在智能機(jī)器人教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力

◇朱 景

智能機(jī)器人課程是一門新的學(xué)科。它代表了高技術(shù)的發(fā)展前沿，是當(dāng)代科技中的前沿和尖端；它綜合了多學(xué)科的發(fā)展成果，是集合了應(yīng)用數(shù)學(xué)、力學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、控制、傳感技術(shù)、通信和人工智能等多種技術(shù)在內(nèi)的綜合實(shí)踐性課程。它要求學(xué)生能夠綜合地、靈活地運(yùn)用各種知識(shí)，在團(tuán)隊(duì)合作、實(shí)踐操作的學(xué)習(xí)形式下完成一個(gè)個(gè)小項(xiàng)目，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用信息分析問題、解決問題的能力。機(jī)器人教學(xué)體現(xiàn)了“做中學(xué)”的教學(xué)理念，在學(xué)習(xí)過程中強(qiáng)調(diào)動(dòng)腦與動(dòng)手的結(jié)合，從而有利于改變傳統(tǒng)的教—學(xué)方式，為學(xué)生的終身發(fā)展打下基礎(chǔ)。世界發(fā)達(dá)國(guó)家例如美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本等已把機(jī)器人教學(xué)納入中小學(xué)教育之中，而且，本課程貼近現(xiàn)實(shí)，有著其他課程無法比擬的可操作性、實(shí)用性、實(shí)效性。學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣濃厚，因而該課程理應(yīng)是培育青少年創(chuàng)造力的優(yōu)質(zhì)載體及路徑。

在遵循創(chuàng)造力培養(yǎng)基本原理及青少年的認(rèn)識(shí)規(guī)律基礎(chǔ)上，又鑒于學(xué)校和學(xué)生的實(shí)踐情況，經(jīng)過比較，我校選用了泰雅普這款低價(jià)位的機(jī)器人，價(jià)格雖低，但機(jī)械構(gòu)件、功能模塊較多，且可拆裝，能完成多個(gè)不同項(xiàng)目、參加多項(xiàng)活動(dòng)。不過，此類器材精密度較差，活動(dòng)中容易出現(xiàn)故障，學(xué)生在活動(dòng)中必須不斷地維護(hù)和改進(jìn)，其間教師不可能有時(shí)間和精力為每個(gè)學(xué)生維護(hù)機(jī)器人，因此迫使學(xué)生不斷地自我探索、自己維修，或同學(xué)間互幫互學(xué)。因此雖然價(jià)廉物欠美，反倒能促進(jìn)學(xué)生觀察能力、判斷能力、創(chuàng)造能力的提高?？芍^“歪打也可正著”。下面就介紹我們?cè)趯?shí)際教學(xué)中所采用的三種策略。

一、初步體驗(yàn)：模仿搭建

模仿的過程就是一個(gè)學(xué)習(xí)的過程。仿造法基于學(xué)生的年齡特征和認(rèn)知習(xí)慣。日本物理哲學(xué)研究所所長(zhǎng)藪內(nèi)憲雄把創(chuàng)造活動(dòng)分成兩個(gè)階段：第一階段稱為初期創(chuàng)造活動(dòng)，主要依賴于模仿，因此稱為模仿創(chuàng)造階段；第二階段稱為后期創(chuàng)造活動(dòng)，即在模仿創(chuàng)造的前提下進(jìn)行再創(chuàng)造。這類創(chuàng)造往往突破模仿，成為一種獨(dú)創(chuàng)。這說明，創(chuàng)造是從模仿開始的，機(jī)器人的學(xué)習(xí)也是從模擬搭建開始。

單元1：觀看視頻，搭建機(jī)器人

觀看“軌跡接力賽”比賽視頻，設(shè)計(jì)制作5個(gè)機(jī)器人，即1號(hào)機(jī)器人到5號(hào)機(jī)器人。比賽開始前，參賽隊(duì)員現(xiàn)將五個(gè)機(jī)器人分別擺放在起始區(qū)和接力交接區(qū)。比賽開始，一名參賽隊(duì)員啟動(dòng)放在起始區(qū)內(nèi)的1號(hào)機(jī)器人，1號(hào)機(jī)器人從起始區(qū)出發(fā)，沿運(yùn)行軌跡前進(jìn)，繼續(xù)前進(jìn)至接力傳遞交接區(qū)后停止；2號(hào)機(jī)器人自動(dòng)啟動(dòng)沿著路線前進(jìn)，逐次和下一個(gè)機(jī)器人進(jìn)行接力傳遞，行至終點(diǎn)區(qū)域處，任務(wù)結(jié)束。

學(xué)生看到后非常興奮，深感機(jī)器人怎么那么“聽話”。當(dāng)老師下達(dá)組裝機(jī)器人的要求后，學(xué)生已經(jīng)迫不及待，按照視頻很快進(jìn)行模仿搭建起機(jī)器人。

