從創(chuàng)客機器人教學(xué)中提高學(xué)生常識

鄺弘彥

我校從事小學(xué)生機器人活動教學(xué)已有十幾年。多年來，有一個難題一直困擾著我們的教學(xué)工作，那就是現(xiàn)代的小學(xué)生非常缺乏生活常識。許多在成年人眼里不以為然的生活知識，對于現(xiàn)在過著“飯來張口，衣來伸手”的小學(xué)生，好多是聞所未聞，見所未見。全社會都在重視教育，但只是重視學(xué)生的學(xué)習(xí)成績和某些技藝的培養(yǎng)，卻把最基本的生活技能和日常知識忘記了。因此，我們希望通過課題的研究，從機器人教學(xué)中提高學(xué)生的常識水平。

一、課題研究的理論基礎(chǔ)

機器人教學(xué)活動是素質(zhì)教育的一種體現(xiàn)。機器人教學(xué)活動主要體現(xiàn)素質(zhì)教育理論的“能力培養(yǎng)、個性發(fā)展、身體健康和心理健康教育”。表現(xiàn)如下：一是機器人教學(xué)能夠培養(yǎng)學(xué)生的兩大能力，即邏輯思維能力和自主動手能力。機器人由程序（軟件）和機體（硬件）組成。編寫程序的過程能夠提升學(xué)生的邏輯思維能力。設(shè)計組裝機體的過程能夠提升學(xué)生的自主動手能力。二是機器人完成任務(wù)的過程會遇到許多問題。學(xué)生在解決問題的時候，通過自主的思考和實踐，獲得解決的方法。這便讓學(xué)生的自主個性得到了發(fā)展。三是完成任務(wù)后，學(xué)生自己進(jìn)行比拼，最終代表學(xué)校參加各級比賽。這都能讓學(xué)生認(rèn)識到自己的優(yōu)勢和不足，從而更好地去完善自己。在這些過程中，學(xué)生的身心健康自然而然地得到發(fā)展。

二、課題研究的內(nèi)容和過程

本課題的研究目的，是讓學(xué)生通過自主探索與實踐，提高本人的常識水平。因此，根據(jù)實際情況，老師設(shè)計了三個教學(xué)階段。第一階段學(xué)習(xí)螺絲刀、剪刀、鉗子等日常工具的正確使用;第二階段學(xué)習(xí)按任務(wù)要求合理科學(xué)地組裝機器人;第三階段學(xué)習(xí)分析任務(wù)并編寫程序完成任務(wù)。

1.學(xué)習(xí)日常工具的正確使用

在第一階段中，學(xué)生總是要問：“螺絲怎么擰緊啊？”類似這種實踐性的問題。老師會鼓勵他們自己先試一試，然后再幫忙小結(jié)：“順時針方向是擰緊，逆時針方向是擰松。”也許學(xué)生過一段時間會忘記，但稍微提醒一下，他們很快又會記起來。對于需要多種工具配合使用的情況，老師采用“先發(fā)現(xiàn)，后引導(dǎo)”的方法進(jìn)行教學(xué)。例如，學(xué)生用螺絲刀擰螺絲時，螺母也會跟著轉(zhuǎn)動，機器人部件就固定不了。學(xué)生會很奇怪：“方法沒搞錯啊，為什么不緊呢？！”這時，老師先引導(dǎo)學(xué)生觀察螺母跟著轉(zhuǎn)動。然后，老師繼續(xù)提問：“有什么工具能讓螺母不跟著轉(zhuǎn)呢？”也許學(xué)生就會想到“鉗子”。接著，老師親自演示螺絲刀配合鉗子擰緊螺絲。最后，學(xué)生自己練習(xí)。有了安全的保障，教學(xué)活動才能正常地進(jìn)行。在每次活動中，老師都必須時刻注意學(xué)生的各種危險行為，并及時提醒與制止。

2.學(xué)習(xí)合理科學(xué)地組裝機器人

只有科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)，機器人才能順利地完成任務(wù)。要讓機器人有科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)，必須掌握一定的物理知識。第二階段設(shè)計為5個課時。首先，老師讓學(xué)生利用現(xiàn)有的器材自由拼裝機器人。然后，老師點評學(xué)生組裝的成品，同時傳授相關(guān)的知識。最后，學(xué)生利用新知識再次組裝，老師進(jìn)一步強化知識要點。學(xué)習(xí)過程大概如下：一是學(xué)生自由拼裝的結(jié)果一般可分為兩大類，即“人”型機器人和“車”型機器人。老師引入概念—“機器人的身體，應(yīng)該具備有‘大腦‘運動器官和‘感覺器官;機器人能根據(jù)任務(wù)需要，獨立判斷，做出動作。只要符合以上要求，就是機器人，不一定要長得像人。”接著，老師繼續(xù)普及相關(guān)常識—“機器人的傳感器應(yīng)該裝在需要探測的位置;機器人的大小應(yīng)該符合任務(wù)的要求;機器人馬達(dá)之間的距離應(yīng)該合適，馬達(dá)之間安裝離得太遠(yuǎn)缺乏靈活性，馬達(dá)之間安裝離得太近會過于靈活，難以控制。同學(xué)們可以參考生活中各種車型”等。最后，學(xué)生綜合自己的實踐和老師的指導(dǎo)意見，重新修改機器人的結(jié)構(gòu)，取得一定的進(jìn)步。

3.學(xué)習(xí)分析任務(wù)并編寫程序完成任務(wù)

第三階段的教學(xué)時間應(yīng)該設(shè)計為10課時或更多。由于小學(xué)生的生活經(jīng)驗不足，學(xué)習(xí)分析問題成為一個難點。為了幫助學(xué)生學(xué)會分析問題，老師設(shè)計了三個教學(xué)課例。

