機(jī)器人活動(dòng)——給小學(xué)生創(chuàng)造更廣闊的發(fā)展空間

王 軍

(天津師范大學(xué)第二附屬小學(xué) 天津 300211)

目前，機(jī)器人實(shí)踐活動(dòng)在國(guó)內(nèi)外作為一種教育工具和手段已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。這項(xiàng)活動(dòng)集成了數(shù)學(xué)、物理、生物、機(jī)械、電子、仿生、能源、傳感器、人工智能等眾多領(lǐng)域的先進(jìn)科學(xué)與技術(shù)知識(shí)，旨在為學(xué)生創(chuàng)設(shè)良好的科技平臺(tái)，使學(xué)生接觸到較為前沿的知識(shí)，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力和創(chuàng)意意識(shí)，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高，使學(xué)生將來能從容面對(duì)新技術(shù)的挑戰(zhàn)。

1 優(yōu)選教學(xué)器材，導(dǎo)入科學(xué)知識(shí)

在教學(xué)之初，首先為學(xué)生提供各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人圖片，使學(xué)生在了解其功能和應(yīng)用之前，對(duì)機(jī)器人的外部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直觀的認(rèn)識(shí)，打破學(xué)生對(duì)機(jī)器人的傳統(tǒng)認(rèn)知模式，為他們充分大膽地發(fā)揮自身想象力提供更為廣闊的空間。

目前可以應(yīng)用到中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)中的器材主要有國(guó)外的樂高，國(guó)內(nèi)的中鳴、未來伙伴、納英特等。這些廠商提供的機(jī)器人器材一般都是獨(dú)立的模塊，如紅外傳感器、馬達(dá)、超聲波傳感器、伺服電機(jī)等，通常需要將這些零散的部件搭建起來，組成一個(gè)整體。機(jī)器人的搭建是工程學(xué)的一部分，涉及很多內(nèi)容，如杠桿、齒輪配比、輪子和輪軸、梁、摩擦力、重心等。

中小學(xué)生往往對(duì)搭建知識(shí)一知半解。剛開始讓學(xué)生接觸機(jī)器人的時(shí)候，教師可先讓學(xué)生搭建一些小車，然后介紹一些簡(jiǎn)單的杠桿、齒輪、摩擦力和重心等知識(shí)。接著在教學(xué)中積極引導(dǎo)學(xué)生觀察、思考和創(chuàng)新，在已知搭建知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，搭建一些他們感興趣的東西。這樣既能使學(xué)生保持對(duì)機(jī)器人持久的好奇心和興趣，又能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

筆者在每周四下午的社團(tuán)活動(dòng)中，根據(jù)小學(xué)生的年齡特點(diǎn)，首選了“樂高 NXT機(jī)器人器材”。以小組為單位開展活動(dòng)，每組兩名學(xué)生，其中 1名學(xué)生攜帶筆記本電腦編程，另1名學(xué)生以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)搭建為主，自愿結(jié)合。這樣的兩人小組便于學(xué)生在活動(dòng)中充分發(fā)表個(gè)人觀點(diǎn)，也有利于同伴間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同解決制作機(jī)器人過程中遇到的各種問題。

2 由簡(jiǎn)到難逐步引導(dǎo)，開展創(chuàng)意設(shè)計(jì)等活動(dòng)

學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣來源于實(shí)際生活，因此教師在教學(xué)方案的設(shè)置上，以小學(xué)生的生活經(jīng)歷為基礎(chǔ)，結(jié)合年齡特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一系列由簡(jiǎn)到難的活動(dòng)任務(wù)，讓學(xué)生置身于充滿趣味、刺激和挑戰(zhàn)的氛圍中，主動(dòng)探求知識(shí)。

例如，讓機(jī)器人按照黑線行駛的方案就源于為空巢老人排遣寂寞而制作電子寵物的設(shè)想。該方案需要將搭建好的小車做成模擬電子寵物，安裝光電傳感器充當(dāng)眼睛，根據(jù)光線的黑白變化選擇路線。在輪胎的選擇上，學(xué)生根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選擇較寬的沙地輪增加機(jī)器人行走中的摩擦力，有效防止了感應(yīng)器在尋找軌跡時(shí)發(fā)生脫離黑線的情況。有的學(xué)生還改進(jìn)了電子寵物，為其安裝左右兩個(gè)光電傳感器，不僅提高了行走速度，還大大減小了單個(gè)感應(yīng)器在探測(cè)過程中左右搖擺糾偏的幅度，使電子寵物行走起來更加穩(wěn)定。

除創(chuàng)意設(shè)計(jì)外，機(jī)器人舞蹈項(xiàng)目也是先讓學(xué)生根據(jù)自身生活實(shí)踐構(gòu)思創(chuàng)意，設(shè)計(jì)可行方案，并經(jīng)過和家長(zhǎng)的充分交流，共同投票推舉出最佳方案。例如，設(shè)計(jì)一輛有機(jī)發(fā)光二極管嵌入的街舞機(jī)器人，由于比賽要求設(shè)計(jì)者和機(jī)器人在舞臺(tái)上互動(dòng)表演，所以對(duì)機(jī)器人動(dòng)作時(shí)間和移動(dòng)位置的準(zhǔn)確性要求很高。為了豐富交互的舞蹈動(dòng)作，在教師的引導(dǎo)和啟發(fā)下，學(xué)生想到了 3種轉(zhuǎn)彎的方式，分別是一邊輪子轉(zhuǎn)速快，一邊輪子轉(zhuǎn)速慢，則機(jī)器人以較慢的一邊向內(nèi)旋轉(zhuǎn)；一邊輪子不轉(zhuǎn)，一邊輪子轉(zhuǎn)，則機(jī)器人同樣向不轉(zhuǎn)的一側(cè)以兩個(gè)輪子間的軸距為半徑旋轉(zhuǎn)；一個(gè)輪子正轉(zhuǎn)，一個(gè)輪子反轉(zhuǎn)則是以軸距為直徑旋轉(zhuǎn)，且速度最快。結(jié)合 3種轉(zhuǎn)彎帶來的速度和位置的差異，配合程序讓發(fā)光二極管有規(guī)律地跟隨音樂閃動(dòng)，制造動(dòng)感十足的效果。這樣的構(gòu)思與實(shí)踐極大地激勵(lì)了學(xué)生學(xué)習(xí)、探究科技的興趣。

