浅谈中学智能机器人的教与学

陈敏华

机器人学科是一个涵盖知识面很广的交叉学科．机器人是集机械、电路、程序为一体的自动控制的典型代表，它既包含软件编程又包含有硬件开发，机器人是一个培养学生全面素质和综合解决问题能力的非常好的教学工具．近几年来，机器人的教学也逐渐从大学课堂走入了中小学生的课堂中．中小学生研制的机器人虽然简单，但是集合了计算机、声、光、电等多种技术，可以让学生全面接触传感器、计算机软硬件、人工智能、自动控制等高新科技知识．机器人的教学，除了教会学生知识外，也培养了学生的综合思考能力、动手能力、创造能力和团队合作精神、进取精神．从2003年起，我校开展了机器人的教学，笔者执教五年，通过探索和实践，总结了以下几点经验．

一、搭建入门

从学生的学习生理心理过程看，只有学生有较高的学习兴趣，积极主动地学习，方能获得较高的学习效率．机器人的教学不能急于求成，而要善于引趣，笔者主要采用的是搭建入门的方法．大部分的学生在儿童时期都玩过各种积木和电玩，针对学生的这些特点，在开始让学生接触机器人时，笔者先让学生和小时候玩积木的游戏相联系，充分发挥学生的想像力，搭建一些类似于小车、房子等的积木玩具，或是一些学生认为好玩的东西．这时教学的重点在于训练学生的创新性，鼓励学生多想、多动手搭建．在机器人的教学中，不要急于一开始就教授机器人的知识，而是让学生多动手、多玩，这样的过程，学生们觉得太好玩了，从而大大地激发了兴趣．如果学生具有了浓厚的兴趣，必将使智力的开发成为一种自然，当探索变成一种乐趣，就会变被动地接受知识为主动地寻觅知识．

二、结构设计及搭建

结构搭建是整个机器人制作的关键，好的形体，再配上好的程序，才能有好的机器人．而机器人的搭建是工程学的一部分，涉及的内容很多，如杠杆、齿轮配比、轮子和轮轴、梁、摩擦力、重心等．当孩子们在前_段时间搭建的作品都摆上了展览区后，笔者再针对他们所搭建的作品引导他们想像怎么让作品动起来．比如说有学生搭建了一辆小车，我就会引导他们思考，如果让小车动起来，哪些地方应该是可以活动的？如果有两个马达，将连接在小车的哪个部位?由此引出齿轮的知识．有的学生搭建一个风车，笔者就引导他们思考怎么让风车的扇叶动起来，动力怎么传递？怎么使快速旋转的马达变成慢速转动的风扇?这样就可以把齿轮配比的问题解释清楚了．通过这样的方法，逐步把一些简单的杠杆、齿轮、摩擦力、重心的知识在实践中教给学生，学生们通过反复的搭—拆—搭的过程，渐渐熟悉、掌握这些知识．前期的搭建入门让学生对机器人的基础知识产生兴趣，结构设计及搭建过程让学生维持甚至提高这种学习兴趣，学习的效果非常显著，学生们很快体会到重心、齿轮等对于机器人行动的重要性，也渐渐能独立的搭建一些动作简单的机器人．

三、程序编制

简单的机器人搭建好了，怎么知道机器人能不能动，是否会按照我们想像的进行动作呢?如果这时教师还是停留在搭建的教学上，那么学生的兴趣会渐渐的淡薄，他们会因为感觉不到机器人动而把机器人归结为小时候玩的玩具而失去了学习的兴趣．在这时适当地让学生接触到编程的知识，是引导他们继续学习的关键．、比如，在教学中，笔者会让学生思考，如果让机器人前进一段距离再左转弯，对于机器人来说，哪些结构是需要运动的?然后利用编程软件，根据学生的思维编写机器人程序，再下载到他们搭建的机器人中．这时，学生很直观的看到机器人按照他们所设想的路线动了起来．他们的兴趣再次被激发起来．在这里我们要让学生知道，机器人的结构模块、传感器、接口等硬件只是“骨骼”，操作系统和驱动程序才是它的“灵魂”，是它的“大脑”和神经中枢，正是在这个“灵魂”的指挥下，机器人才有了多姿多彩的动作表现．同样的条件，同样的机器人，用不同的编程思路，会获得完全不一样的“灵魂”．这时教学的作用只是引导学生的思维，编程和调试让学生自主地去思考和设想．一堂机器人编程的教学课，不再像学习高级语言那样的枯燥、沉闷，而是在学生的合作、讨论中变得轻松活泼．学生们在学习过程中知道了什么是程序，什么叫循环，什么叫重复，计算机程序是如何工作的，如何编一个让机器人听话的程序等。

四、任务驱动

会搭建机器人和编写机器人程序只是一个开始，如何培养学生的发散性思维和创造力?在教学中_．我们给学生一些任务，让他们在完成任务的过程中，、培养他们发现问题、解决问题的能力．笔者在教学中会将一些竞赛的内容布置给学生，让他们解决在完成任务过程中出现的问题；并独立搭建机器人．比如在完成FLL工程挑战的任务时，机器人编好程序后却不按照黑线进行行走，学生反复检查程序也没有发现错误，究竟是什么问题?笔者让学生与同伴讨论，他们经过多次的将机器人的结构和程序进行比对，发现如果机器人沿黑线向左转，则编程中的A、C马达线必须一致，如果向右转，同样的程序，就需要更换两个马达线．在教学中，经过这样的发散性思维的训练，学生们的能力大大提高，在比赛时，如果机器人出现意外，一般都能够尽快地通过其他方案来解决问题．

机器人是信息技术发展的前沿领域，是一门有高度综合渗透性、前瞻未来性、创新实践性的学科．学生在实施智能机器人项目的自主体验过程中，可以充分培养动手能力、创造能力。综合能力和协作能力等科技探索能力．对中学生进行智能机器人的教学，我们正在摸索与探索之中，目前教材、器材配备、活动组织等相关方面还没有跟上教学形式，如何将智能机器人的教学普及到课堂教学中，培养出更多具有综合素质和良好信息素质的现代化人才，是智能机器人教学应该思考的又一问题。