創(chuàng)新時代的機器人教學(xué)實踐與思考

王立春

人類發(fā)展史，實際上就是一個長期的、不斷創(chuàng)新的發(fā)展過程，創(chuàng)新已經(jīng)遍布人類的方方面面。近幾十年來，隨著信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、“信息物理系統(tǒng)”等新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)的高速發(fā)展與推進，其在各領(lǐng)域的新應(yīng)用越來越受到人們的重視和關(guān)注，技術(shù)創(chuàng)新對人類的生產(chǎn)生活有決定性意義。創(chuàng)新是指人為了一定的目的，遵循事物發(fā)展的規(guī)律，對事物的整體或其中的某些部分進行變革，從而使其得以更新與發(fā)展的活動。當(dāng)前，中國已經(jīng)進入“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的新時代。創(chuàng)新時代需要有創(chuàng)新人才，創(chuàng)新人才的形成與培養(yǎng)，無疑是教育面臨的重要問題之一。

教育本來就是要使學(xué)習(xí)者不斷適應(yīng)時代的變化，立足當(dāng)前，面向未來。教育的最高目標(biāo)是要使人們能夠達到自我實現(xiàn)和過負責(zé)任的生活。創(chuàng)新教育就是中小學(xué)教育中必然的一部分。創(chuàng)新教育應(yīng)當(dāng)培養(yǎng)學(xué)生具有一定的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力。使學(xué)生在牢固、系統(tǒng)地掌握學(xué)科知識的同時，具有勇于實踐的意識和精神，有綜合運用已有知識解決新問題的能力，進而發(fā)展他們的創(chuàng)新能力。

對于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和發(fā)展，環(huán)境是人的創(chuàng)新能力提高的重要條件，環(huán)境優(yōu)劣影響著個體創(chuàng)新能力發(fā)展的速度和水平；實踐是人的創(chuàng)新能力形成的唯一途徑。因而，要發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新能力，還需要給學(xué)生提供合適的環(huán)境和平臺。這個平臺應(yīng)當(dāng)具有一些特征：適應(yīng)時代發(fā)展和學(xué)生興趣；具有較強的綜合性；具有基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)的價值；有學(xué)生創(chuàng)意發(fā)展的空間。

隨著近幾十年來計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，以自動控制為核心的智能機器人，正在人們?nèi)粘Ｉ钪械玫綇V泛的應(yīng)用與發(fā)展。一方面是技術(shù)未來發(fā)展的趨勢，另一方面也是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)科學(xué)、愛科學(xué)、用科學(xué)，啟發(fā)心智和思維，提高綜合實踐能力、動手能力、創(chuàng)新精神和意識的綜合學(xué)習(xí)平臺。為使這個平臺充分發(fā)揮其教育價值，我們在區(qū)級層面采用的做法主要如下。

創(chuàng)新教師的“機器人”的培訓(xùn)內(nèi)容和方法

機器人作為一個優(yōu)秀的綜合教育平臺，盡管在中小學(xué)已經(jīng)得到了很大發(fā)展，但整體還不能做到面向“大眾”的教育。其原因大致有：課程定位和教育理念；教學(xué)組織和成本；教師的教學(xué)理念和模式；機器人的核心控制技術(shù)等。

針對上述問題，我區(qū)自行開發(fā)了一個機器人開放的平臺，并對教師進行培訓(xùn)，力圖從機器人涉及的多環(huán)節(jié)進行學(xué)習(xí)，并進行教學(xué)方法的熏陶。大體經(jīng)歷了以下環(huán)節(jié)。

1.焊接主板和輸入輸出板

本系統(tǒng)控制部分采用分立的幾個模塊，循序漸進，易于學(xué)習(xí)者分別學(xué)習(xí)，不至于一下子掉入“黑箱”中。在設(shè)計電路板時，采用雙列直插元件，學(xué)習(xí)者可以自己進行焊接，在焊接過程中，認識電子元件，了解單片機系統(tǒng)構(gòu)成，了解各模塊組成，練習(xí)焊接技術(shù)，稍加指導(dǎo)，焊接成功率達到100%。目的是使老師們了解電子技術(shù)常識，因為這是機器人組成的一部分。主要焊接的電路板見圖1。

本主板上的單片機采用的是AT89S52，該單片機系統(tǒng)成熟、價格低，教材較多，作為中學(xué)生的學(xué)習(xí)已經(jīng)完全夠用，未來作為學(xué)生開發(fā)一些控制系統(tǒng)，也基本可以。

2.嵌入式C語言程序設(shè)計學(xué)習(xí)

