青少年智能機(jī)器人搭建與控制的活動(dòng)實(shí)施

劉曉瑞

摘要：青少年機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)主要以案例教學(xué)為目的，設(shè)計(jì)合適的案例可以有效地提高機(jī)器人搭建活動(dòng)實(shí)施的效果，本文以一次簡(jiǎn)單的機(jī)器人搭建活動(dòng)為例，展現(xiàn)機(jī)器人搭建獲得基本流程以及通過(guò)活動(dòng)對(duì)青少年各種能力培養(yǎng)的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;搭建;項(xiàng)目教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）03-0194-02

從2016年開(kāi)始國(guó)家各部委就相繼推出多項(xiàng)與人工智能、編程等相關(guān)的政策，鼓勵(lì)和支持學(xué)校將信息技術(shù)（含編程）納入日常課程，甚至納入高考的選考科目中。2018年1月18日，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)宣布成立國(guó)家人工智能標(biāo)準(zhǔn)化總體組、專家咨詢組，負(fù)責(zé)全面統(tǒng)籌規(guī)劃和協(xié)調(diào)管理我國(guó)人工智能標(biāo)準(zhǔn)化工作并發(fā)布了《人工智能標(biāo)準(zhǔn)化白皮書(shū)（2018版）》。2018年11月中國(guó)首部中小學(xué)人工智能教材《AI上未來(lái)智造者》正式出爐，并且在上海嘉定等區(qū)域進(jìn)行試點(diǎn)教學(xué)。

近年來(lái)，中國(guó)青少年機(jī)器人競(jìng)賽中設(shè)置機(jī)器人綜合技能比賽的目的是檢驗(yàn)青少年對(duì)機(jī)器人技術(shù)的理解和掌握程度，激發(fā)我國(guó)青少年對(duì)機(jī)器人技術(shù)的興趣，培養(yǎng)動(dòng)手、動(dòng)腦的能力。這種全新的體驗(yàn)活動(dòng)，不僅激發(fā)了青少年對(duì)科技知識(shí)探索的興趣，也學(xué)習(xí)了科普知識(shí)，還培養(yǎng)了他們動(dòng)手動(dòng)腦能力，增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作的能力，讓大家在快樂(lè)的實(shí)踐中感受到科普帶來(lái)的樂(lè)趣，將學(xué)生在課程中的多學(xué)科知識(shí)和技能融入競(jìng)賽過(guò)程中，激發(fā)學(xué)生對(duì)工程技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、動(dòng)手實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)精神，提高科學(xué)素質(zhì)。

青少年智能機(jī)器人搭建活動(dòng)指的是，利用模塊化設(shè)計(jì)的機(jī)器人零件如基板、萬(wàn)向輪、主控板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、導(dǎo)線、電池等基礎(chǔ)組件以及類似樂(lè)高的機(jī)械套件，自由進(jìn)行搭配和組建，學(xué)習(xí)者可以充分發(fā)揮想象力，組裝出形式各異的機(jī)器人，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者積極性和創(chuàng)造力，然后利用相關(guān)開(kāi)發(fā)軟件，為機(jī)器人設(shè)置動(dòng)作順序并完成相應(yīng)任務(wù)。在搭建過(guò)程中，會(huì)涉及物理、數(shù)學(xué)、工程結(jié)構(gòu)上的原理，培養(yǎng)青少年的觀察力、邏輯思維、抽象思維、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力以及團(tuán)隊(duì)合作精神等綜合素質(zhì)。

1 邏輯思維和抽象思維的培養(yǎng)

一般來(lái)說(shuō)，青少年智能機(jī)器人教育活動(dòng)就是讓學(xué)生團(tuán)隊(duì)針對(duì)某一項(xiàng)目或需求，通過(guò)方案設(shè)計(jì)、搭建相應(yīng)機(jī)器結(jié)構(gòu)、編寫(xiě)控制程序、并操作機(jī)器人完成預(yù)期的任務(wù)。

在教育過(guò)程中需要引導(dǎo)學(xué)生積極學(xué)習(xí)相關(guān)科學(xué)文化知識(shí)，善于思考，大膽想象。由于針對(duì)青少年的智能機(jī)器人活動(dòng)主題不僅有趣，一般也是開(kāi)放性的問(wèn)題，給予了學(xué)生豐富的想象空間。

在任務(wù)實(shí)施過(guò)程中，控制程序的編寫(xiě)是整個(gè)活動(dòng)的靈魂。而程序的編寫(xiě)非常鍛煉學(xué)生的邏輯思維和抽象思維。

