在機器人活動課程中進行科技創新教育的實踐研究

摘 要：機器人教育是近幾年開展起來的一項青少年科技創新教育，它將信息技術、通用技術等多學科的知識和技能融為一體，讓學生在做中學，學中做，有利于學生的科學和技術素養的提升。實踐證明，機器人活動課程深受中小學生喜愛，有效地提高了學生的創新精神、實踐能力，成為科技創新教育一種新的平臺和載體。

關鍵詞：青少年；機器人；科技創新教育

隨著高新技術與知識經濟迅速發展，人類開始進入信息時代，信息時代需要有創新素質的人才。目前我國中小學雖然對培養和發展學生的創新精神、實踐能力有一定的關注，但未能找到培養和發展學生創新精神、實踐能力的切入點，未能真正激發學生的創新激情和動力，因而效果甚微。鑒于國內國際對青少年機器人創新活動的高度關注，國內有全國青少年機器人大賽和信息技術創新大賽，國際上有國際奧林匹克機器人大賽，我們認為這是培養學生創新精神、實踐能力的一個很好的突破口。如何將機器人與科技創新教育的培養和諧地鏈接起來，為學生找到一把開啟和開發創新能力的新“鑰匙”，從而打開通往創新和發展之路，是一個非常有探究價值的問題。

一、構建快樂的教育模式是培養學生創新能力的前提

快樂教育要培養學生“樂于學習”，其核心在于一個“樂”字。學生能夠在智能機器人創新活動的學習中“樂”起來，首先是他們把學習機器人制作作為一種樂趣和發自內心的一種愿望，所以他們才會自覺和積極主動地學習。教師應樹立起以學生發展為中心、為樂學而善教的思想，使教學過程成為學生主動學習、主動思考、主動發展的過程，構建師生關系的和諧之樂。讓學生做學習的主人，使他們成為自主活動和自我教育的主體，提高學生“學”的質量。在機器人創新設計過程中，利用快樂教育的模式，可使學生的學習經常處于興奮積極的狀態，思維活躍，反應敏捷，在尋根究底中鍛煉思維能力，在求異思維中培養創新思維。引導學生不斷進行分析、歸納和總結，為培養創造性能力奠定基礎。

快樂教育是給每一個學生創造成功的機會。成功會使學生建立自信心，如果學生有了自信心，就會產生新的追求，從而獲得更大的發展。目標是前進的方向，學生有了明確的目標，就會產生前進的動力，就會促進主動的發展，因此要鼓勵學生不斷樹立新的奮斗目標，并通過艱苦的努力去實現。這些做法極大地調動了學生的內部動力，促進了他們的主動發展。學生所進行的機器人創新設計實驗，是自由式和開放式的學習。他們在制作機器人的過程中“玩”出了樂趣，所以，他們才會如此癡迷地、快樂地完成每天的“作業”。看到自己設計制作的機器人能出色地完成一系列的動作和任務，在各類機器人比賽中取得了優異成績，他們都會有一種成就感和自豪感。

二、組織各種機器人創新活動，培養學生的學習興趣

機器人創新活動不能簡單地看成是組織一次學生活動或參加一次競賽，而應該利用科學探究的方法去研究在機器人創新活動中如何培養學生的科學素養，以機器人創新活動為載體來提高學生的科學素養。并把在機器人創新活動中科學素養的培養內容和方法推廣到科技小發明等其他科技活動中。

我校每年組織一次電腦機器人比賽活動，活動由學生自己舉辦，自己制訂比賽規則，賽后參賽同學需要對自己的機器人作品的設計思路進行闡述。去年我校舉行了一次機器人射門比賽，機器人在離球門不同的角度和不同的距離的三個點上發射乒乓球到球門內，機器人必須要有彈射球裝置，并根據射門難易度不同而設置不同的進球分值。這種形式有效地調動了學生的學習興趣，豐富了學校文化生活，也展現了學生的創造才華，并有效地提高了機器人應用水平。這個項目成為廣受歡迎、最具人氣的學校文化活動之一。2012年5月份我校與市科協舉行了科技創新活動進社區活動的機器人專題活動——機器人滅火比賽，我們的活動引起了媒體的關注，《邵陽日報》刊發了相應的圖片新聞。

