乐高机器人教学对高中学生创新思维能力的培养

雷华

摘要：机器人教学已经成为计算机教学领域的新宠，也成为高中生进行信息技术学习与高科技知识积累的乐园。因此，乐高机器人教学在计算机课堂的蓬勃发展，使越来越多的高中生兴高采烈地参与到计算机课堂学习之中，欢欣鼓舞地体验乐高机器人学习的趣味性、新奇性与挑战性，也切实培养了高中生的创新思维能力。

关键词：乐高机器人教学;高中生;创新思维能力

随着科学育人观在高中计算机课堂教学过程中的深度融合发展，教师纷纷引入新理念、新资源、新方法，力求促进高中生计算机认知环境的大力拓展与创新发展。

1    乐高机器人教学的概念简介

乐高机器人教学，是指在计算机课堂教学过程中高中生可以自主设计硬件形状、独立组装硬件结构、合作编写软件程序、协助操控电脑运行、集体优化乐高机器人的硬件结构与软件程序等活动。因此，乐高机器人教学对于高中生的计算机知识基础、信息技术能力、乐高硬件建构能力、控制程序编写能力等诸多知识领域提出了挑战，自然也会推动高中生在积极参与、主动思考、自觉合作、互助成长中积累知识。

2    乐高机器人教学的教学内容

乐高机器人教学的教学内容涵盖硬件建设方面的机械制造知识、电子传感器知识、光学传感器知识以及计算机硬件建设工程，还涵盖软件建设方面的知识，如信息技术知识、程序编写知识以及人工智能知识等诸多高科技知识范畴。乐高机器人教学传承与发扬了STEM教育理念，承载了诸多高科技知识，如物理方面的建构技术、设计技术与创新技术，再如信息技术方面的编程技术、控制技术、自动化技术等，因而对于高中生的兼收并蓄、全面发展意义重大。乐高机器人教学的内容具体包括：第一，高中生需要掌握乐高机器人的硬件工程，按照乐高机器人设计图纸制作出各种各样的对应硬件构件，能够满足图纸上的设计需求。第二，高中生需要掌握乐高机器人的软件工程，尤其是各种人工智能自动化控制程序的具体编写、后期改进以及按需设计等知识。第三，高中生需要掌握乐高机器人程序设计的具体要求、控制方法、技术指标等内容，还要掌握乐高机器人程序编写的具体任务、内容预设与修改方案。第四，高中生需要掌握乐高机器人的多种拼装方案以及拓展创新可能，能够实现乐高机器人的外形变化、功能拓展、任务完成与结构创新。第五，高中生需要掌握乐高机器人的日常维护，能够在实践验证中不断积累经验与操控改良，进而开发出更高质量的乐高机器人操控软件。

3    乐高机器人教学的基本特点

3.1乐高机器人教学具有拼装性与可变性

乐高机器人教学，与“乐高玩具”有一定渊源，能够像“乐高玩具”一样自主设计、随意拼装、大胆创新。因此，乐高机器人的外形能够呈现多种变化，具有突出的拼装性与可变性，能够为高中生的知识学习与技能训练提供良好的实践平台。

3.2乐高机器人教学具有探索性与前瞻性

乐高机器人教学立足人工智能、自动化控制、程序编写等高科技元素，因而乐高机器人教学站在时代科技的最前沿，自然具有非常强的探索性、前瞻性以及不确定性。因此，乐高机器人教学能够有效拓展高中生的知识积累、专业视野、编程方法以及创新能力。

3.3乐高机器人教学具有趣味性与体验性

乐高机器人教学的趣味性与体验性是其本质属性与大众属性，因为所有机器人教学课程都具有较高的趣味性与体验性。此外，高中生也能够在乐高机器人教学过程中感受到良好的趣味性、新奇性与主体性，能够在积极参与、主动尝试、大胆实践中体验创新的快乐。

3.4乐高机器人教学具有先进性与挑战性

乐高机器人教學能够为高中生提供多种拼装模式以及拓展可能，在多种多样的外形变化与程序操控中需要大量创新性程序编写活动，因而既具有突出的先进性，也具有较大的挑战性，高中生也可能在大胆创新中体验到失败的痛苦以及技能创新的喜悦。

4    乐高机器人教学与创新思维能力培养的契合性

4.1乐高机器人教学能够催生高中生的创新意识

乐高机器人在硬件设计与外形控制上像“乐高玩具”随意拼装、自主组合、任意创新一样。因此，乐高机器人的外形变化以及硬件组合的有效拓展能够借助自身的拼装性与可变性催生高中生的创新意识，而且还能为高中生提供验证个人拓展意识的实践机会。

