項目教學在機器人研究性學習中的應用

【摘 要】相對于傳統的教學方法來說，項目教學法更加注重學習的過程，在實踐中理解知識掌握技能，體驗創新的艱辛與樂趣，培養分析問題和解決問題的能力及團隊協調和合作能力。本文以項目教學開展的過程為主線，闡述項目教學在機器人研究性學習中的應用策略。

【關鍵詞】機器人教學;研究性學習;項目教學

【中圖分類號】G633.67 【文獻標識碼】A 【文章編號】1005-6009（2015）22-0066-02

【作者簡介】梁宏，江蘇省句容高級中學（江蘇句容，212400）教師。

我校的機器人研究性學習采用了項目教學法。項目教學強調以學生為主體，以教師為主導，以實際為背景，以項目為媒介，通過項目實施與目標的達成提高學生的綜合能力，其本質特征是培養學生的創造性，突出學生學習的主體性，教學內容的綜合性、真實性和挑戰性。這些無疑與機器人研究性學習的目標、特征相契合，而且高中階段學生心理水平發展到一定階段，也積累了一定的理論知識與操作技能，為項目教學的開展奠定了基礎。

一、項目主題的確立

1.集思廣益階段。

項目主題的確立在每學期的開學第一個月完成，教師通過多種渠道，廣泛發動和鼓勵學生以個人或是小組為單位申報。項目主題不限，可以是校園內的教學設備、水、電、燈、門，路上的車、信號燈，家里的各種電器設備等等。通過分析研究，提出改進意見，也可以提出全新的設想。把設想形成簡要的書面說明，通過學校論壇公開發帖的方式，公布項目的具體設想、思路、過程，鼓勵其他學生跟帖完善，教師作為管理員可以參與審核，根據回帖的熱度予以排名。

通過此過程，可以鍛煉學生的思維擴散性，也可以鍛煉學生思維的條理性。事實證明，很多優秀的創意設想都是在此階段形成的，比如，近兩年學生就提出了對學校湖水質量檢測，校內路燈的節能改造設計，等等。

2.精選階段。

教師對所有收集到的創意項目進行可行性分析，此過程在第一階段結束后一周完成，實際上此步與第一階段可以同步進行，充分發揮論壇討論的優越性。每一個項目都應給予回復，對于不可行的項目應明確指出其不可行的原因，比如成本、實現周期、現有技術條件等等，通過該階段可以篩選出十個左右的創意項目并在論壇上進行公示。

二、項目小組的成立與項目方案設計

根據精選的項目，學生通過自由選擇，形成項目攻關小組。教師在這個階段要綜合考慮各方因素，合理配備各個項目小組的人員配置，一般每個教師可以同時負責4個小組，每個小組的學生控制在10個左右。小組長由組員推選產生。

小組成員共同完成方案的設計，包括項目預計達成目標、周期、預計成本、活動時間的確定、人員的分工、項目進度與各階段具體活動內容的安排，以及對于項目實施過程中可能存在的問題的預設，項目最終成果的發布、展示或者是參賽安排。由于我們主要是圍繞機器人創新教育課程基地展開的教學，所以在第一階段宣傳及選題時就指向性地引導學生盡量采用機器人相關器材來完成創意項目，例如目前我們普遍采用的arduino實驗器材，每個項目小組的總成本要求控制在300元以內，同時學校的課程基地內提供有各種金木電加工工具，鼓勵學生自己動手加工從而降低成本，對于一些有危險的大型加工設備可以畫出草圖后尋求指導教師幫助。

