項(xiàng)目教學(xué)在機(jī)器人研究性學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

【摘 要】相對(duì)于傳統(tǒng)的教學(xué)方法來說，項(xiàng)目教學(xué)法更加注重學(xué)習(xí)的過程，在實(shí)踐中理解知識(shí)掌握技能，體驗(yàn)創(chuàng)新的艱辛與樂趣，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)和合作能力。本文以項(xiàng)目教學(xué)開展的過程為主線，闡述項(xiàng)目教學(xué)在機(jī)器人研究性學(xué)習(xí)中的應(yīng)用策略。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器人教學(xué);研究性學(xué)習(xí);項(xiàng)目教學(xué)

【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）22-0066-02

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

我校的機(jī)器人研究性學(xué)習(xí)采用了項(xiàng)目教學(xué)法。項(xiàng)目教學(xué)強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，以實(shí)際為背景，以項(xiàng)目為媒介，通過項(xiàng)目實(shí)施與目標(biāo)的達(dá)成提高學(xué)生的綜合能力，其本質(zhì)特征是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性，突出學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性，教學(xué)內(nèi)容的綜合性、真實(shí)性和挑戰(zhàn)性。這些無(wú)疑與機(jī)器人研究性學(xué)習(xí)的目標(biāo)、特征相契合，而且高中階段學(xué)生心理水平發(fā)展到一定階段，也積累了一定的理論知識(shí)與操作技能，為項(xiàng)目教學(xué)的開展奠定了基礎(chǔ)。

一、項(xiàng)目主題的確立

1.集思廣益階段。

項(xiàng)目主題的確立在每學(xué)期的開學(xué)第一個(gè)月完成，教師通過多種渠道，廣泛發(fā)動(dòng)和鼓勵(lì)學(xué)生以個(gè)人或是小組為單位申報(bào)。項(xiàng)目主題不限，可以是校園內(nèi)的教學(xué)設(shè)備、水、電、燈、門，路上的車、信號(hào)燈，家里的各種電器設(shè)備等等。通過分析研究，提出改進(jìn)意見，也可以提出全新的設(shè)想。把設(shè)想形成簡(jiǎn)要的書面說明，通過學(xué)校論壇公開發(fā)帖的方式，公布項(xiàng)目的具體設(shè)想、思路、過程，鼓勵(lì)其他學(xué)生跟帖完善，教師作為管理員可以參與審核，根據(jù)回帖的熱度予以排名。

通過此過程，可以鍛煉學(xué)生的思維擴(kuò)散性，也可以鍛煉學(xué)生思維的條理性。事實(shí)證明，很多優(yōu)秀的創(chuàng)意設(shè)想都是在此階段形成的，比如，近兩年學(xué)生就提出了對(duì)學(xué)校湖水質(zhì)量檢測(cè)，校內(nèi)路燈的節(jié)能改造設(shè)計(jì)，等等。

2.精選階段。

教師對(duì)所有收集到的創(chuàng)意項(xiàng)目進(jìn)行可行性分析，此過程在第一階段結(jié)束后一周完成，實(shí)際上此步與第一階段可以同步進(jìn)行，充分發(fā)揮論壇討論的優(yōu)越性。每一個(gè)項(xiàng)目都應(yīng)給予回復(fù)，對(duì)于不可行的項(xiàng)目應(yīng)明確指出其不可行的原因，比如成本、實(shí)現(xiàn)周期、現(xiàn)有技術(shù)條件等等，通過該階段可以篩選出十個(gè)左右的創(chuàng)意項(xiàng)目并在論壇上進(jìn)行公示。

二、項(xiàng)目小組的成立與項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)

根據(jù)精選的項(xiàng)目，學(xué)生通過自由選擇，形成項(xiàng)目攻關(guān)小組。教師在這個(gè)階段要綜合考慮各方因素，合理配備各個(gè)項(xiàng)目小組的人員配置，一般每個(gè)教師可以同時(shí)負(fù)責(zé)4個(gè)小組，每個(gè)小組的學(xué)生控制在10個(gè)左右。小組長(zhǎng)由組員推選產(chǎn)生。

