樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)對(duì)高中學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)

雷華

摘要：機(jī)器人教學(xué)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)教學(xué)領(lǐng)域的新寵，也成為高中生進(jìn)行信息技術(shù)學(xué)習(xí)與高科技知識(shí)積累的樂(lè)園。因此，樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)在計(jì)算機(jī)課堂的蓬勃發(fā)展，使越來(lái)越多的高中生興高采烈地參與到計(jì)算機(jī)課堂學(xué)習(xí)之中，歡欣鼓舞地體驗(yàn)樂(lè)高機(jī)器人學(xué)習(xí)的趣味性、新奇性與挑戰(zhàn)性，也切實(shí)培養(yǎng)了高中生的創(chuàng)新思維能力。

關(guān)鍵詞：樂(lè)高機(jī)器人教學(xué);高中生;創(chuàng)新思維能力

隨著科學(xué)育人觀在高中計(jì)算機(jī)課堂教學(xué)過(guò)程中的深度融合發(fā)展，教師紛紛引入新理念、新資源、新方法，力求促進(jìn)高中生計(jì)算機(jī)認(rèn)知環(huán)境的大力拓展與創(chuàng)新發(fā)展。

1 ? ?樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)的概念簡(jiǎn)介

樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)，是指在計(jì)算機(jī)課堂教學(xué)過(guò)程中高中生可以自主設(shè)計(jì)硬件形狀、獨(dú)立組裝硬件結(jié)構(gòu)、合作編寫軟件程序、協(xié)助操控電腦運(yùn)行、集體優(yōu)化樂(lè)高機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)與軟件程序等活動(dòng)。因此，樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)對(duì)于高中生的計(jì)算機(jī)知識(shí)基礎(chǔ)、信息技術(shù)能力、樂(lè)高硬件建構(gòu)能力、控制程序編寫能力等諸多知識(shí)領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)，自然也會(huì)推動(dòng)高中生在積極參與、主動(dòng)思考、自覺合作、互助成長(zhǎng)中積累知識(shí)。

2 ? ?樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容

樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容涵蓋硬件建設(shè)方面的機(jī)械制造知識(shí)、電子傳感器知識(shí)、光學(xué)傳感器知識(shí)以及計(jì)算機(jī)硬件建設(shè)工程，還涵蓋軟件建設(shè)方面的知識(shí)，如信息技術(shù)知識(shí)、程序編寫知識(shí)以及人工智能知識(shí)等諸多高科技知識(shí)范疇。樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)傳承與發(fā)揚(yáng)了STEM教育理念，承載了諸多高科技知識(shí)，如物理方面的建構(gòu)技術(shù)、設(shè)計(jì)技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)，再如信息技術(shù)方面的編程技術(shù)、控制技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等，因而對(duì)于高中生的兼收并蓄、全面發(fā)展意義重大。樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)的內(nèi)容具體包括：第一，高中生需要掌握樂(lè)高機(jī)器人的硬件工程，按照樂(lè)高機(jī)器人設(shè)計(jì)圖紙制作出各種各樣的對(duì)應(yīng)硬件構(gòu)件，能夠滿足圖紙上的設(shè)計(jì)需求。第二，高中生需要掌握樂(lè)高機(jī)器人的軟件工程，尤其是各種人工智能自動(dòng)化控制程序的具體編寫、后期改進(jìn)以及按需設(shè)計(jì)等知識(shí)。第三，高中生需要掌握樂(lè)高機(jī)器人程序設(shè)計(jì)的具體要求、控制方法、技術(shù)指標(biāo)等內(nèi)容，還要掌握樂(lè)高機(jī)器人程序編寫的具體任務(wù)、內(nèi)容預(yù)設(shè)與修改方案。第四，高中生需要掌握樂(lè)高機(jī)器人的多種拼裝方案以及拓展創(chuàng)新可能，能夠?qū)崿F(xiàn)樂(lè)高機(jī)器人的外形變化、功能拓展、任務(wù)完成與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。第五，高中生需要掌握樂(lè)高機(jī)器人的日常維護(hù)，能夠在實(shí)踐驗(yàn)證中不斷積累經(jīng)驗(yàn)與操控改良，進(jìn)而開發(fā)出更高質(zhì)量的樂(lè)高機(jī)器人操控軟件。

