yīng)用。
四、通過“合作學習”培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力
合作學習是教學過程中進行小組合作探究的一種學習形式。通過討論、交流等形式,加深每個學生對所學知識的理解,使學生始終有一種參與感,從被動接受轉(zhuǎn)為主動探索。它既能調(diào)動學生學習的積極性,又能充分發(fā)揮學生之間協(xié)調(diào)互補的作用。因此,通過合作學習培養(yǎng)學生合作、自主、創(chuàng)新的精神,是整個合作學習的主要目標。
教師是“合作學習”的組織者、輔導者、幫助者、促進者和學習伙伴,在關(guān)鍵時應(yīng)給予指導、點評。智能機器人活動的開展堅持以學生為主體,教師為主導的原則,給學生充分的時間與空間,鼓勵學生積極參與,主動合作。同時,發(fā)揚教學民主,創(chuàng)設(shè)信任、平等、和諧的教學氣氛,有利于發(fā)揮學生的特長,發(fā)展學生的個性,并使每個學生都能在集體中發(fā)揮自己的聰明才智。積極創(chuàng)設(shè)一種團結(jié)、協(xié)作、和諧、上進的新型學習環(huán)境。在組織學生制作機器人時,我根據(jù)每個學生的特長和要完成的任務(wù)將他們分成多個實驗小組,小組成員根據(jù)各自特長再進行分工,共同完成機器人的制作。例如,設(shè)計制作“福娃登長城”時,一個小組由三個學生組成,彭立純同學愛動腦,負責機器人軟件部分,主要進行機器人的程序設(shè)計;黃淵煌的動手能力比較強,負責機器人的搭建和組裝;劉旭同學審美能力較好,負責機器人的外觀裝飾和功能講解。充分發(fā)揮每個學生的特長和優(yōu)勢,經(jīng)過三個人的通力協(xié)作,最后共同完成了整個機器人的軟、硬件設(shè)計制作。該機器人在2012年湖南省青少年機器人競賽榮獲一等獎(第一名),他們的這種敢于探索、開拓創(chuàng)新的精神受到了市領(lǐng)導的贊許。通過機器人實驗,讓他們真正體驗到了合作學習的重要性,也體驗到了集體智慧所創(chuàng)造的價值。
合作學習的形式有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。在智能機器人創(chuàng)新設(shè)計的活動過程中,根據(jù)中學生好勝心強的特點,注意鼓勵他們細心觀察生活,讓學生養(yǎng)成勤于動腦、善于思考、勇于創(chuàng)新的良好習慣,使他們在合作過程中學習,并得到鍛煉和提高。在有限時間內(nèi),通過教師的適時指導,學生的愉快合作,讓師生共享成功的快樂,取得較好的教學效果。在機器人創(chuàng)新活動過程中,合作學習是一種促進學生主動學習的有效教學組織形式,有助于培養(yǎng)學生成為適應(yīng)社會發(fā)展的高素質(zhì)的“創(chuàng)新型”人才。學生們在機器人的設(shè)計、組裝、編程和調(diào)試的過程中,以“小組合作學習”為途徑,可以有效地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神。
五、通過學生的“自主探究”培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力
以學生的發(fā)展為本,以學生的自主學習為核心,充分發(fā)揮學生的主體作用,挖掘?qū)W生的內(nèi)在潛能,增強學生的自信心和自豪感,使學生真正成為實踐活動的主人,培養(yǎng)學生探索質(zhì)疑和解決問題的能力、搜集和處理信息的能力、動手操作和主動實踐的能力。利用自己所學過的數(shù)學、物理、化學、生物和信息技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的知識,將其靈活地運用到機器人創(chuàng)新設(shè)計的活動中。如“滅火機器人實驗小組”的鄧琳和謝雨均同學曾經(jīng)在制作滅火機器人過程中遇到了一個技術(shù)難題,原因是在購買的樂高機器人套裝中滅火風扇電機的電壓為6V,滅火時電機功率太低不能有效地吹滅蠟燭,而要更換大功率的9V電機時,機器人本身的電源供電不足,可當時他們還沒學到物理中電學部分的知識,但為了找到解決問題的答案,他們就自己主動到圖書館查資料,在老師的指導下購買了一些電子元件反復進行試驗,最后用兩個三極管和一個電阻自己制作了一個繼電器,又添加一個9V電池為該風扇的電機供電,將改裝的配件接入機器人后,大大提高了風扇的轉(zhuǎn)速和滅火效率,通過自主學習的途徑攻克了機器人滅火效率低的難題。通過機器人制作活動,充分發(fā)掘了學生的自主探究、自主學習的潛能,在機器人制作過程中呈現(xiàn)了既有探究,又有協(xié)商;既有質(zhì)疑,又有感悟;既有合作,又有個性突現(xiàn)的生動活潑的自主探究模式,從而提高了學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。
六、利用機器人教具營造創(chuàng)新氣氛
1.融合了造型技術(shù)、機械、電子、傳感器、計算機軟件、硬件和人工智能等眾多先進技術(shù)
教師和學生只是利用積木式的散件即可達到創(chuàng)造,國際上標準的積木,積木之間任意選擇插接方式,不同的插接,就能搭建出不同的外形樣式。只要用心設(shè)計利用積木就可能創(chuàng)造新的造型,新的造型就可能有新的效果。這樣就激發(fā)了學生的制作新型的興趣。在各自創(chuàng)作中達到互相啟發(fā)、互相激勵的目的,從而使學生做起來樂此不疲。
2.機器人硬件造型是軀殼,還需要軟件編程,程序是機器人的靈魂
硬件是軟件基礎(chǔ),軟件要依附于硬件來編程。它是根據(jù)不同的硬件即不同的傳感器,不同的啟動裝置,不同的驅(qū)動裝置,不同的搭建位置,來確定如何編程的。因為不同的傳感器接收到的信息不同,相同的傳感器在不同的位置采集到的信息也不同。因此對信息的處理方式也要改變,對啟動裝置和驅(qū)動裝置的指令也要有所不同,如果不做相應(yīng)的改變就達不到想象中的效果。另外不同的可執(zhí)行部件的功能不同,也要進行不同的編程思路調(diào)整,即:只有運用不同公式和選擇不同的邏輯和不同的參數(shù),才能達到預期效果。因此每一次硬件修改,就會達到一種新效果;相同的硬件制作,編程不同,也會帶來不同的效果。千變?nèi)f化的硬件搭建,決定著千變?nèi)f化的效果,千變?nèi)f化的軟件編程也決定千變?nèi)f化的效果。機器人創(chuàng)新活動中使師生在學習中隨時都可能產(chǎn)生一個驚喜、一種成功、一個期待、一個新思路的誕生。如爬梯機器人的制作。兩人一組,學生用同樣的散件就能做出不同樣的十多種機器人來,小組之間不同制作的互相啟發(fā),互相激勵,使學生們廢寢忘食地投入制作。教學機器人以其創(chuàng)意無限的制作空間,激發(fā)師生無限的潛能。教學機器人是營造創(chuàng)新氣氛的最好教具!
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(作者單位 湖南省邵東縣第一中學)