理論聯(lián)系實(shí)際 提升學(xué)生動(dòng)手能力

高文宇

時(shí)代在進(jìn)步，科技在進(jìn)步，而我們的教育在推進(jìn)科技進(jìn)步中應(yīng)當(dāng)起到基石的作用。當(dāng)下人工智能正處在科技的前沿，我們的基礎(chǔ)教育階段也在大力推進(jìn)人工智能的教育。作為基礎(chǔ)教育中的重要學(xué)科，物理在其中扮演著重要的作用。

筆者認(rèn)為當(dāng)下基礎(chǔ)教育階段的人工智能教育主要是各種機(jī)器人項(xiàng)目的開(kāi)展。其中比較流行的機(jī)器人種類，例如小學(xué)、初中階段的樂(lè)高系列機(jī)器人、VEX IQ系列機(jī)器人、WER能力風(fēng)暴系列機(jī)器人;初高中提高型的機(jī)器人，例如FTC，VEX EDR等金屬機(jī)器人。

而我們目前開(kāi)展的機(jī)器人教學(xué)主要分為編程和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)編程就是如何用我們編制好的程序控制機(jī)器人完成指定任務(wù)，基礎(chǔ)教育階段教學(xué)編程基本上以可視化編程為主，例如scratch、樂(lè)高的EV3或者wedo教程、wer的vjc等，都是圖形界面的編程。我們控制機(jī)器人小車巡線或者避障，其結(jié)構(gòu)主要是指我們用不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)完成不同的機(jī)械任務(wù)，所以機(jī)械結(jié)構(gòu)是目前機(jī)器人教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。也是我們生產(chǎn)和生活中各種應(yīng)用的重點(diǎn)。

眾所周知，物理學(xué)科是科學(xué)的基石，是推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的重要學(xué)科，而且在人工智能領(lǐng)域中有著重要的作用。首先各種各樣的傳感器都屬于物理學(xué)研究范圍，例如灰度傳感器、紅外傳感器、顏色傳感器等，而機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用也屬于物理學(xué)。例如舵機(jī)的使用、馬達(dá)的使用、齒輪的傳動(dòng)等都是機(jī)器人項(xiàng)目開(kāi)展的重要方面。但在基礎(chǔ)教育階段，學(xué)生普遍的學(xué)習(xí)方式是老師教、學(xué)生做，用刷題和考試來(lái)解決問(wèn)題。這就導(dǎo)致學(xué)生普遍動(dòng)手能力薄弱，以至于在生活中解決問(wèn)題的能力也不強(qiáng)。而目前開(kāi)展的機(jī)器人教學(xué)就給了我們一個(gè)新的方向，新的突破口，我們完全可以用理論聯(lián)系實(shí)際，提升學(xué)生的動(dòng)手能力。

例如，我們?nèi)ツ暝跒蹑?zhèn)的比賽BLASTGAME項(xiàng)目之一——投球，就是把小球投射的足夠遠(yuǎn)。那么問(wèn)題來(lái)了，我們用什么樣的結(jié)構(gòu)來(lái)完成投射，什么樣的結(jié)構(gòu)可以把球投的更遠(yuǎn)呢。這就是我們可以理論聯(lián)系實(shí)際的一種機(jī)會(huì)。

方法一：我們接觸過(guò)的傳統(tǒng)的投射裝置有彈簧結(jié)構(gòu)，就好像我們超市里放的游戲機(jī)那種彈簧彈珠一樣。但是我們選用的比賽器材樂(lè)高沒(méi)有彈簧這種器材，所以這是我們首先舍棄的一種方案。

方法二：彈弓原理。我們做一個(gè)類似彈弓的投射裝置，用橡皮筋做動(dòng)力源，把橡皮筋的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，獲得彈射小球的初速度，來(lái)完成拋投。這時(shí)能發(fā)現(xiàn)拋射距離受限于橡皮筋材料本身，獲取的初速度并不是特別大，并且就結(jié)構(gòu)自身而言，我們要在有限的空間里控制投射角度，安裝難度大，畢竟橡皮筋能纏繞的圈數(shù)要越多越好。雖然能完成拋投動(dòng)作，但是距離不夠遠(yuǎn)，所以只能作為備選方案之一。

