以機(jī)器人教學(xué)為依托，開展“樂之”教育

【摘 要】機(jī)器人技術(shù)融合了機(jī)械原理、電子傳感器、計(jì)算機(jī)軟硬件及人工智能等眾多先進(jìn)技術(shù)，為學(xué)生能力、素質(zhì)的培養(yǎng)承載著新的使命。本文從虛擬情境創(chuàng)設(shè)、動(dòng)手實(shí)踐、團(tuán)隊(duì)協(xié)作與競(jìng)技、創(chuàng)新發(fā)明等幾個(gè)方面闡述機(jī)器人教學(xué)過程中的“樂之”教育。

【關(guān)鍵詞】樂之;虛擬仿真;實(shí)踐;協(xié)作;創(chuàng)新

【中圖分類號(hào)】G633.67 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1005-6009（2015）22-0064-02

【作者簡(jiǎn)介】薄志國，江蘇省句容高級(jí)中學(xué)（江蘇句容，212400）教師。

孔子把學(xué)習(xí)分為三種境界：“知之”“好之”“樂之”，用“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”對(duì)這三種境界的關(guān)系進(jìn)行高度概括，此處的“之”，泛指學(xué)問、事業(yè)、技藝等。無獨(dú)有偶，偉大的科學(xué)家愛因斯坦也說過，“興趣是最好的老師”。只有做自己感興趣的事情才能樂此不疲，但是，興趣不是天生的，也不是固定不變的。興趣的產(chǎn)生需要外部條件的引導(dǎo)。古人云“啟其蒙而引其趣”就是這個(gè)道理。

在當(dāng)前應(yīng)試教育占主導(dǎo)地位的教育體系下，學(xué)生很難感受到興趣，更談不上“樂之”。而我校的機(jī)器人創(chuàng)新教育課程在這方面進(jìn)行了近3年的探索，取得了顯著的成績(jī)。

關(guān)于機(jī)器人課程，發(fā)達(dá)國家早把它作為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要課程，而在我省現(xiàn)行的中小學(xué)課程體系中，還沒有正式作為一門學(xué)科納入進(jìn)來。我校于2012年被確定為江蘇省機(jī)器人創(chuàng)新教育課程基地，當(dāng)年9月開始面向全體學(xué)生開設(shè)機(jī)器人課程。在這樣一個(gè)全新的領(lǐng)域，我校教師大膽創(chuàng)新，以激發(fā)學(xué)生興趣、培養(yǎng)動(dòng)手能力、創(chuàng)新意識(shí)為目標(biāo)，開創(chuàng)性地開設(shè)了一系列有著本校特色的機(jī)器人課程，使得我校走在了地區(qū)乃至全省普通高中機(jī)器人教學(xué)探索的前列。

一、“樂”在虛擬仿真、情境學(xué)習(xí)

1.享受浸潤感。

依托虛擬平臺(tái)，面向高一年級(jí)開設(shè)虛擬機(jī)器人課程。我校應(yīng)用的是IROBOTQ3D虛擬機(jī)器人平臺(tái)，平臺(tái)通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將機(jī)器人教育和設(shè)計(jì)的各個(gè)應(yīng)用細(xì)節(jié)進(jìn)行高度的三維仿真，實(shí)現(xiàn)三維世界里的任務(wù)場(chǎng)景設(shè)計(jì)、機(jī)器人構(gòu)建、行為設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)模擬和組織評(píng)價(jià)等功能，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了逼真的學(xué)習(xí)情境、類似游戲的操作界面，讓學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的興趣。而環(huán)境當(dāng)中各種與生活實(shí)際有緊密聯(lián)系的常用的傳感器、控制器、驅(qū)動(dòng)器，能模擬出不同的物理環(huán)境和參數(shù)，同時(shí)表現(xiàn)出真實(shí)環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。圖像化流程圖式的編程環(huán)境降低了編程門檻，讓學(xué)生很容易就可以完成基本創(chuàng)意，體驗(yàn)到成功的喜悅，這種成就感進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生“樂”在其中。

