樂高機器人教學(xué)對高中學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)

雷華

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

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

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

1 ? ?樂高機器人教學(xué)的概念簡介

樂高機器人教學(xué)，是指在計算機課堂教學(xué)過程中高中生可以自主設(shè)計硬件形狀、獨立組裝硬件結(jié)構(gòu)、合作編寫軟件程序、協(xié)助操控電腦運行、集體優(yōu)化樂高機器人的硬件結(jié)構(gòu)與軟件程序等活動。因此，樂高機器人教學(xué)對于高中生的計算機知識基礎(chǔ)、信息技術(shù)能力、樂高硬件建構(gòu)能力、控制程序編寫能力等諸多知識領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)，自然也會推動高中生在積極參與、主動思考、自覺合作、互助成長中積累知識。

2 ? ?樂高機器人教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容

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

3 ? ?樂高機器人教學(xué)的基本特點

3.1樂高機器人教學(xué)具有拼裝性與可變性

樂高機器人教學(xué)，與“樂高玩具”有一定淵源，能夠像“樂高玩具”一樣自主設(shè)計、隨意拼裝、大膽創(chuàng)新。因此，樂高機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，能夠為高中生的知識學(xué)習(xí)與技能訓(xùn)練提供良好的實踐平臺。

3.2樂高機器人教學(xué)具有探索性與前瞻性

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

3.3樂高機器人教學(xué)具有趣味性與體驗性

樂高機器人教學(xué)的趣味性與體驗性是其本質(zhì)屬性與大眾屬性，因為所有機器人教學(xué)課程都具有較高的趣味性與體驗性。此外，高中生也能夠在樂高機器人教學(xué)過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、主動嘗試、大膽實踐中體驗創(chuàng)新的快樂。

3.4樂高機器人教學(xué)具有先進性與挑戰(zhàn)性

樂高機器人教學(xué)能夠為高中生提供多種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，因而既具有突出的先進性，也具有較大的挑戰(zhàn)性，高中生也可能在大膽創(chuàng)新中體驗到失敗的痛苦以及技能創(chuàng)新的喜悅。

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

4.1樂高機器人教學(xué)能夠催生高中生的創(chuàng)新意識

樂高機器人在硬件設(shè)計與外形控制上像“樂高玩具”隨意拼裝、自主組合、任意創(chuàng)新一樣。因此，樂高機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，而且還能為高中生提供驗證個人拓展意識的實踐機會。

4.2樂高機器人教學(xué)能夠培養(yǎng)高中生的創(chuàng)新能力

樂高機器人擁有人工智能、自動化控制、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踐體驗，推動高中生進入大腦興奮、情緒激昂、心理愉悅的良好認知狀態(tài)之中，使樂高機器人教學(xué)的探索性與前瞻性強化高中生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

4.3樂高機器人教學(xué)催生高中生的創(chuàng)新萌芽

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

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

樂高機器人教學(xué)能夠為高中生提供機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，因而能夠借助自身的先進性與挑戰(zhàn)性啟迪高中生大膽拓展、切身實踐與技能創(chuàng)新，加速高中生創(chuàng)新習(xí)慣的形成。

5 ? ?樂高機器人教學(xué)對創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的重要作用

5.1樂高機器人教學(xué)提供創(chuàng)新性教學(xué)氛圍

在樂高機器人教學(xué)中，高中生需要面對機器人外形的拼裝過程、主體構(gòu)件組合過程、人工智能控制程序的編寫過程以及突發(fā)問題的解決過程，而每一個活動內(nèi)容都是前所未有的全新探究過程。因此，樂高機器人教學(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，也就是高中生進行知識學(xué)習(xí)、信息儲備、實踐探索、能力訓(xùn)練的主體認知成長環(huán)境，易于開展創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)。

例如，高中生在測試樂高機器人正常行走功能時，機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，機器人在轉(zhuǎn)彎時卻意外摔倒了，因而高中生團隊就要謹慎面對突如其來的挑戰(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化控制程序方面去尋求機器人轉(zhuǎn)彎時的具體數(shù)據(jù)，重新核算數(shù)據(jù)的正確性與準確性。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器人轉(zhuǎn)彎時的具體控制信息。因此，整個修改過程充滿了創(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樂高機器人教學(xué)提供創(chuàng)新性教學(xué)活動

在樂高機器人教學(xué)中，高中生能夠獲得多種多樣的全新式主體實踐活動，而且還是以機器人操控與信息完善為基礎(chǔ)的新科技探究活動。整個教學(xué)活動過程充滿先進性的科技元素，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)活動中有效激發(fā)自身的獵奇心理、求知動機以及探究欲望，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，高中生在測試樂高機器人爬坡能力時發(fā)現(xiàn)樂高機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)，那就是樂高機器人在爬坡時“物理重心靠后，容易產(chǎn)生后仰問題”，因而在爬坡時很容易摔倒。因此，所有團隊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候開始降低“物理重心”以及什么時候停止降低“物理重心”。因此，高中生的創(chuàng)新思維能力就會圍繞現(xiàn)實問題而積極思考，最終獲得發(fā)展。

