讓機(jī)器人解開生活中的小問號(hào)

甄奕

積累生活中的小問號(hào)

愛因斯坦曾說過：“提出一個(gè)問題往往比解決一個(gè)問題更為重要”。我們?cè)谏钪兄灰粜挠^察，每天都會(huì)遇到無數(shù)個(gè)引起我們思考的問題，甚至就像“天氣很熱，我們是否該打開空調(diào)了”這樣的小事。我習(xí)慣把這些在生活中遇到的問題稱為“小問號(hào)”。

每天我們所遇到的小問號(hào)很多，但是并不是所有的小問號(hào)都值得作為選題去研究。真正的小問號(hào)并不是簡(jiǎn)單的一個(gè)問題，解開它會(huì)涉及到科學(xué)性、創(chuàng)新性、實(shí)用性和可行性。德國(guó)物理學(xué)家海森認(rèn)為“提出問題就解決了問題的一半”，只有學(xué)生發(fā)現(xiàn)了符合這些要求的小問號(hào)，才有可能通過查閱資料、制定研究計(jì)劃而開展后續(xù)的研究活動(dòng)。我們應(yīng)當(dāng)以培養(yǎng)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新性問題的能力為目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新選題來源于對(duì)生活的觀察和思考，特別注重引導(dǎo)學(xué)生觀察生活中的熱點(diǎn)、難點(diǎn)、盲點(diǎn)和疑點(diǎn)，體驗(yàn)科技改變生活的樂趣。

科技輔導(dǎo)員應(yīng)當(dāng)首先具有一雙敏銳、善于發(fā)現(xiàn)生活中問題的眼睛，然后有計(jì)劃地組織學(xué)生體驗(yàn)觀察生活，尋找熱點(diǎn)、盲點(diǎn)、難點(diǎn)、疑點(diǎn)的過程，特別注重平時(shí)對(duì)于問題的積累與思考——如果用機(jī)器人去做這件事會(huì)是怎樣？能否用機(jī)器人替代人完成這個(gè)任務(wù)？

機(jī)器人創(chuàng)意作品的選題要從生活中來，那么機(jī)器人就應(yīng)當(dāng)能夠解決生活中的問題，而這些問題的解決最好是人類難以親自完成的。我們也可以更注重那些需要枯燥地、重復(fù)完成同一類動(dòng)作的任務(wù)，例如蓋章、翻頁、清掃等；需要準(zhǔn)確的定位、按照精準(zhǔn)的路線、位置去完成任務(wù)，例如循跡、精密的連接等；需要在不安全、不衛(wèi)生、不適合人類活動(dòng)的地點(diǎn)工作，例如高空作業(yè)、救災(zāi)等。

中國(guó)青少年機(jī)器人競(jìng)賽中的機(jī)器人創(chuàng)意比賽，每年都會(huì)有一個(gè)主題，創(chuàng)意作品是否切合主題是對(duì)作品評(píng)價(jià)的重要方面。如果我們平時(shí)讓學(xué)生積累了很多小問號(hào)，等于營(yíng)造了一個(gè)廣闊的創(chuàng)意空間。結(jié)合主題的要求，在這個(gè)空間中選擇合適的題目也就不困難了。

評(píng)價(jià)自己的設(shè)想

機(jī)器人創(chuàng)意項(xiàng)目的選題應(yīng)當(dāng)來源于對(duì)于生活的觀察，是為了能夠解決生活中的一個(gè)具體的問題。對(duì)于小學(xué)生而言，機(jī)器人知識(shí)水平尚處于初級(jí)階段，因此更需要讓機(jī)器人創(chuàng)意作品“接地氣”，來源于生活實(shí)際的選題可以很好地吸引人們的目光，拉近彼此之間的距離。

對(duì)于一個(gè)機(jī)器人創(chuàng)意項(xiàng)目的選題，我們可以從以下幾方面評(píng)價(jià)。

科學(xué)性

科學(xué)性體現(xiàn)了科技活動(dòng)的最重要的特征，這既包括選題的內(nèi)容是否科學(xué)，也包括預(yù)期解決問題的方法和途徑是否科學(xué)。機(jī)器人創(chuàng)意作品應(yīng)當(dāng)是用科學(xué)的方法和手段，解決一個(gè)科學(xué)的問題。