2.享受挑戰(zhàn)與創(chuàng)意。

虛擬機(jī)器人教學(xué)從易到難，由簡(jiǎn)到繁?？梢杂貌煌脑O(shè)計(jì)去完成同一個(gè)任務(wù)。例如在跑道競(jìng)速這個(gè)任務(wù)中，可以模仿汽車、摩托車、火車等來完成任務(wù)。這樣多變而又充滿創(chuàng)意的開放式任務(wù)，激勵(lì)學(xué)生不斷挑戰(zhàn)自我，不斷創(chuàng)新去實(shí)現(xiàn)自己的目標(biāo)。野外生存是一個(gè)綜合性的項(xiàng)目，需要認(rèn)真分析場(chǎng)景的每一個(gè)細(xì)節(jié)來決定用什么策略完成任務(wù)。學(xué)生通過靈活應(yīng)用所學(xué)，將所學(xué)知識(shí)通過這個(gè)綜合任務(wù)連成一串。學(xué)生在看到自己制作的機(jī)器人按照自己設(shè)計(jì)的想法運(yùn)行在虛擬的情境當(dāng)中，那種成功的喜悅只有身在其中才能體會(huì)。

二、“樂”在體驗(yàn)與實(shí)踐

高一開設(shè)虛擬機(jī)器人課程，依托虛擬機(jī)器人平臺(tái)可以為高二更好地學(xué)習(xí)實(shí)體機(jī)器人打好基礎(chǔ)。因?yàn)樘摂M平臺(tái)上的各個(gè)部件及傳感器、控制器和實(shí)體機(jī)器人相似度很高，甚至在虛擬機(jī)器人上也需要模仿實(shí)體機(jī)器人對(duì)各傳感器、驅(qū)動(dòng)器等設(shè)置端口進(jìn)行連線，這些都讓學(xué)生在以后學(xué)習(xí)實(shí)體機(jī)器人時(shí)對(duì)各部件、傳感器等都不會(huì)感到陌生。

高二年級(jí)的開源機(jī)器人課程，我們借助了arduino這個(gè)開源平臺(tái)。在這個(gè)平臺(tái)上，理論都是可以體驗(yàn)的，實(shí)踐的結(jié)果是可以馬上驗(yàn)證的，最重要的是最終的成果是實(shí)實(shí)在在的機(jī)器人。學(xué)生開始在這樣的動(dòng)手實(shí)踐中找到了快樂，他們看著自己完成的作品愛不釋手，甚至下課還不愿離開，主動(dòng)利用課后時(shí)間來完善自己的作品。學(xué)生為了解決一個(gè)問題，向老師、同學(xué)詢問，上網(wǎng)查資料，不停修改測(cè)試。而最重要的是讓這些從小幾乎從來沒有獨(dú)立動(dòng)手的孩子在自己的勞動(dòng)成果中感到了快樂。從開始的不敢拿電烙鐵到最后從容地將各部件焊接在一起，他們?cè)诔砷L中感到快樂。

三、“樂”在團(tuán)隊(duì)協(xié)作與競(jìng)技中

1.享受競(jìng)技中的成就感。

在虛擬平臺(tái)上，學(xué)生要自己動(dòng)手搭建機(jī)器人、編寫程序然后去完成相應(yīng)的任務(wù)。平臺(tái)上預(yù)置了很多任務(wù)，這些任務(wù)可以自己完成，也可以和同學(xué)一起比賽完成。例如，跑道競(jìng)速這個(gè)任務(wù)就是可以多人同時(shí)在同一場(chǎng)景中比賽完成任務(wù)。正是有了同場(chǎng)競(jìng)技這樣的場(chǎng)景設(shè)計(jì)，學(xué)生們經(jīng)常是早早地來到教室跟其他同學(xué)一決高下。在這樣“打游戲”式的寓教于樂的學(xué)習(xí)過程中，自然而然地就掌握了所必需的知識(shí)技能?；谶@樣的平臺(tái)我們連續(xù)三年在校科技文化藝術(shù)節(jié)上設(shè)置了虛擬機(jī)器人比賽項(xiàng)目，每一年都吸引了許多學(xué)生參加。

