高中智能機器人的設(shè)計與制作研究

余世娟

摘 要：發(fā)展科技的提前是提高國民的科學(xué)素質(zhì)，要提高全民素質(zhì)，關(guān)鍵又在于對青少年的培養(yǎng)。高中生作為肩負(fù)重任的一代，要積極參與到科技制作中來，為科技的普及和發(fā)展貢獻自己的一份力量。本研究對高中生科技教育進行了系列探索，以智能機器人為研究項目，形成了智能機器人的設(shè)計與制作的策略，形成了值得借鑒的成果。

關(guān)鍵詞：智能機器人；創(chuàng)客；設(shè)計

一、研究的背景

“創(chuàng)客”指的是勇于創(chuàng)新，努力將自己的創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實的科技人才。我校積極響應(yīng)李總理的號召，開始推進校園創(chuàng)客空間建設(shè)，并以信息技術(shù)教師和通用技術(shù)教師為領(lǐng)頭人，組建了校園IP創(chuàng)客社，希望通過創(chuàng)客項目開拓學(xué)生的科技視野，提高學(xué)生的科技素養(yǎng)，把學(xué)生培養(yǎng)成喜歡動手、善于思考、勇于創(chuàng)新的人。智能機器人項目很好的體現(xiàn)了創(chuàng)客思想。讓學(xué)生從制作最簡單的機器人開始，他們能很好的體會和感知創(chuàng)客的意義。當(dāng)一個屬于自己的簡單機器人制作出來后，學(xué)生就會對于Scratch、C++和Arduino等編程軟件的基礎(chǔ)知識有了理解和認(rèn)知。當(dāng)他們對簡單作品的不斷改進的過程中，創(chuàng)新就慢慢在他們內(nèi)心深處生根發(fā)芽。

二、智能機器人項目的設(shè)計

1.過程設(shè)計。在高中開展科技教育活動，無論是時間、精力還是能力，都非常有限。所以活動的設(shè)計要符合學(xué)生的認(rèn)知特點，逐步推行：第一步：營造科技氛圍。讓學(xué)生接觸前沿科技知識，了解目前智能機器人的發(fā)展現(xiàn)狀，培養(yǎng)學(xué)生對科技的濃厚興趣，拓展學(xué)生的科技視野；第二步：科技制作。從最簡單的拼裝和程序設(shè)計開始，以項目學(xué)習(xí)的方式，展開團隊合作，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、團隊合作能力，讓學(xué)生的科技思維落到實處；第三步：科技創(chuàng)造。在充分認(rèn)知和接觸有關(guān)知識后，創(chuàng)造出屬于他們自己的作品。這個過程要求學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中的問題，并嘗試用智能機器人去解決問題。著重培養(yǎng)學(xué)生的問題解決和創(chuàng)新能力。在培養(yǎng)學(xué)生的時候，我們應(yīng)該更關(guān)注的是對原有事物的改進創(chuàng)造，而不是從無到有的創(chuàng)新，打個比方：如果市場上的電插板都是直排的，因為所在空間的問題，實際需要的電插排是圓形的，那么我們就動手做這個符合特定需要的圓形插排。這種在原有的、熟知的事物基礎(chǔ)上進行的改造，學(xué)生思考起來就會簡單很多，也有了制作的方向，成功變得清晰可見。

2.內(nèi)容設(shè)計。Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，通過這個平臺，我們可以創(chuàng)造各種想象中的智能化模型。同學(xué)們在教師的指導(dǎo)下，利用不同的Arduino板和各種傳感器創(chuàng)造功能不一的智能化設(shè)備模型。為了能有效地提高團隊的學(xué)習(xí)與工作效率，我們制定了明確的創(chuàng)造方向——智能機器人。我們希望通過有趣、實用機器人的創(chuàng)造，培育出一批對科技創(chuàng)新感興趣的學(xué)生；通過成果的展示，讓全校、甚至全區(qū)師生愛上創(chuàng)新。同時為我校參加各項科技創(chuàng)新大賽做好準(zhǔn)備，為開發(fā)科技類校本課程積累豐富的材料與經(jīng)驗。

3.人員組織。為了把對科技有興趣的同學(xué)召集在一起，我們組件了IP創(chuàng)客社，并在全校范圍內(nèi)進行宣傳和招新沒。為了不與學(xué)生的上課時間發(fā)生沖突，我們的活動就安排在每天的中午和下午放學(xué)以后的一小段時間。在組建之初，社團的指導(dǎo)老師就是學(xué)校有豐富比賽經(jīng)驗、動手能力非常強的技術(shù)老師（包括信息技術(shù)和通用技術(shù)）。在我們遇到問題的時候，我們還可以向物理老師、藝術(shù)老師等其他學(xué)科老師請教。

