中學(xué)階段開展智能機器人教學(xué)的實踐研究

唐上觀

摘要：智能機器人是現(xiàn)代技術(shù)特別是信息技術(shù)發(fā)展的綜合體現(xiàn)，是中小學(xué)技術(shù)課程和綜合實踐課程的良好載體，本文分析了中學(xué)階段開展機器人教學(xué)的現(xiàn)狀，并闡述了肇慶市××中學(xué)開展智能機器人教學(xué)的實踐案例，總結(jié)了實踐經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：智能；智能機器人；機器人教學(xué)

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2017）22-0074-04

● 前言

隨著信息社會的發(fā)展、義務(wù)教育課程的改革，機器人教育在中小學(xué)信息技術(shù)課程中越來越受到重視。目前，我國中小學(xué)開展機器人教學(xué)的形式有課外興趣小組、選修課、綜合實踐活動課、信息技術(shù)課等。在中學(xué)階段開展智能機器人教學(xué)，不僅豐富了信息技術(shù)課程的內(nèi)容，使原本平淡的課堂變得生動有趣，更讓學(xué)生接觸到了最前沿的知識，跟上了時代的腳步，有利于培養(yǎng)學(xué)生全面的信息素養(yǎng)，培養(yǎng)科技創(chuàng)新型人材，為我國機器人發(fā)展提供堅實的后備力量。

● 中學(xué)階段開展智能機器人教學(xué)現(xiàn)狀分析

智能機器人教育是一個良好的創(chuàng)新教育平臺，綜觀我國機器人教育的現(xiàn)狀，機器人教育雖然已經(jīng)在很多省市的基礎(chǔ)教育領(lǐng)域大面積開展，但是還存在著諸多的問題，也面臨著不少困難。

①教育主管部門重視不夠，投入的資金短缺。很多地方注重應(yīng)試教育，對學(xué)生的素質(zhì)教育還停留在文件上，第二課堂和課外活動的開展也很少。特別是機器人教育，由于要投入很多人力、物力、財力，成績又不是立竿見影，所以很多學(xué)校就算有興趣也是暫時的。

②智能機器人教育教學(xué)研究經(jīng)驗欠缺，教學(xué)活動隨意性強。由于開展智能機器人教育的學(xué)校不多，深入研究的教師更少，對于某個地區(qū)來講智能機器人學(xué)科教師一般都是孤軍作戰(zhàn)，缺乏交流。

③師資力量薄弱。機器人教育一般需要教師具有過硬的物理知識和編程技術(shù)，而物理教師或者計算機教師往往不能兩者兼具。另外，高校也沒有設(shè)置機器人教育學(xué)科教師培養(yǎng)的專業(yè)。

● 肇慶市××中學(xué)開展智能機器人教學(xué)的實踐研究

1.面向全體學(xué)生，大面積開展智能機器人校本課程

肇慶市××學(xué)校面向七年級、八年級學(xué)生全面開設(shè)《肇慶市××中學(xué)智能機器人簡易教程》校本課程，具體實施方法如下：

首先，進行初始課的講解，激發(fā)興趣。教師利用信息技術(shù)的優(yōu)勢，使用多種媒體手段帶領(lǐng)學(xué)生走進奇妙的機器人世界，吸引學(xué)生的注意力，充分激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。

其次，系統(tǒng)地講解智能機器人的基礎(chǔ)知識，利用實物和教學(xué)課件講解機器人的工作原理及組成，并了解機器人的基本控制原理和控制方法及傳感器的應(yīng)用。

最后，讓學(xué)生初步接觸機器人仿真軟件，學(xué)習(xí)簡單的程序設(shè)計方法。為了便于讓學(xué)生接受，教學(xué)時做到由簡到難，如先讓學(xué)生完成機器人走直線，再走正方形。

在開展智能機器人教學(xué)的實踐中，教師針對學(xué)生的接受能力，分三個層次進行培養(yǎng)。第一個層次，在課堂上，傳授機器人的基本知識，以開闊視野為目的；第二層次，組織對機器人知識有興趣的學(xué)生開設(shè)機器人第二課堂，讓學(xué)生進一步深入學(xué)習(xí)機器人知識，鍛煉其動手能力；第三個層次，幫助有潛力的學(xué)生深入學(xué)習(xí)，提高其創(chuàng)新能力，參加競賽。這三個層次即“普及─提高─創(chuàng)新”三步走。

2.開設(shè)第二課堂，提高學(xué)生的科技創(chuàng)新能力

學(xué)校采取自愿報名與選拔相結(jié)合的方式，選拔了50名對學(xué)習(xí)智能機器人有濃厚興趣的學(xué)生，利用節(jié)假日或自習(xí)課的時間對他們開設(shè)第二課堂活動。

（1）深入講解機器人構(gòu)造和工作原理

信息技術(shù)是指對信息進行收集、存儲、處理等的技術(shù)。收集到的信息越全面、真實、準確、可靠，得到的結(jié)果就越接近客觀事實，越能更有效地解決問題。對于機器人來說，也是如此，機器人負責(zé)收集信息的是傳感器，這也是教學(xué)中最復(fù)雜的部分，所以要給學(xué)生講解清楚傳感器的原理。

