以機器人教學為依托，開展“樂之”教育

【摘 要】機器人技術融合了機械原理、電子傳感器、計算機軟硬件及人工智能等眾多先進技術，為學生能力、素質的培養(yǎng)承載著新的使命。本文從虛擬情境創(chuàng)設、動手實踐、團隊協(xié)作與競技、創(chuàng)新發(fā)明等幾個方面闡述機器人教學過程中的“樂之”教育。

【關鍵詞】樂之;虛擬仿真;實踐;協(xié)作;創(chuàng)新

【中圖分類號】G633.67 【文獻標識碼】A 【文章編號】1005-6009（2015）22-0064-02

【作者簡介】薄志國，江蘇省句容高級中學（江蘇句容，212400）教師。

孔子把學習分為三種境界：“知之”“好之”“樂之”，用“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”對這三種境界的關系進行高度概括，此處的“之”，泛指學問、事業(yè)、技藝等。無獨有偶，偉大的科學家愛因斯坦也說過，“興趣是最好的老師”。只有做自己感興趣的事情才能樂此不疲，但是，興趣不是天生的，也不是固定不變的。興趣的產生需要外部條件的引導。古人云“啟其蒙而引其趣”就是這個道理。

在當前應試教育占主導地位的教育體系下，學生很難感受到興趣，更談不上“樂之”。而我校的機器人創(chuàng)新教育課程在這方面進行了近3年的探索，取得了顯著的成績。

關于機器人課程，發(fā)達國家早把它作為培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的重要課程，而在我省現行的中小學課程體系中，還沒有正式作為一門學科納入進來。我校于2012年被確定為江蘇省機器人創(chuàng)新教育課程基地，當年9月開始面向全體學生開設機器人課程。在這樣一個全新的領域，我校教師大膽創(chuàng)新，以激發(fā)學生興趣、培養(yǎng)動手能力、創(chuàng)新意識為目標，開創(chuàng)性地開設了一系列有著本校特色的機器人課程，使得我校走在了地區(qū)乃至全省普通高中機器人教學探索的前列。

一、“樂”在虛擬仿真、情境學習

1.享受浸潤感。

依托虛擬平臺，面向高一年級開設虛擬機器人課程。我校應用的是IROBOTQ3D虛擬機器人平臺，平臺通過虛擬現實技術，將機器人教育和設計的各個應用細節(jié)進行高度的三維仿真，實現三維世界里的任務場景設計、機器人構建、行為設計、運動模擬和組織評價等功能，為學生創(chuàng)設了逼真的學習情境、類似游戲的操作界面，讓學生產生強烈的興趣。而環(huán)境當中各種與生活實際有緊密聯系的常用的傳感器、控制器、驅動器，能模擬出不同的物理環(huán)境和參數，同時表現出真實環(huán)境下的運動狀態(tài)，激發(fā)了學生的學習興趣。圖像化流程圖式的編程環(huán)境降低了編程門檻，讓學生很容易就可以完成基本創(chuàng)意，體驗到成功的喜悅，這種成就感進一步激發(fā)學生“樂”在其中。

2.享受挑戰(zhàn)與創(chuàng)意。

虛擬機器人教學從易到難，由簡到繁。可以用不同的設計去完成同一個任務。例如在跑道競速這個任務中，可以模仿汽車、摩托車、火車等來完成任務。這樣多變而又充滿創(chuàng)意的開放式任務，激勵學生不斷挑戰(zhàn)自我，不斷創(chuàng)新去實現自己的目標。野外生存是一個綜合性的項目，需要認真分析場景的每一個細節(jié)來決定用什么策略完成任務。學生通過靈活應用所學，將所學知識通過這個綜合任務連成一串。學生在看到自己制作的機器人按照自己設計的想法運行在虛擬的情境當中，那種成功的喜悅只有身在其中才能體會。

二、“樂”在體驗與實踐

高一開設虛擬機器人課程，依托虛擬機器人平臺可以為高二更好地學習實體機器人打好基礎。因為虛擬平臺上的各個部件及傳感器、控制器和實體機器人相似度很高，甚至在虛擬機器人上也需要模仿實體機器人對各傳感器、驅動器等設置端口進行連線，這些都讓學生在以后學習實體機器人時對各部件、傳感器等都不會感到陌生。