創(chuàng)新性

既然是創(chuàng)意項(xiàng)目，自然必須具有創(chuàng)新性。創(chuàng)新并不是要求所研究的機(jī)器人必須是前所未見的，用一種新的方法解決老問題，用一種新零件代替老材料都是不錯(cuò)的選擇。想創(chuàng)新，首先要了解過去人們?yōu)榱私鉀Q這個(gè)問題采用過什么方法。我認(rèn)為機(jī)器人競(jìng)賽的創(chuàng)新相對(duì)簡(jiǎn)單一些，因?yàn)樯钪泻芏鄦栴}的解決并沒有用到機(jī)器人，機(jī)器人的應(yīng)用空間很大。

實(shí)用性

任何一個(gè)發(fā)明都應(yīng)當(dāng)有其實(shí)用價(jià)值，可以解決生活中的某些問題，或突破一個(gè)制約著我們的技術(shù)難點(diǎn)。創(chuàng)新大賽的工程類項(xiàng)目就特別強(qiáng)調(diào)作品的實(shí)用性。機(jī)器人創(chuàng)意作品也許不是解決問題的最佳途徑，但是也必須能夠?qū)崒?shí)在在地解決一個(gè)問題、完成一個(gè)任務(wù)。

可行性

所有的選題在確定之前，都應(yīng)當(dāng)預(yù)想憑自己的技術(shù)手段、掌握的材料是否能夠?qū)崿F(xiàn)。過去我經(jīng)常遇到這樣的情況，小學(xué)生把任何問題的解決都寄托在機(jī)器人身上，機(jī)器人成了無所不能的“天神”，當(dāng)作科學(xué)幻想是可以的，但是現(xiàn)在我們要做的，是選擇一個(gè)能夠做出來的機(jī)器人。因此必須在確定選題前，考慮自己的設(shè)想是否可行。

機(jī)器人創(chuàng)意項(xiàng)目的選題應(yīng)當(dāng)符合以上4個(gè)基本特征，然后才有可能通過一段時(shí)間的研究和探索將其完成。

幾年前，我所教的1個(gè)4年級(jí)的小學(xué)生找到我，她發(fā)現(xiàn)洗完熱水澡后，浴室鏡上會(huì)出現(xiàn)很多小水珠。她覺得解決這個(gè)問題可以用很多方法：用毛巾擦、打開換氣扇、給鏡子加熱、鏡子表面鍍膜等。她希望能夠借助機(jī)器人的力量解決這個(gè)問題。因此我首先帶著她對(duì)這個(gè)小問號(hào)進(jìn)行了分析。

從科學(xué)角度分析，機(jī)器人可以完成模擬毛巾擦鏡子的動(dòng)作，可以通過馬達(dá)帶動(dòng)刷子去實(shí)現(xiàn)；從創(chuàng)新角度分析，查閱資料后發(fā)現(xiàn)目前解決此類問題更多采用的是給鏡子加熱的方法，沒有擦鏡子的機(jī)器人；從實(shí)用角度講，機(jī)器人可以解開這個(gè)小問號(hào)，但是有些“高射炮打蚊子”的感覺，因此需要發(fā)揮機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)，解決用毛巾不易擦勻的問題；從可行角度看，我要求她根據(jù)鏡子的形狀去設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，選擇相關(guān)材料，畫出結(jié)構(gòu)草圖，她都一一完成了，證明可以實(shí)現(xiàn)制作機(jī)器人的任務(wù)。

評(píng)價(jià)自己的設(shè)想是很有意義的，肯定了設(shè)想會(huì)激起強(qiáng)烈的興趣和實(shí)現(xiàn)設(shè)想的欲望；設(shè)想被否定也沒有關(guān)系，因?yàn)檫@至少避免了走彎路。

讓機(jī)器人發(fā)揮作用

顯然，機(jī)器人創(chuàng)意作品應(yīng)當(dāng)用到機(jī)器人。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織給機(jī)器人下的定義是：一種可編程和多功能的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可用計(jì)算機(jī)改變和可編程動(dòng)作的專用系統(tǒng)。按照這個(gè)定義，我們可以將機(jī)器人歸納出以下特征：執(zhí)行不同任務(wù)、可編程、動(dòng)作。

