創(chuàng)新時代的機器人教學(xué)實踐與思考

1、創(chuàng)新時代的機器人教學(xué)實踐與思考人類發(fā)展史，實際上就是一個長期的、不斷創(chuàng)新的發(fā)展過程，創(chuàng) 新已經(jīng)遍布人類的方方面面。近幾十年來，隨著信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、 “信息物理系統(tǒng)”等新技術(shù)、新標準的高速發(fā)展與推進，其在各領(lǐng)域 的新應(yīng)用越來越受到人們的重視和關(guān)注， 技術(shù)創(chuàng)新對人類的生產(chǎn)生活 有決定性意義。創(chuàng)新是指人為了一定的目的，遵循事物發(fā)展的規(guī)律， 對事物的整體或其中的某些部分進行變革， 從而使其得以更新與發(fā)展 的活動。當前，中國已經(jīng)進入“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的新時代。創(chuàng) 新時代需要有創(chuàng)新人才，創(chuàng)新人才的形成與培養(yǎng)，無疑是教育面臨的 重要問題之一。教育本來就是要使學(xué)習者不斷適應(yīng)時代的變化，立足當前，面向未來

2、。教育的最高目標是要使人們能夠達到自我實現(xiàn)和過負責任的生 活。創(chuàng)新教育就是中小學(xué)教育中必然的一部分。 創(chuàng)新教育應(yīng)當培養(yǎng)學(xué) 生具有一定的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力。使學(xué)生在牢固、系統(tǒng) 地掌握學(xué)科知識的同時，具有勇于實踐的意識和精神，有綜合運用已 有知識解決新問題的能力，進而發(fā)展他們的創(chuàng)新能力。對于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和發(fā)展，環(huán)境是人的創(chuàng)新能力提高的重要條 件，環(huán)境優(yōu)劣影響著個體創(chuàng)新能力發(fā)展的速度和水平；實踐是人的創(chuàng)新能力形成的唯一途徑。因而，要發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新能力，還需要給學(xué) 生提供合適的環(huán)境和平臺。這個平臺應(yīng)當具有一些特征：適應(yīng)時代發(fā) 展和學(xué)生興趣；具有較強的綜合性；具有基礎(chǔ)知識學(xué)習的價值；有學(xué) 生

3、創(chuàng)意發(fā)展的空間。隨著近幾十年來計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，以自動控制為核心的智 能機器人，正在人們?nèi)粘Ｉ钪械玫綇V泛的應(yīng)用與發(fā)展。一方面是技術(shù)未來發(fā)展的趨勢，另一方面也是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)科學(xué)、愛科學(xué)、用科學(xué)， 啟發(fā)心智和思維，提高綜合實踐能力、動手能力、創(chuàng)新精神和意識的 綜合學(xué)臺。為使這個平臺充分發(fā)揮其教育價值， 我們在區(qū)級層面采用 的做法主要如下。創(chuàng)新教師的“機器人”的培訓(xùn)內(nèi)容和方法機器人作為一個優(yōu)秀的綜合教育平臺，盡管在中小學(xué)已經(jīng)得到了 很大發(fā)展，但整體還不能做到面向“大眾”的教育。其原因大致有： 課程定位和教育理念；教學(xué)組織和成本；教師的教學(xué)理念和模式；機 器人的核心控制技術(shù)等。針對上述問題，我區(qū)自

4、行開發(fā)了一個機器人開放的平臺， 并對教 師進行培訓(xùn)，力圖從機器人涉及的多環(huán)節(jié)進行學(xué)習， 并進行教學(xué)方法 的熏陶。大體經(jīng)歷了以下環(huán)節(jié)。1 .焊接主板和輸入輸出板本系統(tǒng)控制部分采用分立的幾個模塊，循序漸進，易于學(xué)習者分 別學(xué)習，不至于一下子掉入“黑箱”中。在設(shè)計電路板時，采用雙列 直插元件，學(xué)習者可以自己進行焊接，在焊接過程中，認識電子元件， 了解單片機系統(tǒng)構(gòu)成，了解各模塊組成，練習焊接技術(shù)，稍加指導(dǎo)， 焊接成功率達到100%目的是使老師們了解電子技術(shù)常識，因為這是機器人組成的一部分。主要焊接的電路板見圖 1。本主板上的單片機采用的是AT89S52該單片機系統(tǒng)成熟、價格 低，教材較多，作為中學(xué)生的