小組成員共同完成方案的設(shè)計(jì)，包括項(xiàng)目預(yù)計(jì)達(dá)成目標(biāo)、周期、預(yù)計(jì)成本、活動(dòng)時(shí)間的確定、人員的分工、項(xiàng)目進(jìn)度與各階段具體活動(dòng)內(nèi)容的安排，以及對(duì)于項(xiàng)目實(shí)施過程中可能存在的問題的預(yù)設(shè)，項(xiàng)目最終成果的發(fā)布、展示或者是參賽安排。由于我們主要是圍繞機(jī)器人創(chuàng)新教育課程基地展開的教學(xué)，所以在第一階段宣傳及選題時(shí)就指向性地引導(dǎo)學(xué)生盡量采用機(jī)器人相關(guān)器材來完成創(chuàng)意項(xiàng)目，例如目前我們普遍采用的arduino實(shí)驗(yàn)器材，每個(gè)項(xiàng)目小組的總成本要求控制在300元以內(nèi)，同時(shí)學(xué)校的課程基地內(nèi)提供有各種金木電加工工具，鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手加工從而降低成本，對(duì)于一些有危險(xiǎn)的大型加工設(shè)備可以畫出草圖后尋求指導(dǎo)教師幫助。

三、項(xiàng)目的具體實(shí)施

首先，明確項(xiàng)目小組組長(zhǎng)制。組長(zhǎng)負(fù)責(zé)平時(shí)活動(dòng)的組員召集、組員分工及協(xié)調(diào)，有權(quán)根據(jù)項(xiàng)目過程中組員的表現(xiàn)，對(duì)組員進(jìn)行調(diào)整。其次，提倡協(xié)作互助。我們要求課題小組每周在論壇相應(yīng)板塊中發(fā)布項(xiàng)目的進(jìn)展情況，具體就是作品的制作過程要有記錄，在制作過程中遇到的問題、解決的方法、想法、下一步的打算等等都可以寫出來供大家共同討論。通過論壇討論的方式，很多的問題學(xué)生之間有問有答就解決了。再次，教師要做好技術(shù)支持。高中生的視野及動(dòng)手能力畢竟有限，好多想法在實(shí)施時(shí)會(huì)遇到技術(shù)性障礙，由于時(shí)間有限不可能什么都從頭學(xué)起，這就要求小組帶隊(duì)教師提供充足的技術(shù)輔導(dǎo)，教師不光要有所精通更要什么都懂一些，這樣才能幫助學(xué)生從更多的方面、換個(gè)方向來解決問題。高中學(xué)生對(duì)于計(jì)算機(jī)編程接觸得并不多，使用arduino控制器制作作品時(shí)很多程序的編寫涉及復(fù)雜的代碼，因此我們特意在論壇上設(shè)立專欄提供arduino基礎(chǔ)教程和相關(guān)例程。對(duì)于大型的加工工具，比如轉(zhuǎn)銑床、激光雕刻機(jī)、3D打印機(jī)等，考慮到安全性目前我們是不提供給學(xué)生直接使用的，學(xué)生可以提供草圖或模型由教師幫助加工。

項(xiàng)目小組完成作品的過程，是學(xué)生學(xué)以致用的過程，是團(tuán)結(jié)協(xié)作的過程。這個(gè)過程鍛煉了學(xué)生意志，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造力。對(duì)于教師來說，也是教學(xué)相長(zhǎng)的過程，是自身能力提升的過程。

四、項(xiàng)目作品的成果展示

成果展示對(duì)項(xiàng)目活動(dòng)的總結(jié)性評(píng)價(jià)，同時(shí)也是一種師生之間、學(xué)生同伴之間共同學(xué)習(xí)和交流的機(jī)會(huì)，是學(xué)生學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)自我、欣賞別人的過程。項(xiàng)目成果的有效表達(dá)是體現(xiàn)小組學(xué)習(xí)效率與價(jià)值的關(guān)鍵。項(xiàng)目的內(nèi)容不同，小組活動(dòng)的過程和方法也有差異，因此項(xiàng)目作品的展示形式由學(xué)生自己決定，教師在展示中不過多地干預(yù)、預(yù)設(shè)。