課例一：控制機器人前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。該課例其實就是學(xué)習(xí)控制馬達(dá)。控制機器人前進(jìn)和后退相對比較簡單。控制機器人轉(zhuǎn)彎的方法比較復(fù)雜。以“左轉(zhuǎn)”為例，一共有三種轉(zhuǎn)法：“左馬達(dá)停，右馬達(dá)前進(jìn)”“左馬達(dá)后退，右馬達(dá)停”和“左馬達(dá)后退，右馬達(dá)前進(jìn)”。通過該課例的學(xué)習(xí)，學(xué)生對日常生活中部分機械運轉(zhuǎn)會有所認(rèn)識，也可能會引發(fā)學(xué)生去思考某些日常現(xiàn)象。

課例二：機器人走“迷宮”。所謂的“迷宮”就是由木板組成幾個房間。機器人由起點開始行走，經(jīng)過多個房間走回起點，任務(wù)結(jié)束。該任務(wù)唯一能幫助機器人識別路線的參照物就是房間墻壁。因此，學(xué)生要給機器人安裝上能看墻壁的“眼睛”—測障傳感器。傳感器數(shù)量至少用2個，一個安裝在前，一個安裝在左（右），都要正對墻壁。學(xué)生按照自己的生活經(jīng)驗，很難想象如何利用傳感器完成任務(wù)。為此，老師設(shè)計了一個小游戲—盲人扶墻走。學(xué)生閉上眼睛，只利用自己的雙手，繞教室走一圈。聰明的學(xué)生很快就能領(lǐng)悟：左手扶著墻，不讓自己遠(yuǎn)離墻（參照物）;右手舉向前，防止撞到前面的墻;一旦前面有墻，就要大右轉(zhuǎn)。這就是本課例的知識難點—左手原則。利用“左手原則”，機器人可以走出大部分的迷宮。如果只單靠講授法，學(xué)生就會很難理解或很快忘記“左手原則”。學(xué)生理解后，便可使用編程知識，實現(xiàn)自己的想法。通過該課例的學(xué)習(xí)，學(xué)生能初步了解分析問題的重要性，在以后的學(xué)習(xí)中會“先想清楚，再動手”。

課例三：機器人沿黑線行走。該任務(wù)中，機器人需要在“白底黑線”的圖紙上，沿著黑線行走。黑線就是機器人行走的參照物。因此，學(xué)生要給機器人安裝上能看黑線的“眼睛”—測地傳感器。傳感器數(shù)量至少用2個，都安裝在機器人前方兩側(cè)，對著地面。分析傳感器的用法仍然是難點。老師以馬路車道中間的引導(dǎo)線為例，講解2個測地傳感器的使用。汽車都要按引導(dǎo)線行走。正常情況下，引導(dǎo)線貫穿汽車的正中間，汽車直行。如果引導(dǎo)線偏向了左邊，汽車需要右轉(zhuǎn)彎一點;如果引導(dǎo)線偏向了右邊，汽車需要左轉(zhuǎn)彎一點。“沿黑線走”任務(wù)的情況也一樣。如果黑線在兩個傳感器中間，機器人直行;如果左邊傳感器檢測到黑線，機器人右轉(zhuǎn)彎一點;如果右邊傳感器檢測到黑線，機器人左轉(zhuǎn)彎一點。絕大部分人都有乘坐汽車的經(jīng)歷。學(xué)生對汽車的行駛應(yīng)該不難理解。就算以前沒注意引導(dǎo)線，學(xué)生也能在短時間內(nèi)去進(jìn)行觀察。這樣的舉例解說，符合學(xué)生的生活經(jīng)驗，能更好地讓學(xué)生理解知識。最后，學(xué)生再根據(jù)所學(xué)的編程知識，讓機器人完成任務(wù)。通過本課例的學(xué)習(xí)，學(xué)生知道日常生活中的許多現(xiàn)象能做為機器人任務(wù)的參考，會更主動地去思考日常生活。

三、課題研究的主要成果

第一，理論層面的成果。一是把學(xué)生的安全放在第一位，時刻注意學(xué)生使用工具的安全問題;二是采用“親身體驗”的教學(xué)方法，能讓學(xué)生更好地理解知識;三是教學(xué)過程多使用學(xué)生可獲知的事例，教學(xué)效果才能事半功倍;四是分組教學(xué)可以擬補學(xué)生之間能力的差異;五是不管學(xué)習(xí)效果如何，都能引發(fā)學(xué)生對日常事物的思考，從而提高自身的常識水平。

第二，實踐層面的成果。一是參加機器人活動的學(xué)生，在使用工具、理解物體結(jié)構(gòu)和分析問題等方面，明顯比其他學(xué)生略勝一籌;二是學(xué)校的機器人活動小組每年都要參加市、省兩級競賽，取得了優(yōu)異的成績，還曾經(jīng)做為廣東省代表隊的成員參加全國比賽。

總之，機器人教育是科普教育，也是實現(xiàn)素質(zhì)教育的一個有效途徑。一個完整的“社會人”應(yīng)該具備一定的知識技能和生活技能。但現(xiàn)代家庭只重視知識技能培養(yǎng)，學(xué)校教育又缺乏對生活技能教學(xué)。這造成我國學(xué)生日常生活能力低下。因此，國家教育需要更多類似機器人教育的活動。這類活動能真正提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，而不是停留在“考試”上。希望這類活動能百花齊放，更希望這類活動能持續(xù)健康地發(fā)展。祝福我們的孩子不僅能從活動中獲得知識，而且能更加快樂地成長。