淺析教育機器人競賽對學生創新能力提升的作用

王思博

摘要：教育機器人是將智力因素和非智力因素高度融合的學習載體之一，筆者以參加第十四屆全國中小學信息技術創新與實踐活動（簡稱NOC活動）中的“網絡機器人野外生存”賽項為切入點，結合對教育機器人的學習經驗，分享了學習感受與心得，以期能夠激勵更多的學生利用教育機器人提升自身的綜合實踐能力和創新能力。

關鍵詞：教育機器人；創新能力提升

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2017）02-0109-02

教育機器人是專門用以激發學生學習興趣、培養學生綜合能力的機器人成品、套裝或散件。近年來，機器人之所以像計算機一樣走入校園，在眾多中小學學校得以推廣和普及，不僅是因為它適應中小學教育領域新課程的需求，深受青少年的喜愛，更重要的是它對學生科學素養的培養和提高起到了積極的作用。下面，筆者以參加第十四屆全國中小學信息技術創新與實踐活動（簡稱NOC活動）中的“網絡機器人野外生存”賽項為切入點和大家分享創新學習的經驗。

學習經驗

1.創設問題情境，激發學習興趣

亞里士多德曾說：“思維是從驚訝和問題開始的。”學生的創新想法往往來自對某個問題的好奇心，而這一切又來自問題情境的創設。例如，在第十四屆NOC活動的“網絡機器人野外生存”賽項的比賽中，機器人被賦予的任務為：野外科考隊在古絲路腹地發現了一處保存完好的遠古文明遺跡，而遙感衛星云圖顯示將有暴雨來臨，為了能對絲路古文明生態展開進一步研究，科考機器人須在最短時間內協同完成遺跡內蓄排水設施水閘開啟、疏通河道、凈化水源中的1～2項工作，并進行搶救性標本采集。基于這樣有趣而神秘的虛擬野外生存網絡環境，筆者要通過編程實現機器人自主運動并完成各項挑戰任務。換個角度來看，這是在考核對機器人結構設計和編程語言知識的掌握與應用能力，旨在培養我們應對復雜環境所具備的快速判斷能力和理性的冒險精神，提高其野外生存技巧與綜合應對能力。

2.分析目標導向，引發創新思維

面對機器人的野外生存挑戰任務，筆者需要首先對目標問題進行分析，如搭建什么樣的機器人能夠完成開啟水閘、清理河道、投放凈化劑等任務；其次需對一些具體環節進行梳理，如機器人起始基地確定在哪個位置，水閘開關轉盤的默認角度是否會發生變化，河道內堵塞物的位置是否也會發生變化，如何能實現攜帶最多數量的凈化劑等。

（1）搭建機器人

為了完成凈化水源的任務，需要給機器人安裝一個車廂以便裝載凈化劑，車廂和控制器之間須通過可斷開模塊連接，在到達目的地后方可斷開車廂和控制器之間的連接，把凈化劑投入到水源之中。在調試的過程中，為了解決機器人走在高低不平的路上時車廂里的凈化劑可能會掉落這一問題，有的選手把車廂側板加高，有的選手給車廂加上了蓋板，還有的加上了柵欄等，大家通過各種嘗試最終找到了合適的解決方法。

要完成河道清理，則需要在機器人的前部用三個伺服電機和安裝塊組裝一個可折疊的結構。這樣機器人到達需要清理的河道時，就可以利用這個類似于推土機前部的結構把河道中的堵塞物推走。

為了能開啟水閘，還要利用四個伺服電機和安裝塊組裝一個可折疊的鉗形結構。這樣機器人在水閘前就可以利用這個結構通過旋轉的方式，把水閘打開。

（2）調試機器人

建立在理論上的設計程序，還需要實踐檢驗。在調試中，筆者發現機器人在運行中會不斷地抖動，這又是為什么呢？在對算法進行反思和探索后，最終得出結論“左距離-右距離=0”這種情況出現得很少，因此機器人需要不斷地調整方向，就出現了抖動的現象。那么，如何進一步優化算法，消除抖動呢？在此基礎上，筆者積極拓展思維，完成新的求解方法，并歸納總結。

同時，一些選手在完成任務時往往也會有很多想法，如靠中線右邊走怎樣設計，靠中線左邊走怎樣設計，一個個新問題的出現，大家通過不斷否定自己的方法，深化對需求的理解，最終跳出慣性思維，養成了對算法做不斷優化的思維方法，促進了自身創新思維的形成。另外，在線仿真平臺能夠把抽象的內容以機器人載體展現出來，學習的效果顯而易見，并得到及時的反饋，從而讓更多的選手在這個載體上充分體現自己的創造技能。

3.探究具體環節，提升創新能力

愛因斯坦曾經說：“提出一個問題比解決一個問題更重要。”世界上許多發明創造都從疑問開始，質疑是開啟創新之門的鑰匙。例如，在利用指南針傳感器指示方向時，因為0度角和360度角是重合的，在這一點上機器人容易出現意外情況，有時會左右搖擺，有時會原地打轉。那為什么會這樣呢？這就需要不斷的嘗試。筆者利用自己學過的數學知識改進程序的算法，利用伺服電機把指南針旋轉180度或安裝兩個指南針來實現，當然也可以用其他方案來解決。選手們設計出的解決方案也是千奇百怪，盡管有的失敗了，但他們交流著，爭論著，大膽質疑，積極探索，碰撞出了思維的火花，創新了思維模式，大大地提升了創新能力。

心得與啟發

第一，“一分耕耘，一分收獲”，要培養自己持之以恒的毅力和堅持不懈的精神。遇到困難不要退縮，要有越挫越勇的襟懷和良好的意志品質。

第二，正所謂“學然后知不足”。教育機器人內容涉及面廣、問題情境設置生動有趣，這能有效地拓展視野，豐富知識，也可進一步激發你主動學習的熱情和強烈的求知欲望。

第三，解決問題時，可以試著換一種思路，調整思維方向，進而使問題簡單化。中學生的思維角度較為單一，且缺乏全局性、挑戰性和探索性，他們往往會按照所積累的思維活動經驗、教訓和已有的思維規律，在反復使用中形成比較穩定的思維路徑，并且總是習慣于沿著事物發展的正方向去思考問題并尋求解決辦法，這種思維路徑一旦形成，就會嚴重阻礙他們大膽實踐、勇于創新、不斷進取的精神。因此，只有調整思維的方向和角度，擺脫單一性、僵硬性和習慣性的固有思維模式，才能讓創新性思維更具有流暢性、靈活性和新穎性。

總之，腳步達不到的地方，眼光可以達到；眼光達不到的地方，思想可以達到。只要勤學習、善思考、勇實踐，大膽將所學所思運用于實踐，讓其接受實踐的檢驗，教育機器人的未來就有希望走向輝煌，學生的創新實踐能力也必然會隨之大大幅提升。