4.2乐高机器人教学能够培养高中生的创新能力

乐高机器人拥有人工智能、自动化控制、程序编写等高科技元素，因而能够给予高中生多种多样的实践体验，推动高中生进入大脑兴奋、情绪激昂、心理愉悦的良好认知状态之中，使乐高机器人教学的探索性与前瞻性强化高中生创新能力的培养。

4.3乐高机器人教学催生高中生的创新萌芽

乐高机器人教学能够给予高中生良好的认知体验，使高中生感受到前所未有的趣味性、新奇性与刺激性，自然就会情绪高昂地积极参与、主动尝试、大胆实践，从而加速高中生创新萌芽的形成。

4.4乐高机器人教学能够实现高中生创新习惯的培养

乐高机器人教学能够为高中生提供机器人外形变化的多种拼装模式，也提供了外形变化后的全新功能展示，更提供了创新性程序编写活动，因而能够借助自身的先进性与挑战性启迪高中生大胆拓展、切身实践与技能创新，加速高中生创新习惯的形成。

5    乐高机器人教学对创新思维能力培养的重要作用

5.1乐高机器人教学提供创新性教学氛围

在乐高机器人教学中，高中生需要面对机器人外形的拼装过程、主体构件组合过程、人工智能控制程序的编写过程以及突发问题的解决过程，而每一个活动内容都是前所未有的全新探究过程。因此，乐高机器人教学自然就具有突出的尝试性、探索性、拓展性与创新性的教学氛围，也就是高中生进行知识学习、信息储备、实践探索、能力训练的主体认知成长环境，易于开展创新思维能力培养。

例如，高中生在测试乐高机器人正常行走功能时，机器人能够按照所编程序循规蹈矩地一步一步往前走。然而，机器人在转弯时却意外摔倒了，因而高中生团队就要谨慎面对突如其来的挑战。硬件组的高中生就要从硬件工程角度去审视各个组件的灵活性、协调性、顺畅性，甚至要积极探索组件拆分后的重组可能。而软件组的高中生就要从人工智能的自动化控制程序方面去寻求机器人转弯时的具体数据，重新核算数据的正确性与准确性。如果所有数据均与输入的原始数据完全一致，软件组的高中生就要重新修改与确定机器人转弯时的具体控制信息。因此，整个修改过程充满了创新思维的火花，能够培养高中生的创新思维能力。

5.2乐高机器人教学提供创新性教学活动

在乐高机器人教学中，高中生能够获得多种多样的全新式主体实践活动，而且还是以机器人操控与信息完善为基础的新科技探究活动。整个教学活动过程充满先进性的科技元素，因而具有非常突出的创新性。所以，高中生能够在创新性教学活动中有效激发自身的猎奇心理、求知动机以及探究欲望，能够有效催发高中生的创新思维能力的形成与发展，从而助力高中生核心素养发展。

例如，高中生在测试乐高机器人爬坡能力时发现乐高机器人很容易向后摔倒，于是高中生围聚在一起探究导致这一问题的根本原因。硬件组的高中生首先介绍科学的判断依据，那就是乐高机器人在爬坡时“物理重心靠后，容易产生后仰问题”，因而在爬坡时很容易摔倒。因此，所有团队成员尤其是软件组成员应探究如何降低“物理重心”的有效方法以及程序控制，而且还要探究什么时候开始降低“物理重心”以及什么时候停止降低“物理重心”。因此，高中生的创新思维能力就会围绕现实问题而积极思考，最终获得发展。

5.3乐高机器人教学提供创新性教学资源

在乐高机器人教学中，高中生获得的教学资源与探究对象均是与乐高机器人息息相关的各项信息，具有非常高的先进性、拓展性与创新性。因此，高中生在创新性教学资源的感召下，自然也会欢欣鼓舞地利用个人的创新思维能力去面对、考虑、解决摆在眼前的具体问题，从而使高中生的创新思维能力获得持续不断的实践应用，能够直接促进高中生创新能力的快速发展。

例如，高中生在进行乐高机器人行走实验的过程中，工程遇到操作问题时第一个想法就是先从硬件方面寻找解决方案，切实提升硬件工程与软件工程的契合性与执行性。因为硬件工程出现问题较容易解决，如果立足软件工程去解决问题，难度就非常大。因此，高中生在面对新问题时的习惯处理方法对其创新思维能力培养大有帮助，能够提醒高中生处理问题要深度考虑“轻重缓急”，只有这样才能较好、较快地解决问题。可见，良好的教学资源能够给予高中生大力拓展、实践创新的好机会，也能够给予高中生解决问题方法有效的启迪，非常有助于高中生创新思维能力的科学培养。

