淺析教育機(jī)器人競(jìng)賽對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力提升的作用

王思博

摘要：教育機(jī)器人是將智力因素和非智力因素高度融合的學(xué)習(xí)載體之一，筆者以參加第十四屆全國(guó)中小學(xué)信息技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐活動(dòng)（簡(jiǎn)稱NOC活動(dòng)）中的“網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人野外生存”賽項(xiàng)為切入點(diǎn)，結(jié)合對(duì)教育機(jī)器人的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，分享了學(xué)習(xí)感受與心得，以期能夠激勵(lì)更多的學(xué)生利用教育機(jī)器人提升自身的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：教育機(jī)器人；創(chuàng)新能力提升

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2017）02-0109-02

教育機(jī)器人是專門用以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的機(jī)器人成品、套裝或散件。近年來，機(jī)器人之所以像計(jì)算機(jī)一樣走入校園，在眾多中小學(xué)學(xué)校得以推廣和普及，不僅是因?yàn)樗m應(yīng)中小學(xué)教育領(lǐng)域新課程的需求，深受青少年的喜愛，更重要的是它對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)和提高起到了積極的作用。下面，筆者以參加第十四屆全國(guó)中小學(xué)信息技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐活動(dòng)（簡(jiǎn)稱NOC活動(dòng)）中的“網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人野外生存”賽項(xiàng)為切入點(diǎn)和大家分享創(chuàng)新學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)。

學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)

1.創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

亞里士多德曾說：“思維是從驚訝和問題開始的?！睂W(xué)生的創(chuàng)新想法往往來自對(duì)某個(gè)問題的好奇心，而這一切又來自問題情境的創(chuàng)設(shè)。例如，在第十四屆NOC活動(dòng)的“網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人野外生存”賽項(xiàng)的比賽中，機(jī)器人被賦予的任務(wù)為：野外科考隊(duì)在古絲路腹地發(fā)現(xiàn)了一處保存完好的遠(yuǎn)古文明遺跡，而遙感衛(wèi)星云圖顯示將有暴雨來臨，為了能對(duì)絲路古文明生態(tài)展開進(jìn)一步研究，科考機(jī)器人須在最短時(shí)間內(nèi)協(xié)同完成遺跡內(nèi)蓄排水設(shè)施水閘開啟、疏通河道、凈化水源中的1～2項(xiàng)工作，并進(jìn)行搶救性標(biāo)本采集?；谶@樣有趣而神秘的虛擬野外生存網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，筆者要通過編程實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)并完成各項(xiàng)挑戰(zhàn)任務(wù)。換個(gè)角度來看，這是在考核對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和編程語言知識(shí)的掌握與應(yīng)用能力，旨在培養(yǎng)我們應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境所具備的快速判斷能力和理性的冒險(xiǎn)精神，提高其野外生存技巧與綜合應(yīng)對(duì)能力。

2.分析目標(biāo)導(dǎo)向，引發(fā)創(chuàng)新思維

面對(duì)機(jī)器人的野外生存挑戰(zhàn)任務(wù)，筆者需要首先對(duì)目標(biāo)問題進(jìn)行分析，如搭建什么樣的機(jī)器人能夠完成開啟水閘、清理河道、投放凈化劑等任務(wù)；其次需對(duì)一些具體環(huán)節(jié)進(jìn)行梳理，如機(jī)器人起始基地確定在哪個(gè)位置，水閘開關(guān)轉(zhuǎn)盤的默認(rèn)角度是否會(huì)發(fā)生變化，河道內(nèi)堵塞物的位置是否也會(huì)發(fā)生變化，如何能實(shí)現(xiàn)攜帶最多數(shù)量的凈化劑等。

（1）搭建機(jī)器人

為了完成凈化水源的任務(wù)，需要給機(jī)器人安裝一個(gè)車廂以便裝載凈化劑，車廂和控制器之間須通過可斷開模塊連接，在到達(dá)目的地后方可斷開車廂和控制器之間的連接，把凈化劑投入到水源之中。在調(diào)試的過程中，為了解決機(jī)器人走在高低不平的路上時(shí)車廂里的凈化劑可能會(huì)掉落這一問題，有的選手把車廂側(cè)板加高，有的選手給車廂加上了蓋板，還有的加上了柵欄等，大家通過各種嘗試最終找到了合適的解決方法。

要完成河道清理，則需要在機(jī)器人的前部用三個(gè)伺服電機(jī)和安裝塊組裝一個(gè)可折疊的結(jié)構(gòu)。這樣機(jī)器人到達(dá)需要清理的河道時(shí)，就可以利用這個(gè)類似于推土機(jī)前部的結(jié)構(gòu)把河道中的堵塞物推走。

為了能開啟水閘，還要利用四個(gè)伺服電機(jī)和安裝塊組裝一個(gè)可折疊的鉗形結(jié)構(gòu)。這樣機(jī)器人在水閘前就可以利用這個(gè)結(jié)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)的方式，把水閘打開。