在FLL工程挑戰(zhàn)賽項(xiàng)目中，教師則以任務(wù)分塊、逐步求精的方式進(jìn)行指導(dǎo)。先要求學(xué)生搭建1輛可以從基地出發(fā)、并用時(shí)間或者軌跡控制的車型機(jī)器人，然后要求該機(jī)器人可以連續(xù)多次借助場(chǎng)地中的輔助線行駛到達(dá)同一個(gè)地方，并能準(zhǔn)確轉(zhuǎn)彎。在這個(gè)過程中，學(xué)生需要不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)搭建，在反復(fù)嘗試和改進(jìn)中，不同學(xué)生可以創(chuàng)作出不同的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)車型。經(jīng)過仔細(xì)觀察和反復(fù)實(shí)踐，再加上圖形化的編程，降低了學(xué)生編寫和修改參數(shù)的難度。學(xué)生克服了對(duì)程序設(shè)計(jì)的恐懼，提升了對(duì)學(xué)習(xí)的興趣。

3 讓機(jī)器人活動(dòng)走進(jìn)課堂，為學(xué)生綜合發(fā)展提供更廣闊的平臺(tái)

過去，機(jī)器人活動(dòng)的開展都是輔導(dǎo)教師精心選拔具有較強(qiáng)動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新能力的學(xué)生，在每周固定的興趣組活動(dòng)時(shí)間完成一些任務(wù)和設(shè)計(jì)。隨著機(jī)器人活動(dòng)的日趨成熟，將下一個(gè)發(fā)展目標(biāo)定位在課堂教學(xué)，不僅能讓更多學(xué)生掌握機(jī)械、計(jì)算機(jī)、工程學(xué)等新知識(shí)，還能為相關(guān)領(lǐng)域特長(zhǎng)生的培養(yǎng)提供平臺(tái)。

實(shí)施課堂教學(xué)后，學(xué)生能夠更系統(tǒng)地了解機(jī)器人設(shè)計(jì)的搭建和程序以及后期調(diào)試的諸多步驟，使所學(xué)內(nèi)容更加條理化。例如，在中低年級(jí)的雙語班，我們結(jié)合樂高器材的“簡(jiǎn)單機(jī)械”套裝，開設(shè)了“輪軸”、“齒輪”、“杠桿”、“滑輪”4部分的教學(xué)內(nèi)容。這些內(nèi)容都屬于智能機(jī)器人的前期階段，學(xué)生雖然不能像正式比賽一樣用程序進(jìn)行獨(dú)立控制，但可以利用手中的器材和所學(xué)的簡(jiǎn)單原理發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)造力。

在每個(gè)單元的教學(xué)安排上，教師都預(yù)先圍繞知識(shí)技能的重點(diǎn)與難點(diǎn)設(shè)定一些任務(wù)來引導(dǎo)學(xué)生理解和加深記憶。例如，在介紹輪子的由來時(shí)，教師先展示古人用滾動(dòng)的木頭來移動(dòng)笨重的石料搭建金字塔的圖片，使大家了解滾輪可以減少石頭和地面的摩擦，節(jié)省力氣，然后鼓勵(lì)學(xué)生利用手中的小輪子進(jìn)行模仿。有的學(xué)生領(lǐng)會(huì)得很快，把幾個(gè)輪子縱向排列，并用軸固定在兩個(gè)長(zhǎng)梁上，形成了今天生活中類似傳送帶的裝置。在學(xué)生完成規(guī)定任務(wù)之后，教師引導(dǎo)大家復(fù)述其中的原理，及時(shí)對(duì)知識(shí)進(jìn)行鞏固。對(duì)于低年級(jí)學(xué)生來說，這樣的一節(jié)課所學(xué)到的不僅僅是簡(jiǎn)單的機(jī)械常識(shí)，而是培養(yǎng)了觀察、實(shí)驗(yàn)、表達(dá)、動(dòng)手等綜合能力。

4 結(jié) 語

綜上所述，在國(guó)內(nèi)外機(jī)器人項(xiàng)目蓬勃發(fā)展的時(shí)期，信息技術(shù)教師或科學(xué)教師更應(yīng)該走在信息的最前沿，做教學(xué)路上的有心人，這樣才能和學(xué)生一起步入更廣闊的發(fā)展空間，幫助每一位學(xué)生追尋、實(shí)現(xiàn)自己的夢(mèng)想?！?/p>

［1］張樵.關(guān)于機(jī)器人教育與學(xué)生自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)的思考[J].科技信息，2007(28)：45.

［2］黃修峰.在機(jī)器人教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力[J].中國(guó)信息技術(shù)教育，2014(14)：65.

［3］楊豐秋.機(jī)器人教學(xué)中的點(diǎn)滴記錄與思考[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2015(1)：42-45.