5.3樂高機器人教學(xué)提供創(chuàng)新性教學(xué)資源

在樂高機器人教學(xué)中，高中生獲得的教學(xué)資源與探究對象均是與樂高機器人息息相關(guān)的各項信息，具有非常高的先進性、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，自然也會歡欣鼓舞地利用個人的創(chuàng)新思維能力去面對、考慮、解決擺在眼前的具體問題，從而使高中生的創(chuàng)新思維能力獲得持續(xù)不斷的實踐應(yīng)用，能夠直接促進高中生創(chuàng)新能力的快速發(fā)展。

例如，高中生在進行樂高機器人行走實驗的過程中，工程遇到操作問題時第一個想法就是先從硬件方面尋找解決方案，切實提升硬件工程與軟件工程的契合性與執(zhí)行性。因為硬件工程出現(xiàn)問題較容易解決，如果立足軟件工程去解決問題，難度就非常大。因此，高中生在面對新問題時的習(xí)慣處理方法對其創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)大有幫助，能夠提醒高中生處理問題要深度考慮“輕重緩急”，只有這樣才能較好、較快地解決問題?？梢姡己玫慕虒W(xué)資源能夠給予高中生大力拓展、實踐創(chuàng)新的好機會，也能夠給予高中生解決問題方法有效的啟迪，非常有助于高中生創(chuàng)新思維能力的科學(xué)培養(yǎng)。

5.4樂高機器人教學(xué)提供創(chuàng)新性教學(xué)方式

在樂高機器人教學(xué)中，高中生天天與機器人為伴，設(shè)計硬件建構(gòu)工程，尤其是關(guān)節(jié)部位的靈活性、堅固性以及多向性，能夠保質(zhì)保量地完成各項動作技術(shù)標準，不給軟件工程“拖后腿”。因此，高中生的認知方式完全處于主體實踐、切身實操、直接感知中，毫無理論說教的痕跡，進而推動教學(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)了前所未有的實踐過程、探究區(qū)間以及互動區(qū)域，能夠讓高中生在親自動手實踐、近距離主體觀察、親密信息交流過程中互助成長。

例如，高中生在測試機器人時，發(fā)現(xiàn)機器人下坡的難度比上坡的難度還要大，究其原因主要是機器人由高處向低處行走時具有一定的慣性作用。而且，這種慣性作用由于機器人的物理重心較高而具有放大效果，從而使機器人在下坡時容易失去平衡而向前傾倒。因此，硬件組高中生在機器人的關(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，從而確保機器人物理重心的平穩(wěn)降低?？梢?，硬件組高中生以機器人的行走實踐為研究對象，并在實踐中主動探究物理層面的問題解決方案，能夠創(chuàng)造性地解決問題，有效避免了在人工智能開展程序里面的大量數(shù)據(jù)核實工作，利用個人的創(chuàng)新思維能力快捷高效地解決問題，也促進了高中生創(chuàng)新思維能力的發(fā)展。

5.5樂高機器人教學(xué)提供創(chuàng)新性教學(xué)過程

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

例如，樂高機器人在行走過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程中重心的平穩(wěn)性，使機器人不會摔跟頭。然而，樂高機器人的轉(zhuǎn)彎過程就特別具有挑戰(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動。另外，高中生還要控制好外側(cè)腿運動的頻率與節(jié)奏，要確保穩(wěn)定性，否則，處于兩種運動節(jié)奏的兩條腿就會失去平衡，導(dǎo)致樂高機器人摔跟頭。這樣，高中生的創(chuàng)新思維能力就在一次次的問題解決中得到實踐化培養(yǎng)。

6 ? ?樂高機器人教學(xué)實現(xiàn)創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的補充

6.1樂高機器人教學(xué)要注意主體性

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

6.2樂高機器人教學(xué)要注意實踐性

樂高機器人教學(xué)最大的亮點之一就是機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，才能切實體現(xiàn)樂高機器人教學(xué)的樂趣。因此，教師要在樂高機器人教學(xué)中突出高中生的主體地位，在實踐中感知，在實踐中探索，切實優(yōu)化高中生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)。

總之，樂高機器人教學(xué)是計算機技術(shù)、信息技術(shù)、編程技術(shù)、人工智能技術(shù)以及自動化控制技術(shù)等先進科學(xué)技術(shù)的整合平臺。樂高機器人教學(xué)能夠為高中生的知識獲取、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、有實踐、有過程、有體驗、有效果的生命認知與集群發(fā)展平臺。因此，教師要立足樂高機器人教學(xué)，有效豐富高中生的主體實踐、探究體驗、活動拓展以及創(chuàng)新發(fā)展，扎實有效地刺激高中生的拓展意識與創(chuàng)新意識，助力高中生創(chuàng)新思維能力的逐漸形成與持續(xù)發(fā)展，切實打造一條科學(xué)高效的主體發(fā)展之路。

參考文獻：

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

[2]周荻陽.樂高機器人對高中生信息素養(yǎng)的意義[J].數(shù)碼設(shè)計，2017（16）：134.

基金項目：

本文系2019年度甘肅省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“樂高機器人教學(xué)對學(xué)生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的研究”（課題立項號：GS[2019]GHB1214）的結(jié)題論文。