學(xué)生成果還可以申請(qǐng)專利，參加創(chuàng)新大賽等各種比賽，通過這些后續(xù)的工作可以讓學(xué)生的成果得到更高層次的認(rèn)可與宣傳，從而激發(fā)學(xué)生的成就感，調(diào)動(dòng)起更多學(xué)生的積極性。

五、項(xiàng)目總結(jié)與資源生成

課題小組完成項(xiàng)目作品實(shí)施中的創(chuàng)新實(shí)踐性為學(xué)生的主動(dòng)探究、自主參與和師生合作探求新知識(shí)提供了廣闊的空間。學(xué)生在項(xiàng)目作品的制作中所獲取的信息、采用的方法策略、得到的體驗(yàn)和取得的成果，對(duì)于本人和他人，對(duì)于以后的各屆學(xué)生，都具有寶貴的啟示、借鑒作用。通過總結(jié)，將這些資料積累起來，成為廣大師生能夠共享并能加以利用的學(xué)習(xí)資源，是學(xué)校課題小組完成具體項(xiàng)目作品帶動(dòng)高中生創(chuàng)新教育建設(shè)的重要方面。

六、樂高EV3搭建解魔方機(jī)器人結(jié)構(gòu)和程序算法探究

看到學(xué)校不少學(xué)生平時(shí)課余時(shí)間很喜歡玩魔方，熟練的學(xué)生甚至閉著眼睛也能很快地解出來，我就突發(fā)奇想，看能不能用機(jī)器人來玩這個(gè)游戲，通過搭建物理結(jié)構(gòu)和算法設(shè)計(jì)完成解魔方，應(yīng)該很能吸引學(xué)生的興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，提升學(xué)生編程解決問題思維。

要想實(shí)現(xiàn)機(jī)器人解魔方，其基本思路是物理結(jié)構(gòu)及機(jī)械部分要能對(duì)魔方進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)，傳感器部分要能對(duì)魔方的各個(gè)面的顏色進(jìn)行識(shí)別，控制器部分要能夠通過算法生成解魔方的步驟并正確驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)?？紤]到難度，我打算先指導(dǎo)做一個(gè)能夠解開三階魔方的小機(jī)器人。

首先考慮到的就是樂高積木，2014年學(xué)?？萍紕?chuàng)新社團(tuán)的機(jī)器人興趣小組購(gòu)置了4套樂高EV3的31313系列家庭版套裝，拼插式積木部件能很好地培養(yǎng)學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，圖形化的編程環(huán)境能很好地培養(yǎng)學(xué)生的程序設(shè)計(jì)理念。通過上網(wǎng)查閱發(fā)現(xiàn)的確有使用樂高積木實(shí)現(xiàn)解魔方的成功案例，在前人的基礎(chǔ)上改進(jìn)可以大大地減少自己摸索的時(shí)間。

經(jīng)過比較，最終采用的是Mindcuber網(wǎng)站上的方案（http：//mindcuber.com/mindcub3r/mindcub3r.html）。分成四個(gè)步驟：底盤轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，顏色掃描結(jié)構(gòu)，魔方翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，搭建完成。搭建時(shí)要盡量做到嚴(yán)絲合縫，活動(dòng)部分要能流暢運(yùn)動(dòng)，否則后期的調(diào)整通過程序來修正就很麻煩。還需注意：（1）編程軟件里要加載Mindcuber里提供的優(yōu)化過的顏色傳感器RGB模塊，否則加載程序到主模塊的時(shí)候會(huì)報(bào)錯(cuò)。（2）主控器固件升級(jí)到最新EV3 Firmware V1.06E版本。（3）搭建的時(shí)候，有幾個(gè)轉(zhuǎn)軸連接件不夠，可以酌情考慮由其他部件代替。