創(chuàng)意機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教育活動(dòng)

許玉球 傅澤祿 吳志慶 侯的平 韓俊

教學(xué)分析

學(xué)情分析

通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐，能夠引導(dǎo)、促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的形成。聲控四足機(jī)器人具有上手容易、知識(shí)豐富、拓展性強(qiáng)的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于科學(xué)教育，讓學(xué)生經(jīng)歷動(dòng)手制作—測(cè)試調(diào)試—外觀設(shè)計(jì)—功能拓展的實(shí)踐過(guò)程，就是引導(dǎo)學(xué)生基于已有套件，進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)造的過(guò)程。

教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能了解四足動(dòng)物步態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，認(rèn)識(shí)多種螺絲螺母結(jié)構(gòu)，了解聲音傳感器工作原理，了解直流馬達(dá)、三極管等電子元器件及其工作原理，掌握簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路搭建技能，激發(fā)藝術(shù)創(chuàng)作思維，培養(yǎng)拓展思維能力。

過(guò)程與方法學(xué)生接受任務(wù)—在實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決—引導(dǎo)學(xué)生提出外觀設(shè)計(jì)設(shè)想—進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)創(chuàng)作—引導(dǎo)學(xué)生提出拓展創(chuàng)新設(shè)想—進(jìn)行功能創(chuàng)作—分享交流。

課程導(dǎo)入

四足動(dòng)物在生活中十分常見(jiàn)，狗、貓、?！蠹宜坪鯇?duì)四足動(dòng)物很了解，但它們的步態(tài)、行走姿勢(shì)是什么樣的，似乎又很陌生。通過(guò)四足動(dòng)物的步態(tài)動(dòng)圖、視頻等（圖1）與學(xué)生互動(dòng)，引起學(xué)生對(duì)動(dòng)物步態(tài)的研究興趣。

四足動(dòng)物行走過(guò)程中時(shí)刻保持三足著地，動(dòng)物的重心（如圖2中的小圓圈）時(shí)刻保持落在三足著地點(diǎn)形成的大三角平面內(nèi)，保持平衡穩(wěn)定。

提出任務(wù)

教學(xué)架構(gòu)見(jiàn)表1。四足動(dòng)物步態(tài)雖復(fù)雜但有規(guī)律可循，聲控四足機(jī)器人就是模擬四足動(dòng)物設(shè)計(jì)出的機(jī)器人。本案例組織學(xué)生以小組為單位，合力制作聲控四足機(jī)器人，設(shè)計(jì)制作創(chuàng)意外觀并進(jìn)行拓展。

動(dòng)手制作

聲控四足機(jī)器人機(jī)械組裝及電路搭建具有一定的靈活性，學(xué)生通過(guò)觀看專(zhuān)業(yè)拍攝制作的教學(xué)視頻完成制作（掃描圖3的二維碼，可以觀看如下各個(gè)階段的教學(xué)視頻），較為適合零基礎(chǔ)學(xué)生學(xué)習(xí)。

機(jī)械組裝

觀看“會(huì)走的機(jī)器人——機(jī)械組裝”部分視頻。通過(guò)完成機(jī)械組裝部分，取得階段性成果，吸引學(xué)生進(jìn)入下一步驟。該部分視頻含3項(xiàng)內(nèi)容。①認(rèn)一認(rèn)：機(jī)械零件。動(dòng)手前先認(rèn)識(shí)機(jī)械零件。②動(dòng)動(dòng)手：組裝步驟。組裝機(jī)器人的機(jī)械部分。③跑起來(lái)：機(jī)械測(cè)試。檢驗(yàn)組裝成果。

認(rèn)識(shí)電子元器件

觀看“認(rèn)識(shí)電子元器件”部分視頻，該部分視頻含3項(xiàng)內(nèi)容。①機(jī)器人的耳朵。聲控四足機(jī)器人，顧名思義具有聲控功能，人類(lèi)耳朵可以聽(tīng)到聲音，機(jī)器人通過(guò)什么接收聲音呢？②機(jī)器人的手腳。人類(lèi)手腳可以運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人靠什么運(yùn)動(dòng)呢？③機(jī)器人的大腦。人類(lèi)大腦可以思考，機(jī)器人工作也要“思考”，機(jī)器人“大腦”的控制原理是怎樣的呢？

電路連接

觀看“聽(tīng)話的機(jī)器人——電路連接”部分視頻。聲控四足機(jī)器人“聽(tīng)”到聲音才會(huì)走，走一會(huì)兒會(huì)停下來(lái)，有聲音的繼續(xù)“催促”，才會(huì)再次走起來(lái)，該部分視頻含4項(xiàng)內(nèi)容。①看一看：電路原理圖。學(xué)會(huì)看電路圖，認(rèn)識(shí)電路圖中的符號(hào)代表哪些元器件。②認(rèn)一認(rèn)：還有哪些元器件。學(xué)習(xí)聲控四足機(jī)器人電路的必要組成元器件，比如二極管。③動(dòng)動(dòng)手：電路連接。利用“節(jié)點(diǎn)法”搭建電路。④比一比：看誰(shuí)的機(jī)器人更聽(tīng)話。通電測(cè)試前檢查一遍電路，無(wú)誤后再通電。

故障排除

觀看“聽(tīng)話的機(jī)器人——排除故障”部分視頻。機(jī)器人制作完成后沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果是正常的，科學(xué)研究中也是如此，做好問(wèn)題排查。

外觀設(shè)計(jì)及功能拓展

外觀設(shè)計(jì)

外觀創(chuàng)意設(shè)計(jì)能增強(qiáng)學(xué)生決策、模仿、想象等能力，更好地表達(dá)內(nèi)心世界，旨在培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維，而不是設(shè)計(jì)出一個(gè)可以使用的產(chǎn)品。因此，設(shè)計(jì)的主題、選材不受限制，可從仿生、人文、科技應(yīng)用等主題著手，優(yōu)先推薦使用環(huán)保的、常見(jiàn)的材料，比如彩色卡紙、透明塑料紙、輕黏土、輕木板等。外形、制作方法也同樣不受限制，可以使用常見(jiàn)工具，3D打印機(jī)、激光切割機(jī)等，以現(xiàn)實(shí)生活中的四足動(dòng)物為原型，甚至可以是科學(xué)創(chuàng)想創(chuàng)造的形象。學(xué)生創(chuàng)意作品如圖4所示。

功能拓展

通過(guò)已掌握的知識(shí)，可增加元器件為機(jī)器人設(shè)計(jì)新的功能，也可對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。設(shè)計(jì)新增的功能和改進(jìn)可以在真正意義上成功實(shí)現(xiàn)，也可以只是象征性地展現(xiàn)，這一過(guò)程可讓學(xué)生參與到機(jī)器人的設(shè)計(jì)和改進(jìn)過(guò)程中，感受發(fā)明創(chuàng)造的意義。

展示與評(píng)價(jià)

完成機(jī)器人制作后，可以制作簡(jiǎn)單的直行賽道，組織學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人行走速度比拼，并記錄每組機(jī)器人的行走速度，最終完成聲控四足機(jī)器人展示評(píng)價(jià)表，對(duì)本項(xiàng)目作品進(jìn)行最終評(píng)價(jià)。