创新时代的机器人教学实践与思考

王立春

人类发展史，实际上就是一个长期的、不断创新的发展过程，创新已经遍布人类的方方面面。近几十年来，随着信息技术、物联网、“信息物理系统”等新技术、新标准的高速发展与推进，其在各领域的新应用越来越受到人们的重视和关注，技术创新对人类的生产生活有决定性意义。创新是指人为了一定的目的，遵循事物发展的规律，对事物的整体或其中的某些部分进行变革，从而使其得以更新与发展的活动。当前，中国已经进入“大众创业、万众创新”的新时代。创新时代需要有创新人才，创新人才的形成与培养，无疑是教育面临的重要问题之一。

教育本来就是要使学习者不断适应时代的变化，立足当前，面向未来。教育的最高目标是要使人们能够达到自我实现和过负责任的生活。创新教育就是中小学教育中必然的一部分。创新教育应当培养学生具有一定的创新意识、创新思维、创新能力。使学生在牢固、系统地掌握学科知识的同时，具有勇于实践的意识和精神，有综合运用已有知识解决新问题的能力，进而发展他们的创新能力。

对于创新能力的培养和发展，环境是人的创新能力提高的重要条件，环境优劣影响着个体创新能力发展的速度和水平；实践是人的创新能力形成的唯一途径。因而，要发展学生的创新能力，还需要给学生提供合适的环境和平台。这个平台应当具有一些特征：适应时代发展和学生兴趣；具有较强的综合性；具有基础知识学习的价值；有学生创意发展的空间。

随着近几十年来计算机技术的飞速发展，以自动控制为核心的智能机器人，正在人们日常生活中得到广泛的应用与发展。一方面是技术未来发展的趋势，另一方面也是引导学生学科学、爱科学、用科学，启发心智和思维，提高综合实践能力、动手能力、创新精神和意识的综合学习平台。为使这个平台充分发挥其教育价值，我们在区级层面采用的做法主要如下。

创新教师的“机器人”的培训内容和方法

机器人作为一个优秀的综合教育平台，尽管在中小学已经得到了很大发展，但整体还不能做到面向“大众”的教育。其原因大致有：课程定位和教育理念；教学组织和成本；教师的教学理念和模式；机器人的核心控制技术等。

针对上述问题，我区自行开发了一个机器人开放的平台，并对教师进行培训，力图从机器人涉及的多环节进行学习，并进行教学方法的熏陶。大体经历了以下环节。

1.焊接主板和输入输出板

本系统控制部分采用分立的几个模块，循序渐进，易于学习者分别学习，不至于一下子掉入“黑箱”中。在设计电路板时，采用双列直插元件，学习者可以自己进行焊接，在焊接过程中，认识电子元件，了解单片机系统构成，了解各模块组成，练习焊接技术，稍加指导，焊接成功率达到100%。目的是使老师们了解电子技术常识，因为这是机器人组成的一部分。主要焊接的电路板见图1。

本主板上的单片机采用的是AT89S52，该单片机系统成熟、价格低，教材较多，作为中学生的学习已经完全够用，未来作为学生开发一些控制系统，也基本可以。

2.嵌入式C语言程序设计学习

应用于教学的时候可以采用两种方式。

方式一：见图1，可以进行C语言程序设计的初步学习，包括计算机中的位、字节等，程序设计的基本概念和程序设计的三种结构，把按钮和拨码开关作为输入信号，把LED显示、数码管显示和蜂鸣器等作为输出设备，可以感悟计算机对物理信息的采集、处理和输出的全过程，可以认识当前应用技术上作为LED灯和数码管显示的原理和处理方式，也为后一步车体的运动打下基础。

方式二：见图2，包括了单片机系统、稳压电源、机器人车体、直流电机、直流电机控制板、声音传感器、红外传感器、光电传感器等部分。可以进行机器人整个过程的学习，体验物理信息采集、处理、加工全过程；学习软、硬件协调对机器行为的控制；学习者自己练习组装机器人系统，还可以自己设计底板、车轮等结构部分，与主板等电路组合，为其设计自己需要的控制系统留有充分的空间。

编程软件使用Keil，下载软件使用AVR fighter或者Progisp，这是社会上实际开发单片机系统使用的工具软件。使用本软件可以使学习者更接近当前社会上的实际应用，感兴趣的学生可以直接开发产品。

主板上单片机系统32个端口的开放以及与实际应用的开发软件相结合，给学习者提供更大的自由发展空间。车体结构可以自行设计加工带来的启发，可以引导学校中的爱好者根据学校条件自己开发，结构设计的不完善，有利于学生问题的产生，为学生将来的创意与制作提供了空间。

3.拓展培训

为更多了解机器人实际应用，又对教师进行了机械结构的拓展学习，如投球装置，机械手装置等见图3。

本系统的整体设计从课堂教学的角度出发，易于教学组织；从学习机器人的综合性出发，在电子、计算机构成、程序设计、结构基本设计与制作为学习者提供了发展空间。

作为对教师的培训，试图使教师更全面、深入地理解机器人。学生的发展需要环境，教师的发展同样也需要适合的环境。教师发展了，学生能更好发展；教师有创新意识、方法和能力，才可能引导学生创新意识和方法的提升。

