利用機器人教育培養(yǎng)中學(xué)生科技創(chuàng)新能力

吳啟富

【摘要】越來越多的大中小學(xué)校和企業(yè)參與到機器人教育的隊伍中來，利用機器人教育培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新能力成為了一種新的途徑。本文分析了機器人教育與科技創(chuàng)新的關(guān)系，利用機器人教育如何提高高中生的科技創(chuàng)新能力，展示本校近年取得的成績，同時提出將來在機器人教育中要著重解決的問題。在高中開展機器人教學(xué)不僅可以豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)生活，還能夠激發(fā)學(xué)生們的創(chuàng)新精神、培養(yǎng)他們的空間想象力、邏輯思維、動手能力，可以把自己所學(xué)的數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、信息技術(shù)等多個學(xué)科的知識應(yīng)用在機器人項目上。據(jù)中國青少年機器人競賽網(wǎng)站介紹，全國共有9000多支隊伍、25000多名中小學(xué)生參加每年各省級青少年機器人競賽選拔賽，而且人數(shù)也在逐步增長。在高中開展機器人教學(xué)，可以極大地提高高中生的科技創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】機器人;虛擬機器人;科技創(chuàng)新能力

一、機器人教育與學(xué)生的科技創(chuàng)新能力

1.什么是機器人教育？

在由錢明輝編著的《研究性創(chuàng)新》一書中，是這樣對機器人教育進行表述的：“機器人教育是機器人的研究、實踐在教育領(lǐng)域的擴展，它主要通過學(xué)生對機器人的組裝、搭建和運行進行實踐操作，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)和提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新實踐能力，包括機器人學(xué)科教學(xué)、機器人輔助教學(xué)、機器人管理教學(xué)、機器人代理事務(wù)以及機器人主持教學(xué)等五種教學(xué)方式。”

本文所指的機器人教育是指在高中階段利用信息技術(shù)課堂內(nèi)外開展的以學(xué)習(xí)機器人相關(guān)知識為基礎(chǔ)，有選擇性地參加一些形式的機器人競賽而組織的教學(xué)形式，是信息技術(shù)課堂的一種延伸和擴展。它通過學(xué)生對實體機器人的學(xué)習(xí)、組裝、搭建和實體機器人（或虛擬機器人）程序的編寫、調(diào)試等實踐操作，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、 培養(yǎng)和提高學(xué)生應(yīng)用多學(xué)科知識的能力和創(chuàng)新實踐能力。機器人包含實體機器人，如，滅火機器人、智能垃圾分類機器人、足球機器人、人形機器人、籃球機器人、可編程無人機（車）和虛擬機器人。如，廣州中鳴公司生產(chǎn)的三維仿真虛擬機器人，浙江納英特公司生產(chǎn)的三維仿真虛擬機人，廣州易時代3D仿真虛擬機器人，騰訊智能機器人等，虛擬機器人相對于實體機器人來說，由于投資成本非常低而深受廣大中小學(xué)校的歡迎。

2.什么是科技創(chuàng)新能力？

周恂在《關(guān)于機器人教育中學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)問題的研究》一文中，是這樣定義的：“科技創(chuàng)新能力一般是指企業(yè)、學(xué)校、科研機構(gòu)或自然人等在某一科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域具備發(fā)明創(chuàng)新的綜合實力，包括科研人員的專業(yè)知識水平、知識結(jié)構(gòu)、研發(fā)經(jīng)驗、科研設(shè)備、經(jīng)濟實力、創(chuàng)新精神等?！?/p>

本文所指的科技創(chuàng)新能力，是指在高中階段利用信息技術(shù)課堂內(nèi)外開展的以機器人教育教學(xué)活動為形式，旨在激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，培養(yǎng)他們的想象能力、學(xué)習(xí)能力、實踐能力，幫助他們樹立科技創(chuàng)新的意識，熱愛并勇于科技創(chuàng)新。

二、利用機器人教育提高學(xué)生科技創(chuàng)新能力

1.在高中開展機器人教育培養(yǎng)了高中生科技創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維