（2）調(diào)試機(jī)器人

建立在理論上的設(shè)計(jì)程序，還需要實(shí)踐檢驗(yàn)。在調(diào)試中，筆者發(fā)現(xiàn)機(jī)器人在運(yùn)行中會(huì)不斷地抖動(dòng)，這又是為什么呢？在對(duì)算法進(jìn)行反思和探索后，最終得出結(jié)論“左距離-右距離=0”這種情況出現(xiàn)得很少，因此機(jī)器人需要不斷地調(diào)整方向，就出現(xiàn)了抖動(dòng)的現(xiàn)象。那么，如何進(jìn)一步優(yōu)化算法，消除抖動(dòng)呢？在此基礎(chǔ)上，筆者積極拓展思維，完成新的求解方法，并歸納總結(jié)。

同時(shí)，一些選手在完成任務(wù)時(shí)往往也會(huì)有很多想法，如靠中線右邊走怎樣設(shè)計(jì)，靠中線左邊走怎樣設(shè)計(jì)，一個(gè)個(gè)新問題的出現(xiàn)，大家通過不斷否定自己的方法，深化對(duì)需求的理解，最終跳出慣性思維，養(yǎng)成了對(duì)算法做不斷優(yōu)化的思維方法，促進(jìn)了自身創(chuàng)新思維的形成。另外，在線仿真平臺(tái)能夠把抽象的內(nèi)容以機(jī)器人載體展現(xiàn)出來，學(xué)習(xí)的效果顯而易見，并得到及時(shí)的反饋，從而讓更多的選手在這個(gè)載體上充分體現(xiàn)自己的創(chuàng)造技能。

3.探究具體環(huán)節(jié)，提升創(chuàng)新能力

愛因斯坦曾經(jīng)說：“提出一個(gè)問題比解決一個(gè)問題更重要?！笔澜缟显S多發(fā)明創(chuàng)造都從疑問開始，質(zhì)疑是開啟創(chuàng)新之門的鑰匙。例如，在利用指南針傳感器指示方向時(shí)，因?yàn)?度角和360度角是重合的，在這一點(diǎn)上機(jī)器人容易出現(xiàn)意外情況，有時(shí)會(huì)左右搖擺，有時(shí)會(huì)原地打轉(zhuǎn)。那為什么會(huì)這樣呢？這就需要不斷的嘗試。筆者利用自己學(xué)過的數(shù)學(xué)知識(shí)改進(jìn)程序的算法，利用伺服電機(jī)把指南針旋轉(zhuǎn)180度或安裝兩個(gè)指南針來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然也可以用其他方案來解決。選手們?cè)O(shè)計(jì)出的解決方案也是千奇百怪，盡管有的失敗了，但他們交流著，爭(zhēng)論著，大膽質(zhì)疑，積極探索，碰撞出了思維的火花，創(chuàng)新了思維模式，大大地提升了創(chuàng)新能力。

心得與啟發(fā)

第一，“一分耕耘，一分收獲”，要培養(yǎng)自己持之以恒的毅力和堅(jiān)持不懈的精神。遇到困難不要退縮，要有越挫越勇的襟懷和良好的意志品質(zhì)。

第二，正所謂“學(xué)然后知不足”。教育機(jī)器人內(nèi)容涉及面廣、問題情境設(shè)置生動(dòng)有趣，這能有效地拓展視野，豐富知識(shí)，也可進(jìn)一步激發(fā)你主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情和強(qiáng)烈的求知欲望。

第三，解決問題時(shí)，可以試著換一種思路，調(diào)整思維方向，進(jìn)而使問題簡(jiǎn)單化。中學(xué)生的思維角度較為單一，且缺乏全局性、挑戰(zhàn)性和探索性，他們往往會(huì)按照所積累的思維活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)和已有的思維規(guī)律，在反復(fù)使用中形成比較穩(wěn)定的思維路徑，并且總是習(xí)慣于沿著事物發(fā)展的正方向去思考問題并尋求解決辦法，這種思維路徑一旦形成，就會(huì)嚴(yán)重阻礙他們大膽實(shí)踐、勇于創(chuàng)新、不斷進(jìn)取的精神。因此，只有調(diào)整思維的方向和角度，擺脫單一性、僵硬性和習(xí)慣性的固有思維模式，才能讓創(chuàng)新性思維更具有流暢性、靈活性和新穎性。

總之，腳步達(dá)不到的地方，眼光可以達(dá)到；眼光達(dá)不到的地方，思想可以達(dá)到。只要勤學(xué)習(xí)、善思考、勇實(shí)踐，大膽將所學(xué)所思運(yùn)用于實(shí)踐，讓其接受實(shí)踐的檢驗(yàn)，教育機(jī)器人的未來就有希望走向輝煌，學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力也必然會(huì)隨之大大幅提升。