3 ? ?樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)的基本特點(diǎn)

3.1樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)具有拼裝性與可變性

樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)，與“樂(lè)高玩具”有一定淵源，能夠像“樂(lè)高玩具”一樣自主設(shè)計(jì)、隨意拼裝、大膽創(chuàng)新。因此，樂(lè)高機(jī)器人的外形能夠呈現(xiàn)多種變化，具有突出的拼裝性與可變性，能夠?yàn)楦咧猩闹R(shí)學(xué)習(xí)與技能訓(xùn)練提供良好的實(shí)踐平臺(tái)。

3.2樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)具有探索性與前瞻性

樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)立足人工智能、自動(dòng)化控制、程序編寫等高科技元素，因而樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)站在時(shí)代科技的最前沿，自然具有非常強(qiáng)的探索性、前瞻性以及不確定性。因此，樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)能夠有效拓展高中生的知識(shí)積累、專業(yè)視野、編程方法以及創(chuàng)新能力。

3.3樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)具有趣味性與體驗(yàn)性

樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)的趣味性與體驗(yàn)性是其本質(zhì)屬性與大眾屬性，因?yàn)樗袡C(jī)器人教學(xué)課程都具有較高的趣味性與體驗(yàn)性。此外，高中生也能夠在樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)過(guò)程中感受到良好的趣味性、新奇性與主體性，能夠在積極參與、主動(dòng)嘗試、大膽實(shí)踐中體驗(yàn)創(chuàng)新的快樂(lè)。

3.4樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)具有先進(jìn)性與挑戰(zhàn)性

樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)能夠?yàn)楦咧猩峁┒喾N拼裝模式以及拓展可能，在多種多樣的外形變化與程序操控中需要大量創(chuàng)新性程序編寫活動(dòng)，因而既具有突出的先進(jìn)性，也具有較大的挑戰(zhàn)性，高中生也可能在大膽創(chuàng)新中體驗(yàn)到失敗的痛苦以及技能創(chuàng)新的喜悅。

4 ? ?樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)與創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的契合性

4.1樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)能夠催生高中生的創(chuàng)新意識(shí)

樂(lè)高機(jī)器人在硬件設(shè)計(jì)與外形控制上像“樂(lè)高玩具”隨意拼裝、自主組合、任意創(chuàng)新一樣。因此，樂(lè)高機(jī)器人的外形變化以及硬件組合的有效拓展能夠借助自身的拼裝性與可變性催生高中生的創(chuàng)新意識(shí)，而且還能為高中生提供驗(yàn)證個(gè)人拓展意識(shí)的實(shí)踐機(jī)會(huì)。

4.2樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)能夠培養(yǎng)高中生的創(chuàng)新能力

樂(lè)高機(jī)器人擁有人工智能、自動(dòng)化控制、程序編寫等高科技元素，因而能夠給予高中生多種多樣的實(shí)踐體驗(yàn)，推動(dòng)高中生進(jìn)入大腦興奮、情緒激昂、心理愉悅的良好認(rèn)知狀態(tài)之中，使樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)的探索性與前瞻性強(qiáng)化高中生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

4.3樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)催生高中生的創(chuàng)新萌芽

樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)能夠給予高中生良好的認(rèn)知體驗(yàn)，使高中生感受到前所未有的趣味性、新奇性與刺激性，自然就會(huì)情緒高昂地積極參與、主動(dòng)嘗試、大膽實(shí)踐，從而加速高中生創(chuàng)新萌芽的形成。

4.4樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)高中生創(chuàng)新習(xí)慣的培養(yǎng)

樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)能夠?yàn)楦咧猩峁C(jī)器人外形變化的多種拼裝模式，也提供了外形變化后的全新功能展示，更提供了創(chuàng)新性程序編寫活動(dòng)，因而能夠借助自身的先進(jìn)性與挑戰(zhàn)性啟迪高中生大膽拓展、切身實(shí)踐與技能創(chuàng)新，加速高中生創(chuàng)新習(xí)慣的形成。

5 ? ?樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)對(duì)創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的重要作用

5.1樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)提供創(chuàng)新性教學(xué)氛圍

在樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)中，高中生需要面對(duì)機(jī)器人外形的拼裝過(guò)程、主體構(gòu)件組合過(guò)程、人工智能控制程序的編寫過(guò)程以及突發(fā)問(wèn)題的解決過(guò)程，而每一個(gè)活動(dòng)內(nèi)容都是前所未有的全新探究過(guò)程。因此，樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)自然就具有突出的嘗試性、探索性、拓展性與創(chuàng)新性的教學(xué)氛圍，也就是高中生進(jìn)行知識(shí)學(xué)習(xí)、信息儲(chǔ)備、實(shí)踐探索、能力訓(xùn)練的主體認(rèn)知成長(zhǎng)環(huán)境，易于開展創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)。

例如，高中生在測(cè)試樂(lè)高機(jī)器人正常行走功能時(shí)，機(jī)器人能夠按照所編程序循規(guī)蹈矩地一步一步往前走。然而，機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎時(shí)卻意外摔倒了，因而高中生團(tuán)隊(duì)就要謹(jǐn)慎面對(duì)突如其來(lái)的挑戰(zhàn)。硬件組的高中生就要從硬件工程角度去審視各個(gè)組件的靈活性、協(xié)調(diào)性、順暢性，甚至要積極探索組件拆分后的重組可能。而軟件組的高中生就要從人工智能的自動(dòng)化控制程序方面去尋求機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)的具體數(shù)據(jù)，重新核算數(shù)據(jù)的正確性與準(zhǔn)確性。如果所有數(shù)據(jù)均與輸入的原始數(shù)據(jù)完全一致，軟件組的高中生就要重新修改與確定機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)的具體控制信息。因此，整個(gè)修改過(guò)程充滿了創(chuàng)新思維的火花，能夠培養(yǎng)高中生的創(chuàng)新思維能力。

5.2樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)提供創(chuàng)新性教學(xué)活動(dòng)

在樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)中，高中生能夠獲得多種多樣的全新式主體實(shí)踐活動(dòng)，而且還是以機(jī)器人操控與信息完善為基礎(chǔ)的新科技探究活動(dòng)。整個(gè)教學(xué)活動(dòng)過(guò)程充滿先進(jìn)性的科技元素，因而具有非常突出的創(chuàng)新性。所以，高中生能夠在創(chuàng)新性教學(xué)活動(dòng)中有效激發(fā)自身的獵奇心理、求知?jiǎng)訖C(jī)以及探究欲望，能夠有效催發(fā)高中生的創(chuàng)新思維能力的形成與發(fā)展，從而助力高中生核心素養(yǎng)發(fā)展。

例如，高中生在測(cè)試樂(lè)高機(jī)器人爬坡能力時(shí)發(fā)現(xiàn)樂(lè)高機(jī)器人很容易向后摔倒，于是高中生圍聚在一起探究導(dǎo)致這一問(wèn)題的根本原因。硬件組的高中生首先介紹科學(xué)的判斷依據(jù)，那就是樂(lè)高機(jī)器人在爬坡時(shí)“物理重心靠后，容易產(chǎn)生后仰問(wèn)題”，因而在爬坡時(shí)很容易摔倒。因此，所有團(tuán)隊(duì)成員尤其是軟件組成員應(yīng)探究如何降低“物理重心”的有效方法以及程序控制，而且還要探究什么時(shí)候開始降低“物理重心”以及什么時(shí)候停止降低“物理重心”。因此，高中生的創(chuàng)新思維能力就會(huì)圍繞現(xiàn)實(shí)問(wèn)題而積極思考，最終獲得發(fā)展。