三、智能機器人項目的實施

1.學(xué)生培訓(xùn)。面對水平參差不齊的同學(xué)，我們主要采取組內(nèi)異質(zhì)，組間同質(zhì)的分組策略，充分發(fā)揮他們以老帶新，互相協(xié)助的作用。此外，輔導(dǎo)老師作為學(xué)生的引路人，定時定量的對學(xué)生進行培訓(xùn)。主要的培訓(xùn)內(nèi)容圍繞計算機編程技術(shù)和作品的模型設(shè)計兩個方面。

在學(xué)習(xí)過程中，很多學(xué)生都認(rèn)為關(guān)鍵內(nèi)容是計算機的編程技術(shù)，至于物理連線和外觀設(shè)計只是作為輔助完成的工作。事實上，在一個作品的創(chuàng)作過程中，美觀的外形、合理的布線和符合動力學(xué)原理的造型往往需要投入更多的時間和精力。因此，以編程為主的信息技術(shù)教師和以動手為主的通用技術(shù)教師合作，共同指導(dǎo)學(xué)生，讓主修編程和主修建模的學(xué)生一一配合，以達到更理想的活動效果。

2.基于項目的學(xué)習(xí)。創(chuàng)作需要靈感，一個智能機器人的設(shè)計與制作，同樣需要思想的火花。一個作品的初始，往往只是腦海里的一個念頭。比如，《新型門禁裝置》的作者，只是因為天都要進去航模社的活動室，可是總是要找老師拿鑰匙很不方便，于是萌生了制作一個新型的開門裝置的想法。最后，他把我們常用的校園卡變成一個可以開門的鑰匙，只要一“滴”，門就會打開，這樣就不需要配那么多把鑰匙了。這就是設(shè)計，它需要靈感，靈感又來源于生活，設(shè)計的最后可以解決我們生活中的問題，幫助到我們。

四、智能機器人項目的實施效果

1.學(xué)生的綜合能力得到了鍛煉和提高。就以與語文學(xué)科相結(jié)合的“機器人給你講科普知識”的活動為例。我們先讓學(xué)生選擇自己感興趣的科普文閱讀，然后提煉出主要內(nèi)容，并在“機器人”制作的“創(chuàng)客”活動中錄入這部分內(nèi)容，展示時候就由“機器人”完成。這項評比由科技老師和語文老師共同完成：科技老師從機器人的外形，行動的靈敏度、播音的清晰度，尤其是從科普信息的價值度作出評價；語文老師則從信息提取是否準(zhǔn)確，內(nèi)容是否清晰明了，語言表達是否生動有趣等方面評判。所以，智能機器人的設(shè)計與制作，不僅僅讓學(xué)生學(xué)會編程，培養(yǎng)了學(xué)生的邏輯思維、問題解決能力、創(chuàng)新思維等，更是對學(xué)生綜合能力和整體素質(zhì)的一個提升。

2.在一定范圍內(nèi)推廣和普及了科技教育。展示學(xué)生成果是對學(xué)生參與活動的有效評價，也是推廣科技教育的有效手段。當(dāng)我們學(xué)生的作品在社區(qū)、兄弟學(xué)校（特別是小學(xué)）進行展示的時候，當(dāng)周圍的學(xué)生和朋友非常關(guān)注并參與互動的時候，創(chuàng)造者都能獲得極大的滿足感。作品的完成并獲得認(rèn)可，不單只大大提升了學(xué)生活動的積極性，還為他們未來的成功奠定了基礎(chǔ)，他們將來會更有信心完成更高難度的創(chuàng)作。

3.各類比賽也是我們學(xué)習(xí)成果檢驗和展示的重大陣地。2016年，我們在中國青年創(chuàng)造力大賽中、廣州市中小學(xué)電腦制作活動、高中校園創(chuàng)客作品和高中App Iventor移動程序設(shè)計、廣東省創(chuàng)意機器人大賽中，均取得了優(yōu)異的成績。這些獎項，都是我們平時積累和努力的成果。現(xiàn)在，IP創(chuàng)客社在校園里已經(jīng)具備了一定的影響力，越來越多的學(xué)生希望加入社團，一起開啟創(chuàng)客之旅。