5、學(xué)習已經(jīng)完全夠用，未來作為學(xué)生開發(fā) 一些控制系統(tǒng)，也基本可以。2 .嵌入式C語言程序設(shè)計學(xué)習應(yīng)用于教學(xué)的時候可以采用兩種方式。方式一：見圖1,可以進行C語言程序設(shè)計的初步學(xué)習，包括計 算機中的位、字節(jié)等，程序設(shè)計的基本概念和程序設(shè)計的三種結(jié)構(gòu)， 把按鈕和撥碼開關(guān)作為輸入信號， 把LED顯示、數(shù)碼管顯示和蜂鳴器 等作為輸出設(shè)備，可以感悟計算機對物理信息的采集、處理和輸出的 全過程，可以認識當前應(yīng)用技術(shù)上作為 LED燈和數(shù)碼管顯示的原理和 處理方式，也為后一步車體的運動打下基礎(chǔ)。方式二：見圖2,包括了單片機系統(tǒng)、穩(wěn)壓電源、機器人車體、 直流電機、直流電機控制板、聲音傳感器、紅外傳感器、光電傳感器

6、等部分?？梢赃M行機器人整個過程的學(xué)習，體驗物理信息采集、處理、 加工全過程；學(xué)習軟、硬件協(xié)調(diào)對機器行為的控制；學(xué)習者自己練習 組裝機器人系統(tǒng)，還可以自己設(shè)計底板、車輪等結(jié)構(gòu)部分，與主板等 電路組合，為其設(shè)計自己需要的控制系統(tǒng)留有充分的空間。編程軟件使用Keil ,下載軟件使用AVR fighter或者Progisp , 這是社會上實際開發(fā)單片機系統(tǒng)使用的工具軟件。使用本軟件可以使 學(xué)習者更接近當前社會上的實際應(yīng)用， 感興趣的學(xué)生可以直接開發(fā)產(chǎn) 品。主板上單片機系統(tǒng)32個端口的開放以及與實際應(yīng)用的開發(fā)軟件 相結(jié)合，給學(xué)習者提供更大的自由發(fā)展空間。 車體結(jié)構(gòu)可以自行設(shè)計 加工帶來的啟發(fā)，可以引導(dǎo)學(xué)

7、校中的愛好者根據(jù)學(xué)校條件自己開發(fā)， 結(jié)構(gòu)設(shè)計的不完善，有利于學(xué)生問題的產(chǎn)生，為學(xué)生將來的創(chuàng)意與制 作提供了空間。3,拓展培訓(xùn)為更多了解機器人實際應(yīng)用，又對教師進行了機械結(jié)構(gòu)的拓展學(xué) 習，如投球裝置，機械手裝置等見圖 3。本系統(tǒng)的整體設(shè)計從課堂教學(xué)的角度出發(fā)，易于教學(xué)組織；從學(xué)習機器人的綜合性出發(fā)，在電子、計算機構(gòu)成、程序設(shè)計、結(jié)構(gòu)基本 設(shè)計與制作為學(xué)習者提供了發(fā)展空間。作為對教師的培訓(xùn)，試圖使教師更全面、深入地理解機器人。學(xué) 生的發(fā)展需要環(huán)境，教師的發(fā)展同樣也需要適合的環(huán)境。教師發(fā)展了， 學(xué)生能更好發(fā)展；教師有創(chuàng)新意識、方法和能力，才可能引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng) 新意識和方法的提升。教師的教學(xué)實踐自2013

8、年3月起到現(xiàn)在，我區(qū)已經(jīng)有20余所初中、高中學(xué)校， 根據(jù)普通高中信息技術(shù)課程標準中程序與設(shè)計的要求，以信息技 術(shù)程序設(shè)計為切入點進行以機器人為載體的程序設(shè)計教學(xué)試驗。課程內(nèi)容主要進行C語言的初步學(xué)習。教師們初步編寫了實驗教材，主要 內(nèi)容有機器人基本常識、C語言入門、程序的三種基本結(jié)構(gòu)、計算機 對物理信息的采集及處理、計算機控制技術(shù)的基本方法，計劃用 15 課時。教師們上課后普遍反映：可以完成信息技術(shù)課程標準中的程序設(shè) 計教學(xué)的基本要求，還可以學(xué)習計算機的一些基本知識； 教學(xué)易于組 織；成本低；學(xué)生感悟了計算機控制技術(shù)的應(yīng)用原理；學(xué)生上課積極， 參與度高；學(xué)習方式發(fā)生了變化，體現(xiàn)在“玩中學(xué)” “