方法三：利用偏心輪上安裝驅(qū)動(dòng)軸，我們?cè)谄妮喩习惭b驅(qū)動(dòng)軸，利用齒輪傳動(dòng)，能使得偏心輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸一收一放，類似于炮彈發(fā)射裝置。但裝置受限于器材，馬達(dá)帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)速和偏心輪尺寸大小不足以讓驅(qū)動(dòng)軸獲得足夠大的能量，雖能夠發(fā)射推動(dòng)小球拋投，但是投射距離依然很短，所以這個(gè)方案也被舍棄了。

方法四：利用摩擦傳動(dòng)。我們都見(jiàn)過(guò)洗車機(jī)，是兩個(gè)豎直的旋轉(zhuǎn)裝置，汽車經(jīng)過(guò)時(shí)高速旋轉(zhuǎn)能帶動(dòng)上面的清潔布自動(dòng)洗車。這種裝置在玩具中也比較常見(jiàn)，例如風(fēng)火輪小賽車的軌道發(fā)射裝置就有。所以我們用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)兩個(gè)橡膠輪轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方向要控制好一個(gè)順時(shí)針、一個(gè)逆時(shí)針，然后讓小球從短軌道上滾下來(lái)，經(jīng)過(guò)兩個(gè)橡膠輪中間的空隙的時(shí)候，利用摩擦可以使小球獲得較大的初速度，盡管這種方案的安裝難度比較大，但拋投角度比較好控制，只是受限于電動(dòng)機(jī)馬達(dá)的輸出功率，能獲得的初速度仍然有限，所以最終也只是我們的備選方案之一。

方法五：投石機(jī)原理，做一個(gè)很簡(jiǎn)單的L型投射裝置，水平部分作為底座，豎直部分就是用連接件連載一起的彈性塑料桿子，就像撐桿跳的桿子一樣，因?yàn)橛斜容^好的彈性，用力彎曲以后釋放小球就可以把小球投射出去。但經(jīng)過(guò)試驗(yàn)以后我們發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是投射角度的問(wèn)題，我們根據(jù)斜拋運(yùn)動(dòng)的知識(shí)知道是45°角可以把物體拋的最遠(yuǎn)，而由于實(shí)際生活中的空氣阻力等因素，角度可以略大一點(diǎn)。所以我們又做了一個(gè)橫桿用以控制拋射角。而后出現(xiàn)的第二個(gè)問(wèn)題是這個(gè)L型的底座，當(dāng)我們用力彎曲豎直部分的豎桿時(shí)，底座容易翹頭，當(dāng)我們發(fā)射時(shí)，由于底座對(duì)地面產(chǎn)生撞擊，能有很大的能量損失，所以我們要求學(xué)生在完成拋投發(fā)射動(dòng)作時(shí)要壓緊底座以避免這種情況。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，我們發(fā)現(xiàn)這種方案可以在有限的器材里把小球投的最遠(yuǎn)，這是我們最終選定參賽的方案。

在上面設(shè)計(jì)比賽方案的過(guò)程中，我們充分利用了器材的所有配件，然后運(yùn)用我們所學(xué)的物理知識(shí)，設(shè)計(jì)了種種機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)一個(gè)個(gè)實(shí)踐檢驗(yàn)成果，通過(guò)比對(duì)來(lái)了解這些方案的優(yōu)劣。這種有別于傳統(tǒng)物理教學(xué)的方法，能大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，既加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)認(rèn)識(shí)的深度，又能增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，可以說(shuō)是動(dòng)手又動(dòng)腦，理論聯(lián)系實(shí)際，是充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性的一種方式。

人工智能教育方興未艾，有很大的發(fā)展空間，也有很大的社會(huì)需求。我們傳統(tǒng)的物理教學(xué)要跟上時(shí)代的腳步，研究理論結(jié)合實(shí)際，更好的融合這兩門學(xué)科，讓學(xué)生們獲取更多的理論知識(shí)，提升學(xué)生們動(dòng)手解決問(wèn)題的能力。希望我們的物理教學(xué)能夠助推人工智能項(xiàng)目的發(fā)展，帶給學(xué)生更多的助力。