理论联系实际 提升学生动手能力

高文宇

时代在进步，科技在进步，而我们的教育在推进科技进步中应当起到基石的作用。当下人工智能正处在科技的前沿，我们的基础教育阶段也在大力推进人工智能的教育。作为基础教育中的重要学科，物理在其中扮演着重要的作用。

笔者认为当下基础教育阶段的人工智能教育主要是各种机器人项目的开展。其中比较流行的机器人种类，例如小学、初中阶段的乐高系列机器人、VEX IQ系列机器人、WER能力风暴系列机器人;初高中提高型的机器人，例如FTC，VEX EDR等金属机器人。

而我们目前开展的机器人教学主要分为编程和结构两个方面。简单来说编程就是如何用我们编制好的程序控制机器人完成指定任务，基础教育阶段教学编程基本上以可视化编程为主，例如scratch、乐高的EV3或者wedo教程、wer的vjc等，都是图形界面的编程。我们控制机器人小车巡线或者避障，其结构主要是指我们用不同的机械结构来完成不同的机械任务，所以机械结构是目前机器人教学的重点和难点。也是我们生产和生活中各种应用的重点。

众所周知，物理学科是科学的基石，是推动社会进步的重要学科，而且在人工智能领域中有着重要的作用。首先各种各样的传感器都属于物理学研究范围，例如灰度传感器、红外传感器、颜色传感器等，而機械结构的研究和应用也属于物理学。例如舵机的使用、马达的使用、齿轮的传动等都是机器人项目开展的重要方面。但在基础教育阶段，学生普遍的学习方式是老师教、学生做，用刷题和考试来解决问题。这就导致学生普遍动手能力薄弱，以至于在生活中解决问题的能力也不强。而目前开展的机器人教学就给了我们一个新的方向，新的突破口，我们完全可以用理论联系实际，提升学生的动手能力。

例如，我们去年在乌镇的比赛BLASTGAME项目之一——投球，就是把小球投射的足够远。那么问题来了，我们用什么样的结构来完成投射，什么样的结构可以把球投的更远呢。这就是我们可以理论联系实际的一种机会。

方法一：我们接触过的传统的投射装置有弹簧结构，就好像我们超市里放的游戏机那种弹簧弹珠一样。但是我们选用的比赛器材乐高没有弹簧这种器材，所以这是我们首先舍弃的一种方案。

方法二：弹弓原理。我们做一个类似弹弓的投射装置，用橡皮筋做动力源，把橡皮筋的弹性势能转化成动能，获得弹射小球的初速度，来完成抛投。这时能发现抛射距离受限于橡皮筋材料本身，获取的初速度并不是特别大，并且就结构自身而言，我们要在有限的空间里控制投射角度，安装难度大，毕竟橡皮筋能缠绕的圈数要越多越好。虽然能完成抛投动作，但是距离不够远，所以只能作为备选方案之一。

方法三：利用偏心轮上安装驱动轴，我们在偏心轮上安装驱动轴，利用齿轮传动，能使得偏心轮在旋转过程中带动驱动轴一收一放，类似于炮弹发射装置。但装置受限于器材，马达带动偏心轮转速和偏心轮尺寸大小不足以让驱动轴获得足够大的能量，虽能够发射推动小球抛投，但是投射距离依然很短，所以这个方案也被舍弃了。

方法四：利用摩擦传动。我们都见过洗车机，是两个竖直的旋转装置，汽车经过时高速旋转能带动上面的清洁布自动洗车。这种装置在玩具中也比较常见，例如风火轮小赛车的轨道发射装置就有。所以我们用马达驱动，齿轮转动带动两个橡胶轮转动，两个车轮转动的方向要控制好一个顺时针、一个逆时针，然后让小球从短轨道上滚下来，经过两个橡胶轮中间的空隙的时候，利用摩擦可以使小球获得较大的初速度，尽管这种方案的安装难度比较大，但抛投角度比较好控制，只是受限于电动机马达的输出功率，能获得的初速度仍然有限，所以最终也只是我们的备选方案之一。

方法五：投石机原理，做一个很简单的L型投射装置，水平部分作为底座，竖直部分就是用连接件连载一起的弹性塑料杆子，就像撑杆跳的杆子一样，因为有比较好的弹性，用力弯曲以后释放小球就可以把小球投射出去。但经过试验以后我们发现了几个问题，一个是投射角度的问题，我们根据斜抛运动的知识知道是45°角可以把物体抛的最远，而由于实际生活中的空气阻力等因素，角度可以略大一点。所以我们又做了一个横杆用以控制抛射角。而后出现的第二个问题是这个L型的底座，当我们用力弯曲竖直部分的竖杆时，底座容易翘头，当我们发射时，由于底座对地面产生撞击，能有很大的能量损失，所以我们要求学生在完成抛投发射动作时要压紧底座以避免这种情况。经过实测，我们发现这种方案可以在有限的器材里把小球投的最远，这是我们最终选定参赛的方案。

在上面设计比赛方案的过程中，我们充分利用了器材的所有配件，然后运用我们所学的物理知识，设计了种种机械结构来一个个实践检验成果，通过比对来了解这些方案的优劣。这种有别于传统物理教学的方法，能大大激发学生的学习兴趣，既加强了学生对于理论知识认识的深度，又能增强了学生的动手能力，可以说是动手又动脑，理论联系实际，是充分发挥学生主观能动性的一种方式。

人工智能教育方兴未艾，有很大的发展空间，也有很大的社会需求。我们传统的物理教学要跟上时代的脚步，研究理论结合实际，更好的融合这两门学科，让学生们获取更多的理论知识，提升学生们动手解决问题的能力。希望我们的物理教学能够助推人工智能项目的发展，带给学生更多的助力。