5.3樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)提供創(chuàng)新性教學(xué)資源

在樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)中，高中生獲得的教學(xué)資源與探究對(duì)象均是與樂(lè)高機(jī)器人息息相關(guān)的各項(xiàng)信息，具有非常高的先進(jìn)性、拓展性與創(chuàng)新性。因此，高中生在創(chuàng)新性教學(xué)資源的感召下，自然也會(huì)歡欣鼓舞地利用個(gè)人的創(chuàng)新思維能力去面對(duì)、考慮、解決擺在眼前的具體問(wèn)題，從而使高中生的創(chuàng)新思維能力獲得持續(xù)不斷的實(shí)踐應(yīng)用，能夠直接促進(jìn)高中生創(chuàng)新能力的快速發(fā)展。

例如，高中生在進(jìn)行樂(lè)高機(jī)器人行走實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，工程遇到操作問(wèn)題時(shí)第一個(gè)想法就是先從硬件方面尋找解決方案，切實(shí)提升硬件工程與軟件工程的契合性與執(zhí)行性。因?yàn)橛布こ坛霈F(xiàn)問(wèn)題較容易解決，如果立足軟件工程去解決問(wèn)題，難度就非常大。因此，高中生在面對(duì)新問(wèn)題時(shí)的習(xí)慣處理方法對(duì)其創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)大有幫助，能夠提醒高中生處理問(wèn)題要深度考慮“輕重緩急”，只有這樣才能較好、較快地解決問(wèn)題。可見，良好的教學(xué)資源能夠給予高中生大力拓展、實(shí)踐創(chuàng)新的好機(jī)會(huì)，也能夠給予高中生解決問(wèn)題方法有效的啟迪，非常有助于高中生創(chuàng)新思維能力的科學(xué)培養(yǎng)。

5.4樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)提供創(chuàng)新性教學(xué)方式

在樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)中，高中生天天與機(jī)器人為伴，設(shè)計(jì)硬件建構(gòu)工程，尤其是關(guān)節(jié)部位的靈活性、堅(jiān)固性以及多向性，能夠保質(zhì)保量地完成各項(xiàng)動(dòng)作技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不給軟件工程“拖后腿”。因此，高中生的認(rèn)知方式完全處于主體實(shí)踐、切身實(shí)操、直接感知中，毫無(wú)理論說(shuō)教的痕跡，進(jìn)而推動(dòng)教學(xué)方式的可喜轉(zhuǎn)變，為高中生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)創(chuàng)設(shè)了前所未有的實(shí)踐過(guò)程、探究區(qū)間以及互動(dòng)區(qū)域，能夠讓高中生在親自動(dòng)手實(shí)踐、近距離主體觀察、親密信息交流過(guò)程中互助成長(zhǎng)。

例如，高中生在測(cè)試機(jī)器人時(shí)，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人下坡的難度比上坡的難度還要大，究其原因主要是機(jī)器人由高處向低處行走時(shí)具有一定的慣性作用。而且，這種慣性作用由于機(jī)器人的物理重心較高而具有放大效果，從而使機(jī)器人在下坡時(shí)容易失去平衡而向前傾倒。因此，硬件組高中生在機(jī)器人的關(guān)節(jié)處加裝了彈簧墊，能夠很好地規(guī)避慣性作用產(chǎn)生的沖擊力與破壞力，從而確保機(jī)器人物理重心的平穩(wěn)降低。可見，硬件組高中生以機(jī)器人的行走實(shí)踐為研究對(duì)象，并在實(shí)踐中主動(dòng)探究物理層面的問(wèn)題解決方案，能夠創(chuàng)造性地解決問(wèn)題，有效避免了在人工智能開展程序里面的大量數(shù)據(jù)核實(shí)工作，利用個(gè)人的創(chuàng)新思維能力快捷高效地解決問(wèn)題，也促進(jìn)了高中生創(chuàng)新思維能力的發(fā)展。

5.5樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)提供創(chuàng)新性教學(xué)過(guò)程

在樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)中，高中生接觸到的所有信息，如機(jī)器人的硬件構(gòu)建、關(guān)節(jié)維護(hù)、重心調(diào)控、人工智能程序以及自動(dòng)化操控程序等，都是具有較高創(chuàng)新性的探究對(duì)象。因此，高中生認(rèn)知過(guò)程的創(chuàng)新性與拓展性是樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)的固有優(yōu)勢(shì)，樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)本身就是一個(gè)創(chuàng)新元素的幾何體，自然就會(huì)為高中生提供一個(gè)充滿創(chuàng)新刺激的認(rèn)知環(huán)境，從而有助于高中生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。

例如，樂(lè)高機(jī)器人在行走過(guò)程中需要控制好腿部的位置變換節(jié)奏，而且兩條腿位置變換的節(jié)奏要和諧一致，這樣才能確保在行走過(guò)程中重心的平穩(wěn)性，使機(jī)器人不會(huì)摔跟頭。然而，樂(lè)高機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎過(guò)程就特別具有挑戰(zhàn)性與探究性，內(nèi)側(cè)的腿要小幅度轉(zhuǎn)彎，而外側(cè)的腿需要幅度稍大地運(yùn)動(dòng)。另外，高中生還要控制好外側(cè)腿運(yùn)動(dòng)的頻率與節(jié)奏，要確保穩(wěn)定性，否則，處于兩種運(yùn)動(dòng)節(jié)奏的兩條腿就會(huì)失去平衡，導(dǎo)致樂(lè)高機(jī)器人摔跟頭。這樣，高中生的創(chuàng)新思維能力就在一次次的問(wèn)題解決中得到實(shí)踐化培養(yǎng)。

6 ? ?樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的補(bǔ)充

6.1樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)要注意主體性

高中生是樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)的接受者與實(shí)現(xiàn)者，只有高中生的創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)真正實(shí)現(xiàn)，樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)才能切實(shí)成功。因此，教師要注意在樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)中積極引導(dǎo)高中生的主體參與、積極互動(dòng)、友好合作與互助成長(zhǎng)，這樣才能實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)效率的提升。

6.2樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)要注意實(shí)踐性

樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)最大的亮點(diǎn)之一就是機(jī)器人外形的隨意拼裝與多變拓展，因而只有讓高中生真正參與其中，才能切實(shí)體現(xiàn)樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)的樂(lè)趣。因此，教師要在樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)中突出高中生的主體地位，在實(shí)踐中感知，在實(shí)踐中探索，切實(shí)優(yōu)化高中生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)。

總之，樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、編程技術(shù)、人工智能技術(shù)以及自動(dòng)化控制技術(shù)等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的整合平臺(tái)。樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)能夠?yàn)楦咧猩闹R(shí)獲取、信息積累、視野拓展、能力訓(xùn)練以及素質(zhì)發(fā)展創(chuàng)設(shè)有設(shè)計(jì)、有實(shí)踐、有過(guò)程、有體驗(yàn)、有效果的生命認(rèn)知與集群發(fā)展平臺(tái)。因此，教師要立足樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)，有效豐富高中生的主體實(shí)踐、探究體驗(yàn)、活動(dòng)拓展以及創(chuàng)新發(fā)展，扎實(shí)有效地刺激高中生的拓展意識(shí)與創(chuàng)新意識(shí)，助力高中生創(chuàng)新思維能力的逐漸形成與持續(xù)發(fā)展，切實(shí)打造一條科學(xué)高效的主體發(fā)展之路。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚懿軒.淺析樂(lè)高機(jī)器人對(duì)高中生信息素養(yǎng)培養(yǎng)的意義[J].電子世界，2018（03）：62-64.

[2]周荻陽(yáng).樂(lè)高機(jī)器人對(duì)高中生信息素養(yǎng)的意義[J].數(shù)碼設(shè)計(jì)，2017（16）：134.

基金項(xiàng)目：

本文系2019年度甘肅省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的研究”（課題立項(xiàng)號(hào)：GS[2019]GHB1214）的結(jié)題論文。