以機器人教學為契機，促進學生思維分析能力的提升

雷炳砫

摘 要：人工智能及創客教育盛行的當下，越來越多的中小學生已經與智能機器人有了親密接觸，在日常的機器人教學中，學生學會了一些簡單的編程，體驗了操控機器人的樂趣，也具備了走上了賽場與對手一較高下魄力與勇氣。在兼顧比賽的同時，促進學生思維分析能力的提升自然擺在了教師們的面前。

關鍵詞：機器人教學；3D九宮探險；思維分析能力

人工智能盛行的當下，人類的學習、工作、生活都與高科技息息相關，都離不開人工智能。中學生作為祖國未來的棟梁、地球未來的主宰者，又怎么可以不掌握一點人工智能的技術呢。可是，在現行的教育體制下，中學生每天忙于應付繁重的學業，升學考試的文化科目知識網絡中，涉及人工智能的微乎其微。幸好，近十年來，中央電教館每年均舉辦中小學計算機機器人活動，借活動的東風，機器人逐步走進了校園。如此一來，中小學生就有機會感受、體驗人工智能，并嘗試動手編寫代碼讓機器人實現某一動作。在日常的機器人教學中，大多數是以競賽任務為教學內容，著重于培養學生操控機器人去實現某種特定功能或執行某項特定動作。但在實際訓練或比賽過程中，現場道具的大小、擺放的位置及機器人運行存在的不穩定性等諸多因素，都會導致機器人的運行出現偏差，所以對學生的思維分析能力及現場應變能力是一大考驗。本文主要論述在機器人教學中提升學生思維分析能力的策略。

一、在日常的機器人教學中，注重引導學生進行分析與綜合

我們都知道，分析與綜合是最基本的思維方法，是其它思維加工方法或方式的基礎。 分析用于把握事物的基本結構、屬性和特征，就是把客觀事物分解為各個部分分別加以研究。分析的方法有定性分析、定量分析、結構分析、功能分析、信息分析、模式分析以及流程分析等。綜合是把對事物各個部分、側面或屬性等統一為整體的思維方法，旨在從整體上把握事物的本質和規律。綜合是按事物的內在聯系把整個事物在思維中再現出來。分析和綜合是辯證的統一。分析和綜合既互相區別，又互相依存。一方面，分析是綜合的基礎，沒有分析，思維就不能具體深入，不能把握事物的各個部分、側面和屬性的具體規定性，當然無從綜合；另一方面，分析也離不開綜合，分析總是要以某種綜合的成果為指導進行的，并且以綜合為目的。沒有綜合，思維的信息材料是零碎、片斷的，不能統一為整體，也難以對各個部分、側面和屬性有確切的了解。

在日常的3D九宮探險虛擬機人教學中，要讓機器人跑得快，用盡量少的時間去完成盡量多的任務，這就叫高效，就叫勝利，也是我們各類別競賽的獲勝法寶和終極目標。所以在日常的訓練教學中，就需要學生去尋找這么一組匹配的數據，驅使機器人能在各種線路以最高速度運轉并順利完成任務。3D九宮探險虛擬機人的工作原理是這樣的，前端一個萬向輪作為支點，沒有動力輸出；后端兩個驅動輪輸出動力；再輔之以各種傳感器。很顯然，后端的兩個驅動輪決定著機器人運行的速度。線路分為直線和曲線，機器人在直線上運行時，只要把兩個驅動輪的動力都設置為100，即為最大功率輸出，在這一點上，大家都這么做，況且實際的訓練或競賽的地圖中直線線路極少，這么一來，競賽的焦點就轉化成曲線線路速度的比拼了。在3D九宮探險虛擬機人仿真系統里，是通過調整兩個驅動輪的速度差來達到轉彎即走曲線的，左輪走得慢，機器人向左轉彎，右輪走得慢，機器人向右轉彎。機器人運行原理的教學，到此已然完畢。可是，在實際的操作過程中，學生會遇到一個亟待解決的問題，轉不同弧度的彎時，兩驅動輪動力差值如何設置？

要解決此問題，就需要學生多嘗試，多觀察，多記錄分析，多綜合比較，最后形成一套科學合理的方案。這一過程是循序漸進的，又是環環相扣的。在嘗試中觀察，觀察中記錄，記錄后分析，分析后綜合，最后得到這么一組數據能使機器人高速且穩定的完成曲線線路。眾所周知，物質的變化總是由量變到質變的。例如，在實際教學訓練中，面對同一條曲線線路，起點為A終點為B，通過不斷的嘗試調整兩驅動輪動力差值，并記錄下每一組數據，以及此組數據下機器人完成由A點到達B點的時間，時間少且穩定性高的這一組數據即為我們尋求的結果，之后進行分析此曲線的弧度與這一組數據間的關系，此為綜合，最后把這一關系推演到其它不同弧度的曲線線路上進行實踐驗證。如此一來，學生的思維分析與綜合能力就會逐步得到的提升。

二、在機器人模擬比賽中，強化學生的推演能力

推演能力是建立在對事物特征認知后的進一步嘗試理解和行動。如果沒有推演，只是進行淺層次的根據特征識別出來的結果進行分析，往往就是“看山是山”。推演能力就是通過觀察事物的表面現象，得出事物本質；從一堆看似零散的資料中，提煉出核心觀點，是撥開云霧見天日的能力，或是舉一反 三、觸類旁通。

在3D九宮探險虛擬機人的教學中，我們會適時進行模擬比賽，通過不斷更換比賽道具擺放的位置，引發學生進行觀察比較，使學生的思維得到發散，由此及彼，由表及里，促進學生的推演能力的提升。道具物理位置發生變化，機器人所走的線路就得隨著變化；道具方向改變，機器人也必須作出角度的調整；道具大小、高低不同，機器人發生的動作力度、幅度也不同；所以機器人模擬比賽，對學生的思維是一大挑戰，在這期間沒有教師的提醒與解釋，沒有同伴的交流與協作，有的只是自我思考，自我推演，思考各項參數值的設置，思考機器人的速度與動作力度，角度大小等，從平時的訓練中積累的知識中去推演，在最短時間內調試好機器人順利執行任務。所以這一過程，能充分調動學生的思維，激發學生的思維分析及推演能力。通過分析推演，學生能獲得新知，對理解領悟能力和思維分析能力都是一次升華。

誠然，思維分析能力的提升，不是一朝一夕之事，正如娘胎里爬出來的小寶寶要長大成人，靠的是日積月累，不急不躁，循序漸進，積少成多，堅持不懈的從量變到質變的一個過程。任何一次的思考分析，整理歸納，類比排序，綜合推演都只能是對思維分析能力起到一定的促進作用。