三、項目的具體實施

首先，明確項目小組組長制。組長負責平時活動的組員召集、組員分工及協調，有權根據項目過程中組員的表現，對組員進行調整。其次，提倡協作互助。我們要求課題小組每周在論壇相應板塊中發布項目的進展情況，具體就是作品的制作過程要有記錄，在制作過程中遇到的問題、解決的方法、想法、下一步的打算等等都可以寫出來供大家共同討論。通過論壇討論的方式，很多的問題學生之間有問有答就解決了。再次，教師要做好技術支持。高中生的視野及動手能力畢竟有限，好多想法在實施時會遇到技術性障礙，由于時間有限不可能什么都從頭學起，這就要求小組帶隊教師提供充足的技術輔導，教師不光要有所精通更要什么都懂一些，這樣才能幫助學生從更多的方面、換個方向來解決問題。高中學生對于計算機編程接觸得并不多，使用arduino控制器制作作品時很多程序的編寫涉及復雜的代碼，因此我們特意在論壇上設立專欄提供arduino基礎教程和相關例程。對于大型的加工工具，比如轉銑床、激光雕刻機、3D打印機等，考慮到安全性目前我們是不提供給學生直接使用的，學生可以提供草圖或模型由教師幫助加工。

項目小組完成作品的過程，是學生學以致用的過程，是團結協作的過程。這個過程鍛煉了學生意志，激發了學生的創造力。對于教師來說，也是教學相長的過程，是自身能力提升的過程。

四、項目作品的成果展示

成果展示對項目活動的總結性評價，同時也是一種師生之間、學生同伴之間共同學習和交流的機會，是學生學會發現自我、欣賞別人的過程。項目成果的有效表達是體現小組學習效率與價值的關鍵。項目的內容不同，小組活動的過程和方法也有差異，因此項目作品的展示形式由學生自己決定，教師在展示中不過多地干預、預設。

學生成果還可以申請專利，參加創新大賽等各種比賽，通過這些后續的工作可以讓學生的成果得到更高層次的認可與宣傳，從而激發學生的成就感，調動起更多學生的積極性。

五、項目總結與資源生成

課題小組完成項目作品實施中的創新實踐性為學生的主動探究、自主參與和師生合作探求新知識提供了廣闊的空間。學生在項目作品的制作中所獲取的信息、采用的方法策略、得到的體驗和取得的成果，對于本人和他人，對于以后的各屆學生，都具有寶貴的啟示、借鑒作用。通過總結，將這些資料積累起來，成為廣大師生能夠共享并能加以利用的學習資源，是學校課題小組完成具體項目作品帶動高中生創新教育建設的重要方面。

六、樂高EV3搭建解魔方機器人結構和程序算法探究

看到學校不少學生平時課余時間很喜歡玩魔方，熟練的學生甚至閉著眼睛也能很快地解出來，我就突發奇想，看能不能用機器人來玩這個游戲，通過搭建物理結構和算法設計完成解魔方，應該很能吸引學生的興趣，提高學生的動手能力，提升學生編程解決問題思維。

要想實現機器人解魔方，其基本思路是物理結構及機械部分要能對魔方進行翻轉、旋轉，傳感器部分要能對魔方的各個面的顏色進行識別，控制器部分要能夠通過算法生成解魔方的步驟并正確驅動機械結構運動。考慮到難度，我打算先指導做一個能夠解開三階魔方的小機器人。

首先考慮到的就是樂高積木，2014年學校科技創新社團的機器人興趣小組購置了4套樂高EV3的31313系列家庭版套裝，拼插式積木部件能很好地培養學生對結構的認識，圖形化的編程環境能很好地培養學生的程序設計理念。通過上網查閱發現的確有使用樂高積木實現解魔方的成功案例，在前人的基礎上改進可以大大地減少自己摸索的時間。

經過比較，最終采用的是Mindcuber網站上的方案（http：//mindcuber.com/mindcub3r/mindcub3r.html）。分成四個步驟：底盤轉動結構，顏色掃描結構，魔方翻轉結構，搭建完成。搭建時要盡量做到嚴絲合縫，活動部分要能流暢運動，否則后期的調整通過程序來修正就很麻煩。還需注意：（1）編程軟件里要加載Mindcuber里提供的優化過的顏色傳感器RGB模塊，否則加載程序到主模塊的時候會報錯。（2）主控器固件升級到最新EV3 Firmware V1.06E版本。（3）搭建的時候，有幾個轉軸連接件不夠，可以酌情考慮由其他部件代替。