（2）利用實物展示授課，學(xué)生積極動手參與

學(xué)校的機器人實驗室有16臺計算機和30臺機器人，配有制作機器人所需的各類工具、材料，如電烙鐵、焊槍、鋁板、鐵板、電線、電池、線路板等各種必備工具，還有學(xué)生收集到的各種可回收利用的材料。利用已有材料，教師邊給學(xué)生深入講解智能機器人的相關(guān)知識，邊讓學(xué)生親自動手制作。這樣不僅可以讓學(xué)生對機器人有一個感性的了解和認識，更能使學(xué)生牢固地掌握所學(xué)知識，領(lǐng)悟機器人原理，學(xué)生的動手制作能力也得到了極大的提高。

（3）機器人教學(xué)中綜合多學(xué)科知識進行教學(xué)

在開展第二課堂教學(xué)時，教師根據(jù)學(xué)生的心理、年齡特點以及接受能力，選擇與機器人相關(guān)的學(xué)科內(nèi)容進行拓展教學(xué)。很多學(xué)生之前并沒有接觸過這些知識，因此需要將學(xué)科知識前移，把學(xué)生以前沒有學(xué)過的知識，甚至是將來在大學(xué)階段才可能學(xué)習(xí)到的知識在現(xiàn)階段做深入淺出的講解。

（4）展示前沿資料，開闊眼界、啟迪思路

根據(jù)課堂教學(xué)的需要，教師除了自己動手制作課件，方便學(xué)生領(lǐng)會教學(xué)難點外，還將精彩之處錄制下來，做成課堂實例，便于日后的經(jīng)驗總結(jié)和反思。另外，在參加國家以及省級的各類級別機器人技術(shù)培訓(xùn)時，教師收集大量圖片、文字及視頻資料，上課時展示給學(xué)生，讓他們能接觸到國際及國內(nèi)前沿的機器人發(fā)展動態(tài)。

3.分組合作，開發(fā)科技創(chuàng)新項目，參加機器人競賽

第二階段的學(xué)習(xí)，給學(xué)生打下了較為牢固的基礎(chǔ)，學(xué)生對機器人的硬件及軟件都有了較深刻的認識，能夠自行編寫、調(diào)試程序，讓機器人完成既定任務(wù)。接下來，就可以做以下工作，提高學(xué)生的科技創(chuàng)新能力。

（1）鼓勵學(xué)生DIY機器人，給機器人換新裝

創(chuàng)意機器人比賽中的一個環(huán)節(jié)是外觀創(chuàng)意設(shè)計，這對具備一定科學(xué)素養(yǎng)，并對機器人軟硬件開發(fā)有濃厚興趣的學(xué)生，提出了更高的要求。教師鼓勵他們對現(xiàn)實生活做調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)問題，提出創(chuàng)新項目。而對學(xué)生提出的每一個項目，由教師和學(xué)生共同分析、共同討論、共同研究，對項目能否順利實施、是否可行做多次論證，并各自提出修改意見，直至寫出一個完整的可以實施的方案。通過論證后，開始立項，教師指定學(xué)生進行專題項目的研究，討論項目開展所需的硬件、設(shè)計方法及程序控制等具體問題。endprint

教師根據(jù)學(xué)生的專長分組合作，制訂出研究計劃和進度，培養(yǎng)他們進行科研的基本素質(zhì)。學(xué)生根據(jù)所學(xué)的知識，利用實驗室提供的散件、自己尋找的材料，自主設(shè)計機器人的外觀、結(jié)構(gòu)，并編寫程序，完成既定目標。例如，根據(jù)感光原理制作的智能臺燈、能開啟關(guān)閉的小夜燈、小鬧鐘、亮度感應(yīng)器等。在教師的幫助下，學(xué)生積極動手實踐，從生活中發(fā)現(xiàn)問題，提出解決問題的思路，確定研究方向、主題，有效地提高了分析問題、解決問題的能力。

（2）講解機器人比賽規(guī)則，鼓勵學(xué)生積極參加競賽

鼓勵學(xué)生積極參加市、省、國家級的各類機器人比賽。教師根據(jù)學(xué)生的愛好和專長，選擇適合他們的機器人項目，如機器人滅火、機器人足球、機器人創(chuàng)意、機器人爬坡等。

賽前，教師首先引導(dǎo)學(xué)生研究比賽規(guī)則，并為其補充必需的C語言編程基礎(chǔ)知識，使其了解程序設(shè)計基本思想，培養(yǎng)他們的邏輯思維能力。接著，將C語言編程與VJC機器人軟件相結(jié)合，提高了編程效率，達到了很好的效果。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下很快編寫出了機器人避障、機器人滅火、機器人足球等程序，并調(diào)試成功。最后，教師考慮所有可能出現(xiàn)的情況及意外，一次次測試、修改，學(xué)生不斷調(diào)整參數(shù)，改進并優(yōu)化、完善程序，最終達到令人滿意的效果。經(jīng)過這樣較為專業(yè)的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，學(xué)生再根據(jù)自己的實際情況選擇參賽項目，經(jīng)過實戰(zhàn)，提高了能力，取得了好成績。