創(chuàng)新意識是指人們根據(jù)現(xiàn)實發(fā)展的需要，創(chuàng)造前所未有的事物或產(chǎn)生了新的觀念，并在創(chuàng)造活動中表現(xiàn)出愿望和設(shè)想。它是人類意識活動中的一種表現(xiàn)形式，推動了人類進行創(chuàng)造，富有成果性和積極性，它是人類產(chǎn)生創(chuàng)新能力的前提。科技創(chuàng)新意識是指個體產(chǎn)生科技創(chuàng)新的動機、愿望、意圖的心理傾向。

高中開展機器人教育對高中生科技創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)有很大的幫助。如，在2010年高中機器人滅火項目中，要求滅火機器人要能夠快速判斷出三個房間中出現(xiàn)“火災(zāi)”的是哪一個，并進入房間進行滅火。在判斷房間是否有“火災(zāi)”并進行滅火的策略就有多種選擇。其中比較省時的策略是，在路過房間門口的時候就進行判斷，有火就進入房間，否則就不進入。接下來，如果在路過了前兩個房間門口都沒有檢測火災(zāi)，則第三個房間必定有火（規(guī)則里規(guī)定只有一個房間有火，沒有說一個房間都沒有火的情況）。同理，在機器人檢測的過程中，判斷出前面的房間有火并就行了滅火動作，則后面的房間就無須進入。這在具體的教學(xué)過程中就讓學(xué)生明白了，解決問題一定要抓住問題的本質(zhì)，要找到解決問題最有用的方法，對于幫助不是太大的辦法則只要知道有這個辦法就行了，不需要進行太深入的研究。這種解決問題的過程，就是對學(xué)生的科技創(chuàng)新意識進行培養(yǎng)和訓(xùn)練的一個過程。

又如，在2019年廣東省高中虛擬機器人“九宮探險”項目中要求學(xué)生編寫程序，控制好機器人在地圖中的九個格子里分別完成不同的任務(wù)，完成任務(wù)可以加分，沒有完成任務(wù)不減分。這個需要學(xué)生自行去判斷能否在90分鐘的比賽時間里編寫并調(diào)試好所有程序，并且要保證在運行的過程中機器人不可以脫離運行的軌跡，一旦脫離軌跡則機器人基本上沒有辦法完成后面的任務(wù)，整個過程中的時間分以最高的分值來算。在教學(xué)的過程中，我除了把完成每一個格子的方法教給學(xué)生之外，還得教會學(xué)生要學(xué)會舍棄，要根據(jù)自己所面臨的難題以及整個任務(wù)之間做出一個平衡的選擇，切不可貪多，以免造成整個任務(wù)的失敗。

機器人教育活動首先就是要增強學(xué)生的科技創(chuàng)新意識，要敢于突破原有解決問題的策略，勇于創(chuàng)新，打開想象的空間去探尋更多未知的世界。

2.在高中開展機器人教育會提高高中生科技創(chuàng)新技能

大部分高中生生活的場所主要還是學(xué)校和家庭，他們所接觸到的動手操作的活動相對于成人來說是非常少的。對他們來說，機器人的各種配件的組裝是比較復(fù)雜的，配件的選擇、安裝的位置、安裝的角度、配件安裝的穩(wěn)定性等都會對裝配好的機器人的穩(wěn)定有直接影響，做好機器人的安裝和調(diào)試可以提高高中生科技創(chuàng)新的技能。

在2019年廣東省高中虛擬機器人“九宮探險”項目中，其中一個格子的任務(wù)要求機器人在運行的過程中要能夠檢測出路徑上樹木的數(shù)量。樹木的數(shù)量有三種情況：0，1，2，機器人檢測出樹木的數(shù)量后再選擇不同的路徑行走。檢測路徑上樹木的數(shù)量主要使用的是避障傳感器，影響的主要因素有：第一，機器人在前進的過程中實際上是會左右搖擺的（無論是通過指南針的方式，還是通過巡線的方式都會造成機器人前進的過程中左右搖擺的情況），這個因素可能造成機器人多計或者少計樹木的數(shù)量;第二，機器人運行的速度，速度太快則可能機器人已經(jīng)越過多根樹木，但傳感器卻還未檢測出樹木數(shù)量;第三，傳感器的數(shù)量、傳感器探測角度及探測的距離對探測的數(shù)量會有影響。傳感器數(shù)量少、探測角度太小、探測距離太遠等可能造成則機器人在左右擺動的過程中已經(jīng)越過了樹木，但傳感器卻未檢測到樹木的情況。因此，學(xué)生在安裝的過程中需要多次調(diào)整傳感器的數(shù)量、角度、探測距離等參數(shù)，同時還要進行多次的程序測試才能順利的完成這個區(qū)域的任務(wù)，這樣的反反復(fù)復(fù)的實驗過程對學(xué)生技能的提升有很大的幫助。