9、做中學(xué)”、探 究、合作等；對開發(fā)校本課程進行學(xué)生的創(chuàng)意實踐活動提供了一個平 臺在學(xué)習活動中，學(xué)生們根據(jù)自己的想法提出多種有創(chuàng)意的設(shè)計， 并且實施出來。1 .在學(xué)習LED燈的顯示變化時，學(xué)生提出了很多創(chuàng)意，其效果千 變?nèi)f化。有的學(xué)生主動把LED燈和數(shù)碼管組合起來變化，自覺不自覺 就把數(shù)制與數(shù)制轉(zhuǎn)換問題、編碼問題、程序結(jié)構(gòu)應(yīng)用結(jié)合到一起。如 有的學(xué)生根據(jù)LED燈顯示的效果（通過按鍵控制任意變化），將其轉(zhuǎn) 化成對應(yīng)十六進制數(shù)值，并在數(shù)碼管上顯示出來（見圖4）,有的學(xué)生把其轉(zhuǎn)換成十進制顯示（見圖 5）,在“玩”中學(xué)習了進制及轉(zhuǎn)換 以及程序設(shè)計；有的學(xué)生自己就編寫“交通信號燈”等程序；有的學(xué)生編寫“電梯

10、”的運行程序過程，通過按鍵、LEW和數(shù)碼管組合來表示“電梯”上下運行過程，見圖 6。有的學(xué)生用通過按鍵、LED燈 和數(shù)碼管組合來表示公園“噴泉”的變化過程； 有的學(xué)生通過現(xiàn)有條 件模擬智能地鐵交通信號及控制在一次交流會上，參會的計算機老師們都為學(xué)生的創(chuàng)意和編程能力大加贊賞、感嘆。同時我們也在考 慮：學(xué)生有設(shè)計、創(chuàng)意，我們應(yīng)該如何提供更好的實踐環(huán)境，使學(xué)生的設(shè)計、創(chuàng)意能充分表達出來，促進學(xué)生綜合能力的提升2 .為提高學(xué)生的動手能力和實踐能力，一些教師還組織學(xué)生進行 焊接電路板的試驗。一位初中信息技術(shù)教師組織初一學(xué)生焊接主板和 輸入輸出板，見圖7。老師第一次做，學(xué)生也是第一次做，最后都成 功了，學(xué)

11、生為自己能實際制作一臺“計算機”而興奮。 做完后直接用 在課堂教學(xué)中。圖7制作電路板我們議論學(xué)生實踐能力不足時，是否也要考慮我們是否給學(xué)生提 供了適合的學(xué)習、實踐環(huán)境。3 .創(chuàng)意設(shè)計。學(xué)生學(xué)習基本程序設(shè)計后，還能有創(chuàng)意地進行一些 綜合創(chuàng)意活動。如老師用4X8點陣板做點陣編碼的練習后，學(xué)生就 想到了市面上的點陣屏，要制作一個“點陣屏”。由于設(shè)計的每個單 片機與點陣板需要并行連接，因而一塊主板僅能控制一個4X8點陣組。教師指導(dǎo)大家設(shè)計了組字方案后，每位學(xué)生負責其中一個4X8點陣，最后由專人負責組裝在一起并進行統(tǒng)調(diào)， 完成一個“點陣屏” 的制作。結(jié)合學(xué)校的主題活動，圖8是初中學(xué)生組的“?！?。這其中

12、包含了學(xué)生的創(chuàng)意、設(shè)計、硬件制作（連接很復(fù)雜但學(xué)生完成了）、程序設(shè)計、協(xié)作與合作。教師除教學(xué)中面向多數(shù)學(xué)生使用車體進行機器人教學(xué)外，還組織、指導(dǎo)學(xué)生進行機器人拓展實踐活動，如利用激光雕刻機使用平面加工 的方式組裝“機械手系統(tǒng)”，見圖 9;利用3D打印機和舵機設(shè)計并 制作出的“機器人”，見圖10。當我們?yōu)閷W(xué)生提供合適的平臺時，學(xué)生的能力往往會超出我們的 想象。那么我們提供什么樣的創(chuàng)新平臺，就是我們教師的任務(wù)了。4 .比賽。有的教師在學(xué)生學(xué)習一個階段后，自己設(shè)計了一些適合 學(xué)生班級之間機器人比賽的活動項目，如圖11是巡線、避障綜合應(yīng)用的巡線機器人活動項目，圖12是運球機器人。在運球機器人項目 中，僅給學(xué)生一周時間，學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)有條件，設(shè)計并制作了多種“運 球”裝置，參加比賽活動。盡管前述學(xué)生的作品可能不如現(xiàn)成產(chǎn)品那么成熟、完善、理想，但實際上學(xué)生把智能控制的主要技術(shù)方法已經(jīng)基本了解，其成果是學(xué) 生綜合知識運用的成果，是學(xué)生創(chuàng)意能力的體現(xiàn)。在這個空間里，學(xué) 生在發(fā)展、提