學校多次邀請自動化控制的教授、專家、老師來我校進行科技講座。他們詳細地向學生們介紹了發明創造的一般過程、發明常用的幾種技法。并且結合近幾年省、全國青少年科技創新大賽部分作品給學生們講述了青少年科技創新大賽的發展動態，以及在科技創新活動中需要注意的問題，其中包括如何選題、如設計制作自己的創新作品等。這種名師講座對于推動我校機器人創新活動的蓬勃開展，培養青少年的創新精神和實踐能力，提高青少年的科技素質，鼓勵優秀人才的涌現等，起到了積極的推動作用。

三、發現問題和處理問題是提高學生創新能力的基礎

素質教育的著眼點是要改變學生的學習方式，讓學生主動探索、發現和體驗。關注學生學習的過程，在過程中學習知識、應用知識、解決問題，通過親身實踐，獲取直接經驗，是提高學生創新能力的基礎。

機器人的創新活動是以解決具體問題的學習方式進行的。學生運用已有的知識，成功地尋找達到目標的手段或途徑，在過程中通過解決具體問題，達到學習目的。學生在完成機器人搭建和編寫程序后，要對機器人進行反復試驗，在試驗過程中發現問題。實踐中出現的問題是多種多樣的，有時是結構問題，有時是程序編寫問題，還有外界環境對機器人的影響等。往往是舊的問題解決了，又出現新的問題，學生們會不斷遇到新的挑戰，需要反復認識，反復實踐，反復創新。學生們遇到的最大挑戰是突破傳統的觀念和認識，即在機器人的學習中沒有最好，只有更好。

如，在《機器人爬坡大挑戰》主題中，學生制作的機器人要爬上不同坡度的斜坡。學生根據坡度的不同反復嘗試修改機器人的結構，失敗了，找原因，再嘗試，以達到最佳的效果。學生在反復的嘗試中認識齒輪轉動的特點，摩擦力對機器人的影響以及體會杠桿原理的應用。

四、通過“合作學習”培養學生的創新能力

合作學習是教學過程中進行小組合作探究的一種學習形式。通過討論、交流等形式，加深每個學生對所學知識的理解，使學生始終有一種參與感，從被動接受轉為主動探索。它既能調動學生學習的積極性，又能充分發揮學生之間協調互補的作用。因此，通過合作學習培養學生合作、自主、創新的精神，是整個合作學習的主要目標。

教師是“合作學習”的組織者、輔導者、幫助者、促進者和學習伙伴，在關鍵時應給予指導、點評。智能機器人活動的開展堅持以學生為主體，教師為主導的原則，給學生充分的時間與空間，鼓勵學生積極參與，主動合作。同時，發揚教學民主，創設信任、平等、和諧的教學氣氛，有利于發揮學生的特長，發展學生的個性，并使每個學生都能在集體中發揮自己的聰明才智。積極創設一種團結、協作、和諧、上進的新型學習環境。在組織學生制作機器人時，我根據每個學生的特長和要完成的任務將他們分成多個實驗小組，小組成員根據各自特長再進行分工，共同完成機器人的制作。例如，設計制作“福娃登長城”時，一個小組由三個學生組成，彭立純同學愛動腦，負責機器人軟件部分，主要進行機器人的程序設計；黃淵煌的動手能力比較強，負責機器人的搭建和組裝；劉旭同學審美能力較好，負責機器人的外觀裝飾和功能講解。充分發揮每個學生的特長和優勢，經過三個人的通力協作，最后共同完成了整個機器人的軟、硬件設計制作。該機器人在2012年湖南省青少年機器人競賽榮獲一等獎（第一名），他們的這種敢于探索、開拓創新的精神受到了市領導的贊許。通過機器人實驗，讓他們真正體驗到了合作學習的重要性，也體驗到了集體智慧所創造的價值。