2.享受團(tuán)結(jié)協(xié)作的快樂。

在開源機(jī)器人后半學(xué)期的課程中主要是完成一個(gè)創(chuàng)意作品，這就需要同一小組成員之間協(xié)作完成。例如在循跡小車的制作過程中需要打孔和焊接等操作，這些工作都需要團(tuán)隊(duì)成員的配合來完成。除校內(nèi)的比賽外，每年我校還參加省里的各項(xiàng)機(jī)器人比賽。在這樣的比賽中更突顯團(tuán)隊(duì)合作的重要性。像在VEX項(xiàng)目的前期搭建過程中，經(jīng)常是搭了拆、拆了搭。在拆建過程中需要大家一起想辦法找到最合理的一種結(jié)構(gòu)。在滅火比賽項(xiàng)目中，也是多人的閃光點(diǎn)結(jié)合在程序中。足球和籃球的比賽則是需要團(tuán)隊(duì)之間的完美配合……所以正是在機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)中有著眾多競(jìng)爭(zhēng)和協(xié)作才使得學(xué)生感覺到學(xué)習(xí)其樂無窮。

四、“樂”在靈感與創(chuàng)新

在教學(xué)過程中，出現(xiàn)了一批機(jī)器人迷，他們不再滿足于課堂教學(xué)，自發(fā)組織起來，組建成機(jī)器人科技創(chuàng)新社團(tuán)，開始用所學(xué)的知識(shí)去完成他們獨(dú)特的創(chuàng)意。

項(xiàng)目一：家庭花卉自動(dòng)澆灌機(jī)。利用濕度傳感器探測(cè)土壤的濕度，達(dá)到一定的設(shè)定值自動(dòng)開關(guān)小馬達(dá)抽水灌溉。這個(gè)創(chuàng)意解決了家庭外出旅游、植物長時(shí)間沒有人照看、缺水干死的問題。

項(xiàng)目二：人工湖水質(zhì)自動(dòng)檢測(cè)器。學(xué)生看到學(xué)校人工湖水變質(zhì)發(fā)臭，綜合利用各種傳感器，制作了校園水質(zhì)監(jiān)測(cè)器來提醒?？倓?wù)部門何時(shí)該為人工湖清淤。

項(xiàng)目三：定時(shí)開關(guān)自動(dòng)門。我校課程基地位于新蓋的藝華樓，而藝華樓一樓大門是自動(dòng)門，為安全起見，學(xué)校每天派人按時(shí)開關(guān)電源，可是這樣既浪費(fèi)了人力，也給出入大門的老師和學(xué)生帶來不便，機(jī)器人社團(tuán)活動(dòng)小組就以此為課題研制了自動(dòng)門定時(shí)開關(guān)系統(tǒng)。

項(xiàng)目四：機(jī)器小黃人。項(xiàng)目小組從動(dòng)漫電影《卑鄙的我》中獲得靈感，以小黃人為原型，制作了具有幫助盲人了解時(shí)間、溫度、前方是否有障礙等功能的機(jī)器小黃人，此作品參加了江蘇省青少年科技創(chuàng)新大賽并成功入圍決賽。

這樣的例子不勝枚舉。學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中可以用所學(xué)知識(shí)解決的問題，同時(shí)以百折不撓的精神去實(shí)現(xiàn)自己的想法，他們就這樣“樂”在靈感與創(chuàng)新中，這正是機(jī)器人課程的魅力所在。

隨著教學(xué)機(jī)器人的迅猛發(fā)展和其性價(jià)比的大幅度提高，機(jī)器人教育在各地中小學(xué)正逐步推廣，相信有更多的人會(huì)投身到這個(gè)領(lǐng)域，讓機(jī)器人教育真正成為創(chuàng)新教育、素質(zhì)教育、技術(shù)教育的有效載體，基礎(chǔ)教育的新內(nèi)容，創(chuàng)新人才培養(yǎng)的新方式、新途徑。