3.在高中開展機器人教育可以促進學(xué)生各學(xué)科的平衡發(fā)展

在高中開展機器人教學(xué)不僅可以把更多新的機器人知識傳授給學(xué)生，提高他們動手操作的技能，還能夠激發(fā)學(xué)生把自己所學(xué)的各科知識運用到機器人項目上來。在學(xué)習(xí)的過程中，他們會碰到更多的問題，這些問題的解決一個是依賴于擔(dān)任機器人教學(xué)工作的老師，一個則需要他們自己去學(xué)習(xí)更多的其他科目的知識，途徑可以是上網(wǎng)查詢或者到圖書館查閱相關(guān)資料或者向他們的專任老師請教。這樣，就形成了一個“碰到問題——學(xué)習(xí)知識——解決問題——獲得新知識”的過程，如此反復(fù)，從而促進學(xué)生各學(xué)科的平衡發(fā)展。

三、我校學(xué)生參與機器人競賽成果一覽

均安中學(xué)致力于培養(yǎng)學(xué)生“八大”綜合素養(yǎng)，即科技思維、國學(xué)基礎(chǔ)、曲藝愛好，體育特長、書法通技、家園情懷、國際視野、領(lǐng)袖氣質(zhì)，其中科技思維著重于培養(yǎng)學(xué)生對科技的敏銳感知力、探索和創(chuàng)新精神。信息科組開展以虛擬機器人結(jié)合開源硬件的創(chuàng)客教育，立足課堂，開設(shè)第二課堂和特色校本課程，成立興趣小組，堅持普適性教學(xué)和個性化教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式，扎實開展學(xué)生科技創(chuàng)新實踐活動。科組克服重重困難，在低投入上實現(xiàn)高產(chǎn)出，近年來屢獲佳績。下表是我校學(xué)生參加機器人及科技創(chuàng)新競賽獲獎的統(tǒng)計情況。

四、我校機器人教育未來展望

1.積極爭取學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)和社會人士更多的投入，在校外尋找與企業(yè)的合作。學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)團隊和社會資源的支持將會為機器人教育發(fā)展注入強大的動力。在課室配置方面能夠擁有足夠豐富的儀器設(shè)備，可以進行多種實體以及虛擬項目的教學(xué)和試驗，老師和同學(xué)們可以在這里進行定時和不定時教學(xué)和試驗。機器人研發(fā)的企業(yè)有著專業(yè)的研發(fā)團隊、豐富的開發(fā)經(jīng)驗、有配套的教程，引進企業(yè)現(xiàn)有的技術(shù)和產(chǎn)品能夠快速提高老師和學(xué)生的理論水平，邀請企業(yè)技術(shù)人員到校進行公益課的講授，可以讓老師和學(xué)生們接觸到最新的機器人產(chǎn)品，學(xué)生們能夠快速跟上時代的步伐，對提高他們的科技創(chuàng)新能力大有好處。

2.在課程安排上能夠有比較充足的課時，能夠開展更多的教學(xué)活動，以便吸引到更多學(xué)生的參與。正所謂“一人不成眾，一木不成林”，在以機器人競賽為導(dǎo)向的機器人教育，能夠參與的學(xué)生畢竟是少數(shù)，科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提高需要有更多的學(xué)生參與進來，形成一個人人愛科技、人人愛創(chuàng)新的局面，從而提高整個學(xué)?？萍紕?chuàng)新的氛圍，實實在在提高學(xué)生科技創(chuàng)新的能力。

五、結(jié)束語

在高中階段，利用機器人教育培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力是一個漫長、復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要投入大量的人力、物力和財力，但它卻是一個非常有效的途徑。在教學(xué)過程中，教師要結(jié)合學(xué)生實際情況和心理特征，探索更多的教學(xué)模式和方法，進而促進學(xué)生的全面發(fā)展，使其思維逐步得到培養(yǎng)和提升，形成良好的科技創(chuàng)新素養(yǎng)。

參考文獻：

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