應(yīng)用于教學(xué)的時候可以采用兩種方式。

方式一：見圖1，可以進行C語言程序設(shè)計的初步學(xué)習(xí)，包括計算機中的位、字節(jié)等，程序設(shè)計的基本概念和程序設(shè)計的三種結(jié)構(gòu)，把按鈕和撥碼開關(guān)作為輸入信號，把LED顯示、數(shù)碼管顯示和蜂鳴器等作為輸出設(shè)備，可以感悟計算機對物理信息的采集、處理和輸出的全過程，可以認識當(dāng)前應(yīng)用技術(shù)上作為LED燈和數(shù)碼管顯示的原理和處理方式，也為后一步車體的運動打下基礎(chǔ)。

方式二：見圖2，包括了單片機系統(tǒng)、穩(wěn)壓電源、機器人車體、直流電機、直流電機控制板、聲音傳感器、紅外傳感器、光電傳感器等部分?？梢赃M行機器人整個過程的學(xué)習(xí)，體驗物理信息采集、處理、加工全過程；學(xué)習(xí)軟、硬件協(xié)調(diào)對機器行為的控制；學(xué)習(xí)者自己練習(xí)組裝機器人系統(tǒng)，還可以自己設(shè)計底板、車輪等結(jié)構(gòu)部分，與主板等電路組合，為其設(shè)計自己需要的控制系統(tǒng)留有充分的空間。

編程軟件使用Keil，下載軟件使用AVR fighter或者Progisp，這是社會上實際開發(fā)單片機系統(tǒng)使用的工具軟件。使用本軟件可以使學(xué)習(xí)者更接近當(dāng)前社會上的實際應(yīng)用，感興趣的學(xué)生可以直接開發(fā)產(chǎn)品。

主板上單片機系統(tǒng)32個端口的開放以及與實際應(yīng)用的開發(fā)軟件相結(jié)合，給學(xué)習(xí)者提供更大的自由發(fā)展空間。車體結(jié)構(gòu)可以自行設(shè)計加工帶來的啟發(fā)，可以引導(dǎo)學(xué)校中的愛好者根據(jù)學(xué)校條件自己開發(fā)，結(jié)構(gòu)設(shè)計的不完善，有利于學(xué)生問題的產(chǎn)生，為學(xué)生將來的創(chuàng)意與制作提供了空間。

3.拓展培訓(xùn)

為更多了解機器人實際應(yīng)用，又對教師進行了機械結(jié)構(gòu)的拓展學(xué)習(xí)，如投球裝置，機械手裝置等見圖3。

本系統(tǒng)的整體設(shè)計從課堂教學(xué)的角度出發(fā)，易于教學(xué)組織；從學(xué)習(xí)機器人的綜合性出發(fā)，在電子、計算機構(gòu)成、程序設(shè)計、結(jié)構(gòu)基本設(shè)計與制作為學(xué)習(xí)者提供了發(fā)展空間。

作為對教師的培訓(xùn)，試圖使教師更全面、深入地理解機器人。學(xué)生的發(fā)展需要環(huán)境，教師的發(fā)展同樣也需要適合的環(huán)境。教師發(fā)展了，學(xué)生能更好發(fā)展；教師有創(chuàng)新意識、方法和能力，才可能引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新意識和方法的提升。

教師的教學(xué)實踐

自2013年3月起到現(xiàn)在，我區(qū)已經(jīng)有20余所初中、高中學(xué)校，根據(jù)《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中程序與設(shè)計的要求，以信息技術(shù)程序設(shè)計為切入點進行以機器人為載體的程序設(shè)計教學(xué)試驗。課程內(nèi)容主要進行C語言的初步學(xué)習(xí)。教師們初步編寫了實驗教材，主要內(nèi)容有機器人基本常識、C語言入門、程序的三種基本結(jié)構(gòu)、計算機對物理信息的采集及處理、計算機控制技術(shù)的基本方法，計劃用15課時。

教師們上課后普遍反映：可以完成信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中的程序設(shè)計教學(xué)的基本要求，還可以學(xué)習(xí)計算機的一些基本知識；教學(xué)易于組織；成本低；學(xué)生感悟了計算機控制技術(shù)的應(yīng)用原理；學(xué)生上課積極，參與度高；學(xué)習(xí)方式發(fā)生了變化，體現(xiàn)在“玩中學(xué)”“做中學(xué)”、探究、合作等；對開發(fā)校本課程進行學(xué)生的創(chuàng)意實踐活動提供了一個平臺……