二、深入探究：學(xué)用編程

機(jī)器人的組成部分包括軟件和硬件。硬件主要有機(jī)械本體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、動(dòng)力裝置和傳感器系統(tǒng)。這部分學(xué)生已經(jīng)搭建成功，可是同學(xué)們?yōu)槭裁磭L試不成功，機(jī)器人為什么不“聽話”，缺的是它的核心部分——軟件，也就是編譯給機(jī)器人讓其執(zhí)行的程序。

單元2：學(xué)習(xí)編程，嘗試編程

TegoYapp Express又叫機(jī)器人快車，是賦予泰雅普機(jī)器人思想的好工具。它采用圖形化的編程方式，比傳統(tǒng)的文本編程更加易學(xué)、易用、易讀、易懂，非常適合編程思維和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。機(jī)器人快車采用基于工程C語言的圖形化、模塊化的編程語言，全部功能模塊都使用圖標(biāo)來表示，遵循自頂而下的編程邏輯思維過程。讀者只需簡(jiǎn)單地拖放各個(gè)模塊圖標(biāo)，繪制出流程圖，軟件平臺(tái)就能自動(dòng)生成可視化C語言源代碼，幫助您輕松完成編程，快速掌握如何控制機(jī)器人。

學(xué)習(xí)后學(xué)生設(shè)計(jì)的控制程序就是他思維的反映。面對(duì)相同的任務(wù)，不同的思考就有不同的設(shè)計(jì)，不同的設(shè)計(jì)會(huì)有不同的結(jié)果，有時(shí)不同的設(shè)計(jì)又能達(dá)到同樣的結(jié)果，教師完全不必整齊劃一。不同學(xué)生制作出的作品，其運(yùn)行效果會(huì)存在比較大的差異。為了提高學(xué)生的積極性與技能，在機(jī)器人興趣實(shí)驗(yàn)社團(tuán)活動(dòng)中，教師要充分地運(yùn)用過程性評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)，不斷地鼓勵(lì)學(xué)生樹立信心。每個(gè)機(jī)器人完成后，還應(yīng)進(jìn)行作品評(píng)比。最直觀的評(píng)比方法就是按任務(wù)要求進(jìn)行比賽，看哪臺(tái)機(jī)器人最好地完成任務(wù)，同時(shí)展示作品、解剖程序，讓學(xué)生自己分析，找出不同點(diǎn)、判斷優(yōu)缺點(diǎn)，從而提高學(xué)生的綜合能力，使大家最終都能完成一個(gè)比較完美的作品。

三、拓展延伸，開之以源

由于課程的時(shí)間有限，且機(jī)器人涉及的學(xué)科眾多、知識(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，為此，除了課程中的教材與活動(dòng)方案外，還需要提供足夠的學(xué)習(xí)資源供學(xué)生選擇使用。除了自建資源庫(kù)外，也可以向?qū)W生提供已有的優(yōu)秀網(wǎng)絡(luò)資源，如：省青少年科技教育協(xié)會(huì)（http://www.sciedu.org/）；機(jī)器人愛好者（http://www.roboticfan.com/）；中 國(guó) 機(jī) 器 人 網(wǎng)（http://www.robotschina.com/）；機(jī)器人發(fā)燒友天地（http://www.robotdiy.com/）；機(jī)器人資源網(wǎng)（http://www.iqbug.com/）等等。讓學(xué)生更新知識(shí)，擴(kuò)大視野，更好地進(jìn)行創(chuàng)造。

機(jī)器人的制作需要手與腦完美的結(jié)合。完成一個(gè)項(xiàng)目、構(gòu)建一個(gè)機(jī)器人作品，需要考慮機(jī)械搭建、建好執(zhí)行機(jī)構(gòu)、構(gòu)思控制電路，選擇傳感器及其安放位置，設(shè)計(jì)控制邏輯和編寫程序等。當(dāng)這些內(nèi)容都考慮好并實(shí)施后，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人也未必能像想象中的那樣工作。這時(shí)，就要求制作者仔細(xì)分析問題的癥結(jié)并尋求解決辦法。讓制作者按照規(guī)定的邏輯一步一步去實(shí)驗(yàn)、去探索、去研究，從而真正完成項(xiàng)目機(jī)器人的制作。雖然這一過程比較困難，但教師不必直接提出解決方案，而是進(jìn)行基礎(chǔ)性知識(shí)及編程教學(xué)；之后，可再介紹一些搭建和編程的典型思路與方法，然后再放手讓學(xué)生自己去發(fā)揮、去實(shí)踐。從結(jié)構(gòu)搭建開始，編程、程序下載，再到試運(yùn)行等過程，都要讓學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)踐，這樣既增強(qiáng)了學(xué)生動(dòng)手操作的能力和邏輯思維的能力，又能培養(yǎng)他們創(chuàng)造性解決問題的方法，從而達(dá)得事半功倍的效果。