教师的教学实践

自2013年3月起到现在，我区已经有20余所初中、高中学校，根据《普通高中信息技术课程标准》中程序与设计的要求，以信息技术程序设计为切入点进行以机器人为载体的程序设计教学试验。课程内容主要进行C语言的初步学习。教师们初步编写了实验教材，主要内容有机器人基本常识、C语言入门、程序的三种基本结构、计算机对物理信息的采集及处理、计算机控制技术的基本方法，计划用15课时。

教师们上课后普遍反映：可以完成信息技术课程标准中的程序设计教学的基本要求，还可以学习计算机的一些基本知识；教学易于组织；成本低；学生感悟了计算机控制技术的应用原理；学生上课积极，参与度高；学习方式发生了变化，体现在“玩中学”“做中学”、探究、合作等；对开发校本课程进行学生的创意实践活动提供了一个平台……

在学习活动中，学生们根据自己的想法提出多种有创意的设计，并且实施出来。

1.在学习LED灯的显示变化时，学生提出了很多创意，其效果千变万化。有的学生主动把LED灯和数码管组合起来变化，自觉不自觉就把数制与数制转换问题、编码问题、程序结构应用结合到一起。如有的学生根据LED灯显示的效果（通过按键控制任意变化），将其转化成对应十六进制数值，并在数码管上显示出来（见图4），有的学生把其转换成十进制显示（见图5），在“玩”中学习了进制及转换以及程序设计；有的学生自己就编写“交通信号灯”等程序；有的学生编写“电梯”的运行程序过程，通过按键、LED灯和数码管组合来表示“电梯”上下运行过程，见图6。有的学生用通过按键、LED灯和数码管组合来表示公园“喷泉”的变化过程；有的学生通过现有条件模拟智能地铁交通信号及控制……在一次交流会上，参会的计算机老师们都为学生的创意和编程能力大加赞赏、感叹。同时我们也在考虑：学生有设计、创意，我们应该如何提供更好的实践环境，使学生的设计、创意能充分表达出来，促进学生综合能力的提升。

2.为提高学生的动手能力和实践能力，一些教师还组织学生进行焊接电路板的试验。一位初中信息技术教师组织初一学生焊接主板和输入输出板，见图7。老师第一次做，学生也是第一次做，最后都成功了，学生为自己能实际制作一台“计算机”而兴奋。做完后直接用在课堂教学中。

图7 制作电路板

我们议论学生实践能力不足时，是否也要考虑我们是否给学生提供了适合的学习、实践环境。

3.创意设计。学生学习基本程序设计后，还能有创意地进行一些综合创意活动。如老师用4×8点阵板做点阵编码的练习后，学生就想到了市面上的点阵屏，要制作一个“点阵屏”。由于设计的每个单片机与点阵板需要并行连接，因而一块主板仅能控制一个4×8点阵组。教师指导大家设计了组字方案后，每位学生负责其中一个4×8点阵，最后由专人负责组装在一起并进行统调，完成一个“点阵屏”的制作。结合学校的主题活动，图8是初中学生组的“福”。这其中包含了学生的创意、设计、硬件制作（连接很复杂但学生完成了）、程序设计、协作与合作。

教师除教学中面向多数学生使用车体进行机器人教学外，还组织、指导学生进行机器人拓展实践活动，如利用激光雕刻机使用平面加工的方式组装“机械手系统”，见图9；利用3D打印机和舵机设计并制作出的“机器人”，见图10。

当我们为学生提供合适的平台时，学生的能力往往会超出我们的想象。那么我们提供什么样的创新平台，就是我们教师的任务了。

4.比赛。有的教师在学生学习一个阶段后，自己设计了一些适合学生班级之间机器人比赛的活动项目，如图11是巡线、避障综合应用的巡线机器人活动项目，图12是运球机器人。在运球机器人项目中，仅给学生一周时间，学生应用现有条件，设计并制作了多种“运球”装置，参加比赛活动。

尽管前述学生的作品可能不如现成产品那么成熟、完善、理想，但实际上学生把智能控制的主要技术方法已经基本了解，其成果是学生综合知识运用的成果，是学生创意能力的体现。在这个空间里，学生在发展、提升。按有的老师说法：我们的目的是促进学生的学习。

在中小学进行机器人教学，目的是使学生在活动中学习相关的知识，知道现代智能控制技术的方法，经历发现问题、解决问题的设计、制作、调试等过程，领悟科学实践的方法，养成勇于实践的精神和创新的意识。

我们初步进行了实践，还有很多想法待实践，还会根据学生发展的过程中出现的新问题不断研究开发新的模块，以适应教学需要。

（作者单位：北京教育学院朝阳分院）