基于LEGO 教學平臺的學生創新能力培養模式探索*

◆潘天紅 陳山

1 引言

實踐能力培養是新工科建設的一個主要特征，它對培養學生創新能力具有重要的促進作用。法國科學家貝爾納（諾貝爾獎獲得者）曾說過：“學生的創造力沒有辦法教，必須讓他們親自動手實踐，才有機會把自己的創新思想付諸實施。”近年來，習近平總書記在很多場合多次強調“深化教育改革，把增強學生的社會責任感、創新精神、實踐能力作為重點任務貫徹到國民教育全過程”。因此，創新能力是國家和區域競爭力第一要素，而實踐是整個創新能力培養的主要途徑，應通過實踐性環節的訓練與熏陶，進而提高我國大學生的綜合素質。

然而，社會的職業競爭和就業壓力迫使高校的大學生不得不把學習的重心放在應付獲取各種“實用”證書上，如國家四/六級證書、普通話等級證書、國家計算機等級證書、駕駛證、導游證、雅思/托福證書等。學生準備這些考試會花去大量的時間與精力，從而忽視工程實踐能力的培養。即便這其中有一部分人想提高動手能力，以更好地適應社會需求，但由于經費、器材、場地等多種原因，學校也無法提供一個良好的訓練平臺。

LEGO（樂高）機器人將傳統積木與電子技術、控制思想以及計算機科技相結合，要求學生在實踐中相互合作、頭腦風暴，分享彼此的思想和認識；以項目為導向，要求學生全程參與作品設計；面對設計難點不退縮，增強應對新挑戰的信心，從而快樂地學習。LEGO 項目以LEGO 機械零件為載體，以電子積木為核心，進行作品設計與電腦編程，最終完成項目設計，是一種以項目設計為導向，培養創新思維的教育活動。因此，開展LEGO 器材設計和制作，無疑為豐富大學生的科技活動，使學生接觸到較為前沿的知識，搭建了很好的成長平臺。

2 LEGO 器材的功能和優勢

LEGO 平臺來自丹麥，至今已經熱銷世界70 余年。它是一個經典教育產品，通過寓學于樂來培養學生的創造力，將“做中學”和“全人教育，全面發展”作為公司的教育發展理念。LEGO 機械積木為結構類型的部件，種類超過6000 種。LEGO 的模型設計包括建筑、機器人、橋梁、雕塑、航天飛機、火車、汽車、過山車等各方面內容，其優勢在于傳動、連接部分十分精密，拼接之后的作品吻合度非常高。

LEGO 的電子積木包括智能型主機（Brick 模塊）、伺服電機（Servo 模塊）與標準傳感器（包括光電傳感器Light、聲音傳感器Sound、觸動傳感器Touch、超聲波傳感器Ultrasonic 等），如圖1 所示。LEGO 的NXT 控制器如同人的大腦；伺服電機則充當人的肌肉，為機器運轉提供動力；四種類型的傳感器就像人的五官，感知外界信息，并傳送回大腦進行信號處理。

圖1 LEGO MINDSTORMS NXT 電子積木圖

圖2 LEGO MINDSTORMS NXT 編程軟件

圖4 LEGO 的橋梁

圖5 左手法則的機器人走迷宮

圖6 LEGO 機器人

此外，LEGO 圖形化編程軟件將程序模塊化、集成化，然后以圖形的形式呈現，如圖2 所示，讓學生能夠直觀形象地理解掌握事件系統的邏輯關系，只要根據實際功能需要改動相關模塊的參數，就可以方便簡單地實現對機器人的實際編程應用。這對沒有任何基礎的學生來說，無疑具有較高的親和性與實用性。

3 LEGO 平臺的創新教學

LEGO 創新教學過程是按著4C 理論設計的，4C 主要指Connect（聯系）、Construct（建構）、Contemplate（反思）和Continue（延續），是通過學習和應用人工智能技術，使學生感受到科技能給人類生活帶來的便利，從而激發學生學習新技術的熱情，進而培養學生的創新精神。整個教學可分為三個主要的板塊：認識基礎構件、圖形程序學習、創作作品（如圖3 所示）。

圖3 LEGO 創新教學流程

第一板塊，讓學生從基礎搭建學起，學會用LEGO 積木搭建出日常生活中常見的一些物體，如單車、小汽車、小動物等。從對直觀性的物體模仿性搭建中，學生能接觸到結構與設計，初步了解模型中的建筑結構學、力學基礎，如接洽、咬合、受力、穩定性等術語，對開拓直觀形式邏輯思維有重要作用。如通過搭建橋梁（圖4），學生知道如何去形成一個堅固的橋梁結構，并且理解三角形結構是最穩定的，在提高空間結構感、立體分析能力的基礎上，熟悉NXT 控制器、傳感器的原理及其使用方法。

第二板塊至關重要，在學習圖形化編程之前，首先要讓學生了解流程的含義及其對生產、生活的意義，然后才能講解NXT 2.0 圖形化編程語言中各種圖標的用法、各功能模塊的信息以及如何連接。指導教師應從案例著手，分析該案例的所需功能，以流程圖的形式說明它們的設計特點。

實例：如圖5 所示，如何讓機器人避障，并從起點走到終點？其實整個行走需要一個參照（墻壁），讓機器人知道自己身在何處，邊行走邊判斷。若采用左手法則，即機器人總是沿著左邊的墻走，當發現沒有墻時就左轉，這時出現第一個問題：怎么知道左邊是否有墻？可以利用超聲傳感器裝在機器人左邊來判斷。如果機器人一直沿著左邊的墻走，會遇到第二個問題：假使前面同時也出現一面墻時，機器人就會撞墻。這時又需要另一個超聲傳感器來判斷是否撞到前方的墻，如果撞到前方的墻，機器人就右轉90°后繼續沿墻走。這樣整個流程設計就變成：當左邊有墻時，機器人直走；無墻時左轉90°且直走一格；前方撞墻時，右轉90°。

當然，教師在教學時不應一開始就編寫如此復雜的程序，而是讓學生循序漸進地學習。教學開始，先引導學生熟悉LEGO 機器人的分立動作（即讓機器人前進、后退、原地旋轉、停止等），然后探討如何讓LEGO 機器人將動作連貫，實現連續運動。

第三板塊，創作作品的過程是讓學生結合已經學過的各種LEGO 技術搭建復雜的、有創意的機器人，包括教材中提供的高級機器人的模仿搭建、學生自己設計制作的機器人和參加比賽的機器人。

如圖6 所示的Lego 人形機器人，有利于學生發揮想象力，利用積木去形成一個人形機械結構，再嵌入相應的傳感器與伺服電機。在此基礎上，利用超聲傳感器測距，感應障礙物的位置；利用光線傳感器辨識物體的顏色和亮度；利用聲音傳感器感受聲音的強弱；等等。組合不同的傳感器，借助于程序設計實現不同的效果，進而激發學生的創造思維與潛能，增強學生解決問題、分析問題的能力，提高他們的數理邏輯思維水平。

4 結語

創新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發達的不竭動力，只有提高大學生的創新能力，才能實現整個國家的創新。本文將LEGO 教育平臺引入大學生創新能力培養環節也只是一個嘗試，還有一些問題有待解決，如教學經費缺乏、LEGO套裝零部件不足，限制了學生的創新設計過程。

當然，通過LEGO 教育平臺使用，在這樣一個便利的設計環境里，可以激發學生極大的創造興趣，進而提高學生的實踐能力。對學生來說，該項目直觀性好，也具有一定的情趣和挑戰性，適合團隊合作，提供了解決問題的技巧，使他們能在自由空間去創造和探索。■