在學(xué)習(xí)活動中，學(xué)生們根據(jù)自己的想法提出多種有創(chuàng)意的設(shè)計，并且實施出來。

1.在學(xué)習(xí)LED燈的顯示變化時，學(xué)生提出了很多創(chuàng)意，其效果千變?nèi)f化。有的學(xué)生主動把LED燈和數(shù)碼管組合起來變化，自覺不自覺就把數(shù)制與數(shù)制轉(zhuǎn)換問題、編碼問題、程序結(jié)構(gòu)應(yīng)用結(jié)合到一起。如有的學(xué)生根據(jù)LED燈顯示的效果（通過按鍵控制任意變化），將其轉(zhuǎn)化成對應(yīng)十六進制數(shù)值，并在數(shù)碼管上顯示出來（見圖4），有的學(xué)生把其轉(zhuǎn)換成十進制顯示（見圖5），在“玩”中學(xué)習(xí)了進制及轉(zhuǎn)換以及程序設(shè)計；有的學(xué)生自己就編寫“交通信號燈”等程序；有的學(xué)生編寫“電梯”的運行程序過程，通過按鍵、LED燈和數(shù)碼管組合來表示“電梯”上下運行過程，見圖6。有的學(xué)生用通過按鍵、LED燈和數(shù)碼管組合來表示公園“噴泉”的變化過程；有的學(xué)生通過現(xiàn)有條件模擬智能地鐵交通信號及控制……在一次交流會上，參會的計算機老師們都為學(xué)生的創(chuàng)意和編程能力大加贊賞、感嘆。同時我們也在考慮：學(xué)生有設(shè)計、創(chuàng)意，我們應(yīng)該如何提供更好的實踐環(huán)境，使學(xué)生的設(shè)計、創(chuàng)意能充分表達出來，促進學(xué)生綜合能力的提升。

2.為提高學(xué)生的動手能力和實踐能力，一些教師還組織學(xué)生進行焊接電路板的試驗。一位初中信息技術(shù)教師組織初一學(xué)生焊接主板和輸入輸出板，見圖7。老師第一次做，學(xué)生也是第一次做，最后都成功了，學(xué)生為自己能實際制作一臺“計算機”而興奮。做完后直接用在課堂教學(xué)中。

圖7 制作電路板

我們議論學(xué)生實踐能力不足時，是否也要考慮我們是否給學(xué)生提供了適合的學(xué)習(xí)、實踐環(huán)境。

3.創(chuàng)意設(shè)計。學(xué)生學(xué)習(xí)基本程序設(shè)計后，還能有創(chuàng)意地進行一些綜合創(chuàng)意活動。如老師用4×8點陣板做點陣編碼的練習(xí)后，學(xué)生就想到了市面上的點陣屏，要制作一個“點陣屏”。由于設(shè)計的每個單片機與點陣板需要并行連接，因而一塊主板僅能控制一個4×8點陣組。教師指導(dǎo)大家設(shè)計了組字方案后，每位學(xué)生負責(zé)其中一個4×8點陣，最后由專人負責(zé)組裝在一起并進行統(tǒng)調(diào)，完成一個“點陣屏”的制作。結(jié)合學(xué)校的主題活動，圖8是初中學(xué)生組的“?！?。這其中包含了學(xué)生的創(chuàng)意、設(shè)計、硬件制作（連接很復(fù)雜但學(xué)生完成了）、程序設(shè)計、協(xié)作與合作。

教師除教學(xué)中面向多數(shù)學(xué)生使用車體進行機器人教學(xué)外，還組織、指導(dǎo)學(xué)生進行機器人拓展實踐活動，如利用激光雕刻機使用平面加工的方式組裝“機械手系統(tǒng)”，見圖9；利用3D打印機和舵機設(shè)計并制作出的“機器人”，見圖10。

當(dāng)我們?yōu)閷W(xué)生提供合適的平臺時，學(xué)生的能力往往會超出我們的想象。那么我們提供什么樣的創(chuàng)新平臺，就是我們教師的任務(wù)了。

4.比賽。有的教師在學(xué)生學(xué)習(xí)一個階段后，自己設(shè)計了一些適合學(xué)生班級之間機器人比賽的活動項目，如圖11是巡線、避障綜合應(yīng)用的巡線機器人活動項目，圖12是運球機器人。在運球機器人項目中，僅給學(xué)生一周時間，學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)有條件，設(shè)計并制作了多種“運球”裝置，參加比賽活動。

盡管前述學(xué)生的作品可能不如現(xiàn)成產(chǎn)品那么成熟、完善、理想，但實際上學(xué)生把智能控制的主要技術(shù)方法已經(jīng)基本了解，其成果是學(xué)生綜合知識運用的成果，是學(xué)生創(chuàng)意能力的體現(xiàn)。在這個空間里，學(xué)生在發(fā)展、提升。按有的老師說法：我們的目的是促進學(xué)生的學(xué)習(xí)。

在中小學(xué)進行機器人教學(xué)，目的是使學(xué)生在活動中學(xué)習(xí)相關(guān)的知識，知道現(xiàn)代智能控制技術(shù)的方法，經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的設(shè)計、制作、調(diào)試等過程，領(lǐng)悟科學(xué)實踐的方法，養(yǎng)成勇于實踐的精神和創(chuàng)新的意識。

我們初步進行了實踐，還有很多想法待實踐，還會根據(jù)學(xué)生發(fā)展的過程中出現(xiàn)的新問題不斷研究開發(fā)新的模塊，以適應(yīng)教學(xué)需要。

（作者單位：北京教育學(xué)院朝陽分院）