合作學習的形式有利于培養學生的創新精神。在智能機器人創新設計的活動過程中，根據中學生好勝心強的特點，注意鼓勵他們細心觀察生活，讓學生養成勤于動腦、善于思考、勇于創新的良好習慣，使他們在合作過程中學習，并得到鍛煉和提高。在有限時間內，通過教師的適時指導，學生的愉快合作，讓師生共享成功的快樂，取得較好的教學效果。在機器人創新活動過程中，合作學習是一種促進學生主動學習的有效教學組織形式，有助于培養學生成為適應社會發展的高素質的“創新型”人才。學生們在機器人的設計、組裝、編程和調試的過程中，以“小組合作學習”為途徑，可以有效地培養學生的創新意識、創新能力和創新精神。

五、通過學生的“自主探究”培養學生的創新能力

以學生的發展為本，以學生的自主學習為核心，充分發揮學生的主體作用，挖掘學生的內在潛能，增強學生的自信心和自豪感，使學生真正成為實踐活動的主人，培養學生探索質疑和解決問題的能力、搜集和處理信息的能力、動手操作和主動實踐的能力。利用自己所學過的數學、物理、化學、生物和信息技術等相關專業的知識，將其靈活地運用到機器人創新設計的活動中。如“滅火機器人實驗小組”的鄧琳和謝雨均同學曾經在制作滅火機器人過程中遇到了一個技術難題，原因是在購買的樂高機器人套裝中滅火風扇電機的電壓為6V，滅火時電機功率太低不能有效地吹滅蠟燭，而要更換大功率的9V電機時，機器人本身的電源供電不足，可當時他們還沒學到物理中電學部分的知識，但為了找到解決問題的答案，他們就自己主動到圖書館查資料，在老師的指導下購買了一些電子元件反復進行試驗，最后用兩個三極管和一個電阻自己制作了一個繼電器，又添加一個9V電池為該風扇的電機供電，將改裝的配件接入機器人后，大大提高了風扇的轉速和滅火效率，通過自主學習的途徑攻克了機器人滅火效率低的難題。通過機器人制作活動，充分發掘了學生的自主探究、自主學習的潛能，在機器人制作過程中呈現了既有探究，又有協商；既有質疑，又有感悟；既有合作，又有個性突現的生動活潑的自主探究模式，從而提高了學生的創新思維和創新能力。

六、利用機器人教具營造創新氣氛

1.融合了造型技術、機械、電子、傳感器、計算機軟件、硬件和人工智能等眾多先進技術

教師和學生只是利用積木式的散件即可達到創造，國際上標準的積木，積木之間任意選擇插接方式，不同的插接，就能搭建出不同的外形樣式。只要用心設計利用積木就可能創造新的造型，新的造型就可能有新的效果。這樣就激發了學生的制作新型的興趣。在各自創作中達到互相啟發、互相激勵的目的，從而使學生做起來樂此不疲。

2.機器人硬件造型是軀殼，還需要軟件編程，程序是機器人的靈魂

硬件是軟件基礎，軟件要依附于硬件來編程。它是根據不同的硬件即不同的傳感器，不同的啟動裝置，不同的驅動裝置，不同的搭建位置，來確定如何編程的。因為不同的傳感器接收到的信息不同，相同的傳感器在不同的位置采集到的信息也不同。因此對信息的處理方式也要改變，對啟動裝置和驅動裝置的指令也要有所不同，如果不做相應的改變就達不到想象中的效果。另外不同的可執行部件的功能不同，也要進行不同的編程思路調整，即：只有運用不同公式和選擇不同的邏輯和不同的參數，才能達到預期效果。因此每一次硬件修改，就會達到一種新效果；相同的硬件制作，編程不同，也會帶來不同的效果。千變萬化的硬件搭建，決定著千變萬化的效果，千變萬化的軟件編程也決定千變萬化的效果。機器人創新活動中使師生在學習中隨時都可能產生一個驚喜、一種成功、一個期待、一個新思路的誕生。如爬梯機器人的制作。兩人一組，學生用同樣的散件就能做出不同樣的十多種機器人來，小組之間不同制作的互相啟發，互相激勵，使學生們廢寢忘食地投入制作。教學機器人以其創意無限的制作空間，激發師生無限的潛能。教學機器人是營造創新氣氛的最好教具！

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（作者單位 湖南省邵東縣第一中學）