在機器人活動課程中進行科技創(chuàng)新教育的實踐研究

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）