项目教学在机器人研究性学习中的应用

【摘 要】相对于传统的教学方法来说，项目教学法更加注重学习的过程，在实践中理解知识掌握技能，体验创新的艰辛与乐趣，培养分析问题和解决问题的能力及团队协调和合作能力。本文以项目教学开展的过程为主线，阐述项目教学在机器人研究性学习中的应用策略。

【关键词】机器人教学;研究性学习;项目教学

【中图分类号】G633.67 【文献标识码】A 【文章编号】1005-6009（2015）22-0066-02

【作者简介】梁宏，江苏省句容高级中学（江苏句容，212400）教师。

我校的机器人研究性学习采用了项目教学法。项目教学强调以学生为主体，以教师为主导，以实际为背景，以项目为媒介，通过项目实施与目标的达成提高学生的综合能力，其本质特征是培养学生的创造性，突出学生学习的主体性，教学内容的综合性、真实性和挑战性。这些无疑与机器人研究性学习的目标、特征相契合，而且高中阶段学生心理水平发展到一定阶段，也积累了一定的理论知识与操作技能，为项目教学的开展奠定了基础。

一、项目主题的确立

1.集思广益阶段。

项目主题的确立在每学期的开学第一个月完成，教师通过多种渠道，广泛发动和鼓励学生以个人或是小组为单位申报。项目主题不限，可以是校园内的教学设备、水、电、灯、门，路上的车、信号灯，家里的各种电器设备等等。通过分析研究，提出改进意见，也可以提出全新的设想。把设想形成简要的书面说明，通过学校论坛公开发帖的方式，公布项目的具体设想、思路、过程，鼓励其他学生跟帖完善，教师作为管理员可以参与审核，根据回帖的热度予以排名。

通过此过程，可以锻炼学生的思维扩散性，也可以锻炼学生思维的条理性。事实证明，很多优秀的创意设想都是在此阶段形成的，比如，近两年学生就提出了对学校湖水质量检测，校内路灯的节能改造设计，等等。

2.精选阶段。

教师对所有收集到的创意项目进行可行性分析，此过程在第一阶段结束后一周完成，实际上此步与第一阶段可以同步进行，充分发挥论坛讨论的优越性。每一个项目都应给予回复，对于不可行的项目应明确指出其不可行的原因，比如成本、实现周期、现有技术条件等等，通过该阶段可以筛选出十个左右的创意项目并在论坛上进行公示。

二、项目小组的成立与项目方案设计

根据精选的项目，学生通过自由选择，形成项目攻关小组。教师在这个阶段要综合考虑各方因素，合理配备各个项目小组的人员配置，一般每个教师可以同时负责4个小组，每个小组的学生控制在10个左右。小组长由组员推选产生。

小组成员共同完成方案的设计，包括项目预计达成目标、周期、预计成本、活动时间的确定、人员的分工、项目进度与各阶段具体活动内容的安排，以及对于项目实施过程中可能存在的问题的预设，项目最终成果的发布、展示或者是参赛安排。由于我们主要是围绕机器人创新教育课程基地展开的教学，所以在第一阶段宣传及选题时就指向性地引导学生尽量采用机器人相关器材来完成创意项目，例如目前我们普遍采用的arduino实验器材，每个项目小组的总成本要求控制在300元以内，同时学校的课程基地内提供有各种金木电加工工具，鼓励学生自己动手加工从而降低成本，对于一些有危险的大型加工设备可以画出草图后寻求指导教师帮助。

