在智能機器人教學中培養學生創造能力

◇朱 景

智能機器人課程是一門新的學科。它代表了高技術的發展前沿，是當代科技中的前沿和尖端；它綜合了多學科的發展成果，是集合了應用數學、力學、機械、電子、計算機、控制、傳感技術、通信和人工智能等多種技術在內的綜合實踐性課程。它要求學生能夠綜合地、靈活地運用各種知識，在團隊合作、實踐操作的學習形式下完成一個個小項目，從而達到培養學生綜合運用信息分析問題、解決問題的能力。機器人教學體現了“做中學”的教學理念，在學習過程中強調動腦與動手的結合，從而有利于改變傳統的教—學方式，為學生的終身發展打下基礎。世界發達國家例如美國、英國、法國、德國、日本等已把機器人教學納入中小學教育之中，而且，本課程貼近現實，有著其他課程無法比擬的可操作性、實用性、實效性。學生對課程學習的興趣濃厚，因而該課程理應是培育青少年創造力的優質載體及路徑。

在遵循創造力培養基本原理及青少年的認識規律基礎上，又鑒于學校和學生的實踐情況，經過比較，我校選用了泰雅普這款低價位的機器人，價格雖低，但機械構件、功能模塊較多，且可拆裝，能完成多個不同項目、參加多項活動。不過，此類器材精密度較差，活動中容易出現故障，學生在活動中必須不斷地維護和改進，其間教師不可能有時間和精力為每個學生維護機器人，因此迫使學生不斷地自我探索、自己維修，或同學間互幫互學。因此雖然價廉物欠美，反倒能促進學生觀察能力、判斷能力、創造能力的提高。可謂“歪打也可正著”。下面就介紹我們在實際教學中所采用的三種策略。

一、初步體驗：模仿搭建

模仿的過程就是一個學習的過程。仿造法基于學生的年齡特征和認知習慣。日本物理哲學研究所所長藪內憲雄把創造活動分成兩個階段：第一階段稱為初期創造活動，主要依賴于模仿，因此稱為模仿創造階段；第二階段稱為后期創造活動，即在模仿創造的前提下進行再創造。這類創造往往突破模仿，成為一種獨創。這說明，創造是從模仿開始的，機器人的學習也是從模擬搭建開始。

單元1：觀看視頻，搭建機器人

觀看“軌跡接力賽”比賽視頻，設計制作5個機器人，即1號機器人到5號機器人。比賽開始前，參賽隊員現將五個機器人分別擺放在起始區和接力交接區。比賽開始，一名參賽隊員啟動放在起始區內的1號機器人，1號機器人從起始區出發，沿運行軌跡前進，繼續前進至接力傳遞交接區后停止；2號機器人自動啟動沿著路線前進，逐次和下一個機器人進行接力傳遞，行至終點區域處，任務結束。

學生看到后非常興奮，深感機器人怎么那么“聽話”。當老師下達組裝機器人的要求后，學生已經迫不及待，按照視頻很快進行模仿搭建起機器人。

二、深入探究：學用編程

機器人的組成部分包括軟件和硬件。硬件主要有機械本體、執行機構、控制系統、動力裝置和傳感器系統。這部分學生已經搭建成功，可是同學們為什么嘗試不成功，機器人為什么不“聽話”，缺的是它的核心部分——軟件，也就是編譯給機器人讓其執行的程序。

單元2：學習編程，嘗試編程

TegoYapp Express又叫機器人快車，是賦予泰雅普機器人思想的好工具。它采用圖形化的編程方式，比傳統的文本編程更加易學、易用、易讀、易懂，非常適合編程思維和創造能力的培養。機器人快車采用基于工程C語言的圖形化、模塊化的編程語言，全部功能模塊都使用圖標來表示，遵循自頂而下的編程邏輯思維過程。讀者只需簡單地拖放各個模塊圖標，繪制出流程圖，軟件平臺就能自動生成可視化C語言源代碼，幫助您輕松完成編程，快速掌握如何控制機器人。

學習后學生設計的控制程序就是他思維的反映。面對相同的任務，不同的思考就有不同的設計，不同的設計會有不同的結果，有時不同的設計又能達到同樣的結果，教師完全不必整齊劃一。不同學生制作出的作品，其運行效果會存在比較大的差異。為了提高學生的積極性與技能，在機器人興趣實驗社團活動中，教師要充分地運用過程性評價與終結性評價，不斷地鼓勵學生樹立信心。每個機器人完成后，還應進行作品評比。最直觀的評比方法就是按任務要求進行比賽，看哪臺機器人最好地完成任務，同時展示作品、解剖程序，讓學生自己分析，找出不同點、判斷優缺點，從而提高學生的綜合能力，使大家最終都能完成一個比較完美的作品。

三、拓展延伸，開之以源

由于課程的時間有限，且機器人涉及的學科眾多、知識結構復雜，機器人技術發展迅速，為此，除了課程中的教材與活動方案外，還需要提供足夠的學習資源供學生選擇使用。除了自建資源庫外，也可以向學生提供已有的優秀網絡資源，如：省青少年科技教育協會（http://www.sciedu.org/）；機器人愛好者（http://www.roboticfan.com/）；中 國 機 器 人 網（http://www.robotschina.com/）；機器人發燒友天地（http://www.robotdiy.com/）；機器人資源網（http://www.iqbug.com/）等等。讓學生更新知識，擴大視野，更好地進行創造。

機器人的制作需要手與腦完美的結合。完成一個項目、構建一個機器人作品，需要考慮機械搭建、建好執行機構、構思控制電路，選擇傳感器及其安放位置，設計控制邏輯和編寫程序等。當這些內容都考慮好并實施后，發現機器人也未必能像想象中的那樣工作。這時，就要求制作者仔細分析問題的癥結并尋求解決辦法。讓制作者按照規定的邏輯一步一步去實驗、去探索、去研究，從而真正完成項目機器人的制作。雖然這一過程比較困難，但教師不必直接提出解決方案，而是進行基礎性知識及編程教學；之后，可再介紹一些搭建和編程的典型思路與方法，然后再放手讓學生自己去發揮、去實踐。從結構搭建開始，編程、程序下載，再到試運行等過程，都要讓學生自己動手實踐，這樣既增強了學生動手操作的能力和邏輯思維的能力，又能培養他們創造性解決問題的方法，從而達得事半功倍的效果。