淺談中學智能機器人的教與學

陳敏華

機器人學科是一個涵蓋知識面很廣的交叉學科．機器人是集機械、電路、程序為一體的自動控制的典型代表，它既包含軟件編程又包含有硬件開發，機器人是一個培養學生全面素質和綜合解決問題能力的非常好的教學工具．近幾年來，機器人的教學也逐漸從大學課堂走入了中小學生的課堂中．中小學生研制的機器人雖然簡單，但是集合了計算機、聲、光、電等多種技術，可以讓學生全面接觸傳感器、計算機軟硬件、人工智能、自動控制等高新科技知識．機器人的教學，除了教會學生知識外，也培養了學生的綜合思考能力、動手能力、創造能力和團隊合作精神、進取精神．從2003年起，我校開展了機器人的教學，筆者執教五年，通過探索和實踐，總結了以下幾點經驗．

一、搭建入門

從學生的學習生理心理過程看，只有學生有較高的學習興趣，積極主動地學習，方能獲得較高的學習效率．機器人的教學不能急于求成，而要善于引趣，筆者主要采用的是搭建入門的方法．大部分的學生在兒童時期都玩過各種積木和電玩，針對學生的這些特點，在開始讓學生接觸機器人時，筆者先讓學生和小時候玩積木的游戲相聯系，充分發揮學生的想像力，搭建一些類似于小車、房子等的積木玩具，或是一些學生認為好玩的東西．這時教學的重點在于訓練學生的創新性，鼓勵學生多想、多動手搭建．在機器人的教學中，不要急于一開始就教授機器人的知識，而是讓學生多動手、多玩，這樣的過程，學生們覺得太好玩了，從而大大地激發了興趣．如果學生具有了濃厚的興趣，必將使智力的開發成為一種自然，當探索變成一種樂趣，就會變被動地接受知識為主動地尋覓知識．

二、結構設計及搭建

結構搭建是整個機器人制作的關鍵，好的形體，再配上好的程序，才能有好的機器人．而機器人的搭建是工程學的一部分，涉及的內容很多，如杠桿、齒輪配比、輪子和輪軸、梁、摩擦力、重心等．當孩子們在前_段時間搭建的作品都擺上了展覽區后，筆者再針對他們所搭建的作品引導他們想像怎么讓作品動起來．比如說有學生搭建了一輛小車，我就會引導他們思考，如果讓小車動起來，哪些地方應該是可以活動的？如果有兩個馬達，將連接在小車的哪個部位?由此引出齒輪的知識．有的學生搭建一個風車，筆者就引導他們思考怎么讓風車的扇葉動起來，動力怎么傳遞？怎么使快速旋轉的馬達變成慢速轉動的風扇?這樣就可以把齒輪配比的問題解釋清楚了．通過這樣的方法，逐步把一些簡單的杠桿、齒輪、摩擦力、重心的知識在實踐中教給學生，學生們通過反復的搭—拆—搭的過程，漸漸熟悉、掌握這些知識．前期的搭建入門讓學生對機器人的基礎知識產生興趣，結構設計及搭建過程讓學生維持甚至提高這種學習興趣，學習的效果非常顯著，學生們很快體會到重心、齒輪等對于機器人行動的重要性，也漸漸能獨立的搭建一些動作簡單的機器人．

三、程序編制

簡單的機器人搭建好了，怎么知道機器人能不能動，是否會按照我們想像的進行動作呢?如果這時教師還是停留在搭建的教學上，那么學生的興趣會漸漸的淡薄，他們會因為感覺不到機器人動而把機器人歸結為小時候玩的玩具而失去了學習的興趣．在這時適當地讓學生接觸到編程的知識，是引導他們繼續學習的關鍵．、比如，在教學中，筆者會讓學生思考，如果讓機器人前進一段距離再左轉彎，對于機器人來說，哪些結構是需要運動的?然后利用編程軟件，根據學生的思維編寫機器人程序，再下載到他們搭建的機器人中．這時，學生很直觀的看到機器人按照他們所設想的路線動了起來．他們的興趣再次被激發起來．在這里我們要讓學生知道，機器人的結構模塊、傳感器、接口等硬件只是“骨骼”，操作系統和驅動程序才是它的“靈魂”，是它的“大腦”和神經中樞，正是在這個“靈魂”的指揮下，機器人才有了多姿多彩的動作表現．同樣的條件，同樣的機器人，用不同的編程思路，會獲得完全不一樣的“靈魂”．這時教學的作用只是引導學生的思維，編程和調試讓學生自主地去思考和設想．一堂機器人編程的教學課，不再像學習高級語言那樣的枯燥、沉悶，而是在學生的合作、討論中變得輕松活潑．學生們在學習過程中知道了什么是程序，什么叫循環，什么叫重復，計算機程序是如何工作的，如何編一個讓機器人聽話的程序等。

四、任務驅動

會搭建機器人和編寫機器人程序只是一個開始，如何培養學生的發散性思維和創造力?在教學中_．我們給學生一些任務，讓他們在完成任務的過程中，、培養他們發現問題、解決問題的能力．筆者在教學中會將一些競賽的內容布置給學生，讓他們解決在完成任務過程中出現的問題；并獨立搭建機器人．比如在完成FLL工程挑戰的任務時，機器人編好程序后卻不按照黑線進行行走，學生反復檢查程序也沒有發現錯誤，究竟是什么問題?筆者讓學生與同伴討論，他們經過多次的將機器人的結構和程序進行比對，發現如果機器人沿黑線向左轉，則編程中的A、C馬達線必須一致，如果向右轉，同樣的程序，就需要更換兩個馬達線．在教學中，經過這樣的發散性思維的訓練，學生們的能力大大提高，在比賽時，如果機器人出現意外，一般都能夠盡快地通過其他方案來解決問題．

機器人是信息技術發展的前沿領域，是一門有高度綜合滲透性、前瞻未來性、創新實踐性的學科．學生在實施智能機器人項目的自主體驗過程中，可以充分培養動手能力、創造能力。綜合能力和協作能力等科技探索能力．對中學生進行智能機器人的教學，我們正在摸索與探索之中，目前教材、器材配備、活動組織等相關方面還沒有跟上教學形式，如何將智能機器人的教學普及到課堂教學中，培養出更多具有綜合素質和良好信息素質的現代化人才，是智能機器人教學應該思考的又一問題。