三、项目的具体实施

首先，明确项目小组组长制。组长负责平时活动的组员召集、组员分工及协调，有权根据项目过程中组员的表现，对组员进行调整。其次，提倡协作互助。我们要求课题小组每周在论坛相应板块中发布项目的进展情况，具体就是作品的制作过程要有记录，在制作过程中遇到的问题、解决的方法、想法、下一步的打算等等都可以写出来供大家共同讨论。通过论坛讨论的方式，很多的问题学生之间有问有答就解决了。再次，教师要做好技术支持。高中生的视野及动手能力毕竟有限，好多想法在实施时会遇到技术性障碍，由于时间有限不可能什么都从头学起，这就要求小组带队教师提供充足的技术辅导，教师不光要有所精通更要什么都懂一些，这样才能帮助学生从更多的方面、换个方向来解决问题。高中学生对于计算机编程接触得并不多，使用arduino控制器制作作品时很多程序的编写涉及复杂的代码，因此我们特意在论坛上设立专栏提供arduino基础教程和相关例程。对于大型的加工工具，比如转铣床、激光雕刻机、3D打印机等，考虑到安全性目前我们是不提供给学生直接使用的，学生可以提供草图或模型由教师帮助加工。

项目小组完成作品的过程，是学生学以致用的过程，是团结协作的过程。这个过程锻炼了学生意志，激发了学生的创造力。对于教师来说，也是教学相长的过程，是自身能力提升的过程。

四、项目作品的成果展示

成果展示对项目活动的总结性评价，同时也是一种师生之间、学生同伴之间共同学习和交流的机会，是学生学会发现自我、欣赏别人的过程。项目成果的有效表达是体现小组学习效率与价值的关键。项目的内容不同，小组活动的过程和方法也有差异，因此项目作品的展示形式由学生自己决定，教师在展示中不过多地干预、预设。

学生成果还可以申请专利，参加创新大赛等各种比赛，通过这些后续的工作可以让学生的成果得到更高层次的认可与宣传，从而激发学生的成就感，调动起更多学生的积极性。

五、项目总结与资源生成

课题小组完成项目作品实施中的创新实践性为学生的主动探究、自主参与和师生合作探求新知识提供了广阔的空间。学生在项目作品的制作中所获取的信息、采用的方法策略、得到的体验和取得的成果，对于本人和他人，对于以后的各届学生，都具有宝贵的启示、借鉴作用。通过总结，将这些资料积累起来，成为广大师生能够共享并能加以利用的学习资源，是学校课题小组完成具体项目作品带动高中生创新教育建设的重要方面。

六、乐高EV3搭建解魔方机器人结构和程序算法探究

看到学校不少学生平时课余时间很喜欢玩魔方，熟练的学生甚至闭着眼睛也能很快地解出来，我就突发奇想，看能不能用机器人来玩这个游戏，通过搭建物理结构和算法设计完成解魔方，应该很能吸引学生的兴趣，提高学生的动手能力，提升学生编程解决问题思维。

要想实现机器人解魔方，其基本思路是物理结构及机械部分要能对魔方进行翻转、旋转，传感器部分要能对魔方的各个面的颜色进行识别，控制器部分要能够通过算法生成解魔方的步骤并正确驱动机械结构运动。考虑到难度，我打算先指导做一个能够解开三阶魔方的小机器人。

首先考虑到的就是乐高积木，2014年学校科技创新社团的机器人兴趣小组购置了4套乐高EV3的31313系列家庭版套装，拼插式积木部件能很好地培养学生对结构的认识，图形化的编程环境能很好地培养学生的程序设计理念。通过上网查阅发现的确有使用乐高积木实现解魔方的成功案例，在前人的基础上改进可以大大地减少自己摸索的时间。

经过比较，最终采用的是Mindcuber网站上的方案（http：//mindcuber.com/mindcub3r/mindcub3r.html）。分成四个步骤：底盘转动结构，颜色扫描结构，魔方翻转结构，搭建完成。搭建时要尽量做到严丝合缝，活动部分要能流畅运动，否则后期的调整通过程序来修正就很麻烦。还需注意：（1）编程软件里要加载Mindcuber里提供的优化过的颜色传感器RGB模块，否则加载程序到主模块的时候会报错。（2）主控器固件升级到最新EV3 Firmware V1.06E版本。（3）搭建的时候，有几个转轴连接件不够，可以酌情考虑由其他部件代替。