高二年級的開源機器人課程，我們借助了arduino這個開源平臺。在這個平臺上，理論都是可以體驗的，實踐的結果是可以馬上驗證的，最重要的是最終的成果是實實在在的機器人。學生開始在這樣的動手實踐中找到了快樂，他們看著自己完成的作品愛不釋手，甚至下課還不愿離開，主動利用課后時間來完善自己的作品。學生為了解決一個問題，向老師、同學詢問，上網查資料，不停修改測試。而最重要的是讓這些從小幾乎從來沒有獨立動手的孩子在自己的勞動成果中感到了快樂。從開始的不敢拿電烙鐵到最后從容地將各部件焊接在一起，他們在成長中感到快樂。

三、“樂”在團隊協(xié)作與競技中

1.享受競技中的成就感。

在虛擬平臺上，學生要自己動手搭建機器人、編寫程序然后去完成相應的任務。平臺上預置了很多任務，這些任務可以自己完成，也可以和同學一起比賽完成。例如，跑道競速這個任務就是可以多人同時在同一場景中比賽完成任務。正是有了同場競技這樣的場景設計，學生們經常是早早地來到教室跟其他同學一決高下。在這樣“打游戲”式的寓教于樂的學習過程中，自然而然地就掌握了所必需的知識技能。基于這樣的平臺我們連續(xù)三年在校科技文化藝術節(jié)上設置了虛擬機器人比賽項目，每一年都吸引了許多學生參加。

2.享受團結協(xié)作的快樂。

在開源機器人后半學期的課程中主要是完成一個創(chuàng)意作品，這就需要同一小組成員之間協(xié)作完成。例如在循跡小車的制作過程中需要打孔和焊接等操作，這些工作都需要團隊成員的配合來完成。除校內的比賽外，每年我校還參加省里的各項機器人比賽。在這樣的比賽中更突顯團隊合作的重要性。像在VEX項目的前期搭建過程中，經常是搭了拆、拆了搭。在拆建過程中需要大家一起想辦法找到最合理的一種結構。在滅火比賽項目中，也是多人的閃光點結合在程序中。足球和籃球的比賽則是需要團隊之間的完美配合……所以正是在機器人教學活動中有著眾多競爭和協(xié)作才使得學生感覺到學習其樂無窮。

四、“樂”在靈感與創(chuàng)新

在教學過程中，出現了一批機器人迷，他們不再滿足于課堂教學，自發(fā)組織起來，組建成機器人科技創(chuàng)新社團，開始用所學的知識去完成他們獨特的創(chuàng)意。

項目一：家庭花卉自動澆灌機。利用濕度傳感器探測土壤的濕度，達到一定的設定值自動開關小馬達抽水灌溉。這個創(chuàng)意解決了家庭外出旅游、植物長時間沒有人照看、缺水干死的問題。

項目二：人工湖水質自動檢測器。學生看到學校人工湖水變質發(fā)臭，綜合利用各種傳感器，制作了校園水質監(jiān)測器來提醒校總務部門何時該為人工湖清淤。

項目三：定時開關自動門。我校課程基地位于新蓋的藝華樓，而藝華樓一樓大門是自動門，為安全起見，學校每天派人按時開關電源，可是這樣既浪費了人力，也給出入大門的老師和學生帶來不便，機器人社團活動小組就以此為課題研制了自動門定時開關系統(tǒng)。

項目四：機器小黃人。項目小組從動漫電影《卑鄙的我》中獲得靈感，以小黃人為原型，制作了具有幫助盲人了解時間、溫度、前方是否有障礙等功能的機器小黃人，此作品參加了江蘇省青少年科技創(chuàng)新大賽并成功入圍決賽。

這樣的例子不勝枚舉。學生發(fā)現生活中可以用所學知識解決的問題，同時以百折不撓的精神去實現自己的想法，他們就這樣“樂”在靈感與創(chuàng)新中，這正是機器人課程的魅力所在。

隨著教學機器人的迅猛發(fā)展和其性價比的大幅度提高，機器人教育在各地中小學正逐步推廣，相信有更多的人會投身到這個領域，讓機器人教育真正成為創(chuàng)新教育、素質教育、技術教育的有效載體，基礎教育的新內容，創(chuàng)新人才培養(yǎng)的新方式、新途徑。