5.4乐高机器人教学提供创新性教学方式

在乐高机器人教学中，高中生天天与机器人为伴，设计硬件建构工程，尤其是关节部位的灵活性、坚固性以及多向性，能够保质保量地完成各项动作技术标准，不给软件工程“拖后腿”。因此，高中生的认知方式完全处于主体实践、切身实操、直接感知中，毫无理论说教的痕迹，进而推动教学方式的可喜转变，为高中生创新思维能力培养创设了前所未有的实践过程、探究区间以及互动区域，能够让高中生在亲自动手实践、近距离主体观察、亲密信息交流过程中互助成长。

例如，高中生在测试机器人时，发现机器人下坡的难度比上坡的难度还要大，究其原因主要是机器人由高处向低处行走时具有一定的惯性作用。而且，这种惯性作用由于机器人的物理重心较高而具有放大效果，从而使机器人在下坡时容易失去平衡而向前倾倒。因此，硬件组高中生在机器人的关节处加装了弹簧垫，能够很好地规避惯性作用产生的冲击力与破坏力，从而确保机器人物理重心的平稳降低。可见，硬件组高中生以机器人的行走实践为研究对象，并在实践中主动探究物理层面的问题解决方案，能够创造性地解决问题，有效避免了在人工智能开展程序里面的大量数据核实工作，利用个人的创新思维能力快捷高效地解决问题，也促进了高中生创新思维能力的发展。

5.5乐高机器人教学提供创新性教学过程

在乐高机器人教学中，高中生接触到的所有信息，如机器人的硬件构建、关节维护、重心调控、人工智能程序以及自动化操控程序等，都是具有较高创新性的探究对象。因此，高中生认知过程的创新性与拓展性是乐高机器人教学的固有优势，乐高机器人教学本身就是一个创新元素的几何体，自然就会为高中生提供一个充满创新刺激的认知环境，从而有助于高中生创新思维能力的培养。

例如，乐高机器人在行走过程中需要控制好腿部的位置变换节奏，而且两条腿位置变换的节奏要和谐一致，这样才能确保在行走过程中重心的平稳性，使机器人不会摔跟头。然而，乐高机器人的转弯过程就特别具有挑战性与探究性，内侧的腿要小幅度转弯，而外侧的腿需要幅度稍大地运动。另外，高中生还要控制好外侧腿运动的频率与节奏，要确保稳定性，否则，处于两种运动节奏的两条腿就会失去平衡，导致乐高机器人摔跟头。这样，高中生的创新思维能力就在一次次的问题解决中得到实践化培养。

6    乐高机器人教学实现创新思维能力培养的补充

6.1乐高机器人教学要注意主体性

高中生是乐高机器人教学的接受者与实现者，只有高中生的创新思维能力培养真正实现，乐高机器人教学才能切实成功。因此，教师要注意在乐高机器人教学中积极引导高中生的主体参与、积极互动、友好合作与互助成长，这样才能实现创新思维能力培养效率的提升。

6.2乐高机器人教学要注意实践性

乐高机器人教学最大的亮点之一就是机器人外形的随意拼装与多变拓展，因而只有让高中生真正参与其中，才能切实体现乐高机器人教学的乐趣。因此，教师要在乐高机器人教学中突出高中生的主体地位，在实践中感知，在实践中探索，切实优化高中生创新思维能力培养。

总之，乐高机器人教学是计算机技术、信息技术、编程技术、人工智能技术以及自动化控制技术等先进科学技术的整合平台。乐高机器人教学能够为高中生的知识获取、信息积累、视野拓展、能力训练以及素质发展创设有设计、有实践、有过程、有体验、有效果的生命认知与集群发展平台。因此，教师要立足乐高机器人教学，有效丰富高中生的主体实践、探究体验、活动拓展以及创新发展，扎实有效地刺激高中生的拓展意识与创新意识，助力高中生创新思维能力的逐渐形成与持续发展，切实打造一条科学高效的主体发展之路。

参考文献：

[1]姚懿轩.浅析乐高机器人对高中生信息素养培养的意义[J].电子世界，2018（03）：62-64.

[2]周荻阳.乐高机器人对高中生信息素养的意义[J].数码设计，2017（16）：134.

基金项目：

本文系2019年度甘肅省教育科学“十三五”规划课题“乐高机器人教学对学生创新思维能力培养的研究”（课题立项号：GS[2019]GHB1214）的结题论文。