基于LEGO 教学平台的学生创新能力培养模式探索*

2018-05-09潘天红陈山

中国教育技术装备 2018年24期

◆潘天红陈山

1 引言

实践能力培养是新工科建设的一个主要特征，它对培养学生创新能力具有重要的促进作用。法国科学家贝尔纳（诺贝尔奖获得者）曾说过：“学生的创造力没有办法教，必须让他们亲自动手实践，才有机会把自己的创新思想付诸实施。”近年来，习近平总书记在很多场合多次强调“深化教育改革，把增强学生的社会责任感、创新精神、实践能力作为重点任务贯彻到国民教育全过程”。因此，创新能力是国家和区域竞争力第一要素，而实践是整个创新能力培养的主要途径，应通过实践性环节的训练与熏陶，进而提高我国大学生的综合素质。

然而，社会的职业竞争和就业压力迫使高校的大学生不得不把学习的重心放在应付获取各种“实用”证书上，如国家四/六级证书、普通话等级证书、国家计算机等级证书、驾驶证、导游证、雅思/托福证书等。学生准备这些考试会花去大量的时间与精力，从而忽视工程实践能力的培养。即便这其中有一部分人想提高动手能力，以更好地适应社会需求，但由于经费、器材、场地等多种原因，学校也无法提供一个良好的训练平台。

LEGO（乐高）机器人将传统积木与电子技术、控制思想以及计算机科技相结合，要求学生在实践中相互合作、头脑风暴，分享彼此的思想和认识；以项目为导向，要求学生全程参与作品设计；面对设计难点不退缩，增强应对新挑战的信心，从而快乐地学习。LEGO 项目以LEGO 机械零件为载体，以电子积木为核心，进行作品设计与电脑编程，最终完成项目设计，是一种以项目设计为导向，培养创新思维的教育活动。因此，开展LEGO 器材设计和制作，无疑为丰富大学生的科技活动，使学生接触到较为前沿的知识，搭建了很好的成长平台。

2 LEGO 器材的功能和优势

LEGO 平台来自丹麦，至今已经热销世界70 余年。它是一个经典教育产品，通过寓学于乐来培养学生的创造力，将“做中学”和“全人教育，全面发展”作为公司的教育发展理念。LEGO 机械积木为结构类型的部件，种类超过6000 种。LEGO 的模型设计包括建筑、机器人、桥梁、雕塑、航天飞机、火车、汽车、过山车等各方面内容，其优势在于传动、连接部分十分精密，拼接之后的作品吻合度非常高。

LEGO 的电子积木包括智能型主机（Brick 模块）、伺服电机（Servo 模块）与标准传感器（包括光电传感器Light、声音传感器Sound、触动传感器Touch、超声波传感器Ultrasonic 等），如图1 所示。LEGO 的NXT 控制器如同人的大脑；伺服电机则充当人的肌肉，为机器运转提供动力；四种类型的传感器就像人的五官，感知外界信息，并传送回大脑进行信号处理。

图1 LEGO MINDSTORMS NXT 电子积木图

图2 LEGO MINDSTORMS NXT 编程软件

图4 LEGO 的桥梁

图5 左手法则的机器人走迷宫

图6 LEGO 机器人

此外，LEGO 图形化编程软件将程序模块化、集成化，然后以图形的形式呈现，如图2 所示，让学生能够直观形象地理解掌握事件系统的逻辑关系，只要根据实际功能需要改动相关模块的参数，就可以方便简单地实现对机器人的实际编程应用。这对没有任何基础的学生来说，无疑具有较高的亲和性与实用性。

3 LEGO 平台的创新教学

LEGO 创新教学过程是按着4C 理论设计的，4C 主要指Connect（联系）、Construct（建构）、Contemplate（反思）和Continue（延续），是通过学习和应用人工智能技术，使学生感受到科技能给人类生活带来的便利，从而激发学生学习新技术的热情，进而培养学生的创新精神。整个教学可分为三个主要的板块：认识基础构件、图形程序学习、创作作品（如图3 所示）。

图3 LEGO 创新教学流程

第一板块，让学生从基础搭建学起，学会用LEGO 积木搭建出日常生活中常见的一些物体，如单车、小汽车、小动物等。从对直观性的物体模仿性搭建中，学生能接触到结构与设计，初步了解模型中的建筑结构学、力学基础，如接洽、咬合、受力、稳定性等术语，对开拓直观形式逻辑思维有重要作用。如通过搭建桥梁（图4），学生知道如何去形成一个坚固的桥梁结构，并且理解三角形结构是最稳定的，在提高空间结构感、立体分析能力的基础上，熟悉NXT 控制器、传感器的原理及其使用方法。

第二板块至关重要，在学习图形化编程之前，首先要让学生了解流程的含义及其对生产、生活的意义，然后才能讲解NXT 2.0 图形化编程语言中各种图标的用法、各功能模块的信息以及如何连接。指导教师应从案例着手，分析该案例的所需功能，以流程图的形式说明它们的设计特点。

实例：如图5 所示，如何让机器人避障，并从起点走到终点？其实整个行走需要一个参照（墙壁），让机器人知道自己身在何处，边行走边判断。若采用左手法则，即机器人总是沿着左边的墙走，当发现没有墙时就左转，这时出现第一个问题：怎么知道左边是否有墙？可以利用超声传感器装在机器人左边来判断。如果机器人一直沿着左边的墙走，会遇到第二个问题：假使前面同时也出现一面墙时，机器人就会撞墙。这时又需要另一个超声传感器来判断是否撞到前方的墙，如果撞到前方的墙，机器人就右转90°后继续沿墙走。这样整个流程设计就变成：当左边有墙时，机器人直走；无墙时左转90°且直走一格；前方撞墙时，右转90°。

当然，教师在教学时不应一开始就编写如此复杂的程序，而是让学生循序渐进地学习。教学开始，先引导学生熟悉LEGO 机器人的分立动作（即让机器人前进、后退、原地旋转、停止等），然后探讨如何让LEGO 机器人将动作连贯，实现连续运动。

第三板块，创作作品的过程是让学生结合已经学过的各种LEGO 技术搭建复杂的、有创意的机器人，包括教材中提供的高级机器人的模仿搭建、学生自己设计制作的机器人和参加比赛的机器人。

如图6 所示的Lego 人形机器人，有利于学生发挥想象力，利用积木去形成一个人形机械结构，再嵌入相应的传感器与伺服电机。在此基础上，利用超声传感器测距，感应障碍物的位置；利用光线传感器辨识物体的颜色和亮度；利用声音传感器感受声音的强弱；等等。组合不同的传感器，借助于程序设计实现不同的效果，进而激发学生的创造思维与潜能，增强学生解决问题、分析问题的能力，提高他们的数理逻辑思维水平。