● 經(jīng)驗總結(jié)

1.因材施教，讓學(xué)生在做中學(xué)、學(xué)中樂，寓教于樂

在進行機器人教學(xué)時，教師要做到因材施教，把娛教的教學(xué)理念引入機器人教學(xué)中，讓學(xué)生在做中學(xué)、做中樂。這樣學(xué)生既能學(xué)習(xí)到機器人的知識，又能感受到成功的快樂。

2.深化信息技術(shù)的內(nèi)容，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力

機器人技術(shù)是一門綜合性技術(shù)，幾乎涉及了信息技術(shù)的所有內(nèi)容。機器人技術(shù)體現(xiàn)了世界最新的科技發(fā)展水平。學(xué)生通過接觸智能機器人技術(shù)，可以了解到科技發(fā)展的最新動態(tài)，認識到信息技術(shù)的全貌，這無疑是對信息技術(shù)課程有效的擴展和延伸。

3.開闊視野，前移知識，補充其他學(xué)科知識

智能機器人綜合了多學(xué)科的技術(shù)。教學(xué)過程中，教師要適當(dāng)補充相關(guān)學(xué)科知識，幫助學(xué)生完成相應(yīng)的任務(wù)。例如，在進行紅外測障時，需要補充關(guān)于紅外線的光學(xué)知識，還可適當(dāng)講解高中生才會學(xué)到的光譜知識。

4.發(fā)揮學(xué)生主動性，引導(dǎo)學(xué)生自主探究解決問題

①鼓勵學(xué)生團結(jié)互助，共同提高。在課堂教學(xué)時，教師要給學(xué)生充分的時間進行思考，并創(chuàng)造輕松、愉快的交流氛圍。學(xué)生在思考和交流的過程中，能共同提高、共同進步。學(xué)生在幫助別人時，會發(fā)現(xiàn)一些從來沒有遇到過的問題，通過共同探究，能加深自己對知識的理解，從而更牢固地掌握相關(guān)知識。本來完不成任務(wù)的學(xué)生，由于得到同學(xué)的幫助，也會信心倍增，最終完成任務(wù)。

②引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主探究。作為教師，要了解學(xué)生現(xiàn)有的知識水平，根據(jù)學(xué)生實際情況設(shè)定學(xué)習(xí)任務(wù)，先讓學(xué)生自己探究嘗試解決問題。當(dāng)遇到困難實在無法解決時，教師再進行講解。另外，教師要注意在設(shè)計任務(wù)時，要做到環(huán)環(huán)相扣，由簡到難，讓學(xué)生分步驟能達到不同層次的任務(wù)，進而達到最佳的學(xué)習(xí)效果。

5.培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，養(yǎng)成嚴謹、細致的科學(xué)研究態(tài)度

①程序的編寫、調(diào)試，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)、嚴謹?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度。編寫程序時，學(xué)生會根據(jù)實際需要，選擇正確的程序結(jié)構(gòu)，如何時選擇需要順序結(jié)構(gòu)，何時需要設(shè)定條件進行分支判斷，何時選擇利用循環(huán)結(jié)構(gòu)控制循環(huán)次數(shù)。每當(dāng)遇到問題，需要一次次修改、調(diào)試時，還要一遍遍地修改傳感器、控制器及電機的各項參數(shù)。因此，在調(diào)整程序中的參數(shù)時，教師不要急于給出答案，要給學(xué)生機會和時間讓他們自己去測試，而不是輕易放棄。通過反復(fù)嘗試、一次次碰壁，學(xué)生會總結(jié)經(jīng)驗、教訓(xùn)，慢慢接近成功，最終體驗到成功的快樂。

②培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。分析并提出問題是學(xué)生應(yīng)具備的能力。但在當(dāng)前應(yīng)試教育體制下，學(xué)生普遍欠缺這樣的能力。而通過動手性極強的智能機器人教學(xué)，則可以彌補這一不足。因此，教師要引導(dǎo)學(xué)生對機器人提出創(chuàng)意，并開發(fā)設(shè)計、編寫程序、動手制作，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。

③培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作精神。一個比較復(fù)雜的機器人任務(wù)往往需要學(xué)生團隊協(xié)作共同完成。每一個任務(wù)從設(shè)計到完成，既要有分工，又要有協(xié)作。每個組員要根據(jù)自己的特長和興趣，承擔(dān)部分任務(wù)，做到分工明確，職責(zé)清楚，并且在整個任務(wù)完成的過程中，互相幫助，最終把任務(wù)順利地完成。

● 結(jié)束語

在中學(xué)階段開展智能機器人教學(xué)研究的目的是提高中學(xué)生的科技創(chuàng)新能力、動手動腦能力、團結(jié)協(xié)作能力和全面的信息素養(yǎng)。筆者結(jié)合學(xué)校的實際情況，開展了相應(yīng)的智能機器人教學(xué)實踐，經(jīng)驗尚淺，今后將繼續(xù)努力，為青少年的機器人教育盡一份力量。

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