縱觀歷年中國(guó)青少年機(jī)器人競(jìng)賽的獲獎(jiǎng)作品，我們可以發(fā)現(xiàn)，一件好的機(jī)器人創(chuàng)意作品必然具備較強(qiáng)的實(shí)用性，可以完成一個(gè)任務(wù)；應(yīng)用傳感器收集信息，應(yīng)用單片機(jī)處理信息，有智能判斷的功能；較為巧妙地利用了機(jī)械原理，有明顯的機(jī)械動(dòng)作完成任務(wù)。

結(jié)構(gòu)與動(dòng)作

其實(shí)達(dá)到以上的要求并不困難，但是在比賽中想讓自己的作品脫穎而出，一個(gè)用得很巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生的有趣動(dòng)作往往可以給機(jī)器人增色不少，而那些高深的技術(shù)并不吃香，因?yàn)檫@是中小學(xué)生的機(jī)器人競(jìng)技，不是大學(xué)生的“挑戰(zhàn)杯”和專家們的課題攻關(guān)。

通常在思考機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和機(jī)械原理時(shí)，我們可以借鑒創(chuàng)新大賽工程類項(xiàng)目的思路，從書本上尋找適合的工具和原理，如杠桿、輪軸、彈簧、斜面、拱形、齒輪變向傳動(dòng)、伸縮架等，這些不僅可以讓我們事半功倍，而且還可以極大地增強(qiáng)機(jī)器人的科學(xué)性。

作為學(xué)生參加的機(jī)器人競(jìng)賽，不需要一味地追求技術(shù)的高深、材料的高級(jí)，而應(yīng)貴在一個(gè)字——巧。比如2年前，1個(gè)學(xué)生想設(shè)計(jì)制作能夠纏繞在樹干上的蛇形機(jī)器人，但是查閱資料后發(fā)現(xiàn)，類似的機(jī)器人成本很高，所用的電機(jī)都是很高級(jí)的。他聯(lián)想到在科學(xué)課上所學(xué)的彈簧原理，通過分析觀察各類彈簧，最終選擇了扭矩彈簧，將其固定在電機(jī)上，利用彈簧的力量實(shí)現(xiàn)了讓機(jī)器蛇纏繞樹干的目的。

計(jì)算機(jī)編程

本人并不是計(jì)算機(jī)專業(yè)畢業(yè)的，因此編程對(duì)于我來說也是一個(gè)弱項(xiàng)。但是，我認(rèn)為最關(guān)鍵的是通過機(jī)器人的制作，讓學(xué)生能夠理解程序的流程，清楚每一個(gè)動(dòng)作和智能判斷的關(guān)系，可以變“就事論事，單打獨(dú)斗”為“縱觀全局，整體思考”。在這幾年所輔導(dǎo)的機(jī)器人創(chuàng)意項(xiàng)目中，每個(gè)學(xué)生都可以通過學(xué)習(xí)和理解，最終獨(dú)立完成機(jī)器人工作的程序流程圖。這種系統(tǒng)思考對(duì)于學(xué)生成長(zhǎng)的意義是極為重要的。因此，不一定需要讓學(xué)生掌握很深厚的編程基礎(chǔ)之后再去接觸機(jī)器人創(chuàng)意。我們的目的是讓學(xué)生根據(jù)需要選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容。我教過的很多學(xué)生在一開始并不會(huì)編程，或者只簡(jiǎn)單接觸過樂高的圖形化編程，但是為了制作他們夢(mèng)想中的機(jī)器人，不僅學(xué)習(xí)了單片機(jī)的應(yīng)用，而且還主動(dòng)學(xué)習(xí)了C語言的基本知識(shí)，學(xué)習(xí)熱情空前高漲。因?yàn)樗麄円呀?jīng)不再是“要我學(xué)”，而是“我要學(xué)”。

機(jī)器人創(chuàng)意項(xiàng)目可以理解為運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)解開生活中的小問號(hào)。帶領(lǐng)學(xué)生完成機(jī)器人創(chuàng)意作品，就是通過發(fā)現(xiàn)問題、學(xué)習(xí)并嘗試解決問題的過程。作為科技輔導(dǎo)員，應(yīng)當(dāng)充分認(rèn)識(shí)到這對(duì)學(xué)生全面發(fā)展起到的重要作用，支持并引導(dǎo)學(xué)生在創(chuàng)意項(xiàng)目中獲得成長(zhǎng)乃至成功的體驗(yàn)。