從培養(yǎng)的過(guò)程來(lái)講，首先指導(dǎo)老師要系統(tǒng)的講解圖形化編程的基礎(chǔ)知識(shí)。而且根據(jù)學(xué)生年齡、知識(shí)層次的不同，采用因材施教、具體分析的辦法，讓每個(gè)學(xué)生能熟練的編寫(xiě)一些簡(jiǎn)單任務(wù)的機(jī)器人控制程序。舉例如下：

1）控制機(jī)器人先直線運(yùn)動(dòng)1.5秒，然后停一秒，再讓機(jī)器人在原地旋轉(zhuǎn)1秒鐘，停下來(lái)。

2）背景燈在一定條件下閃爍10次并顯示閃燈的次數(shù)。

在學(xué)生掌握了基礎(chǔ)的前提下，掌握修改、編寫(xiě)子程序的方法，編程水平進(jìn)一步提高。

從上面可以看出，從方案的構(gòu)思到流程的設(shè)計(jì)，最后通過(guò)程序語(yǔ)言或者圖形化編程工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。這個(gè)過(guò)程里面，每一步都需要學(xué)生理清各個(gè)動(dòng)作和狀態(tài)的邏輯關(guān)系，并且把它們抽象為程序。因此智能機(jī)器人教育活動(dòng)非常能夠鍛煉學(xué)生的抽象思維和邏輯思維。

2 觀察能力和動(dòng)手能力的培養(yǎng)

學(xué)生團(tuán)隊(duì)在利用智能機(jī)器人模塊組裝完成任務(wù)時(shí)，必須根據(jù)任務(wù)需要構(gòu)思機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時(shí)還需要組裝實(shí)現(xiàn)。在機(jī)器人的活動(dòng)中，機(jī)器人結(jié)構(gòu)是硬件，是完成任務(wù)主題的基本條件。可以說(shuō)，一個(gè)合理的機(jī)器人結(jié)構(gòu)就等于完成主體任務(wù)的一半。同時(shí)，機(jī)器人結(jié)構(gòu)也是最鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力的。

一般在布置任務(wù)主題后，讓學(xué)生參照基本方案的任務(wù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上大膽地進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)思，當(dāng)然首先要教會(huì)學(xué)生使用一些簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)完成任務(wù)，如打齒輪組、連桿、皮帶、軸等，高年級(jí)的學(xué)生還可以教會(huì)他們使用工具自制一些結(jié)構(gòu)。先指導(dǎo)學(xué)生提出結(jié)構(gòu)方案，討論可行性，再在老師的指導(dǎo)利用各種資源、工具經(jīng)行結(jié)構(gòu)搭建。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證和改進(jìn)結(jié)構(gòu)。

這個(gè)過(guò)程還需要學(xué)員能夠觀察測(cè)試結(jié)果并完成機(jī)構(gòu)調(diào)試，因此對(duì)學(xué)員的觀察能力培養(yǎng)也有很大的作用。

比如在常見(jiàn)的搬運(yùn)小球項(xiàng)目中遇到的問(wèn)題是：小球從槽里滾下來(lái)的時(shí)候，落到地面動(dòng)量太大容易彈起來(lái)，影響直行方向，從而不能順利完成任務(wù)。學(xué)生在調(diào)試過(guò)程通過(guò)觀察和思考提出來(lái)：在槽口可以連接一個(gè)帶磁性的鋼片，用透明膠把一端固定在槽口，下方固定一塊鐵片，利用磁鐵吸鐵原理，其他任務(wù)時(shí)鋼片吸在貼片上，放球的動(dòng)作時(shí)，小球撞動(dòng)鋼片脫離鐵片，從而吸收動(dòng)量，小球順利滑落在地面而不彈起，效果理想。在這個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中充分顯示了學(xué)生在結(jié)構(gòu)創(chuàng)動(dòng)手能力和觀察能力。

3 創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

在智能機(jī)器人教育活動(dòng)中，創(chuàng)新能力主要體現(xiàn)為思維創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和編程創(chuàng)新。

3.1 思維創(chuàng)新

在學(xué)習(xí)任務(wù)或者競(jìng)賽任務(wù)開(kāi)始前，一般會(huì)首先組織學(xué)生討論策略和機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，提煉每個(gè)學(xué)生的想法;任務(wù)開(kāi)始后分階段收集各學(xué)生在實(shí)施過(guò)程中提出的合理化建議和創(chuàng)新的點(diǎn)子，并整理好后分階段檢驗(yàn)學(xué)生的想法。這樣就能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生的創(chuàng)新思維在整個(gè)過(guò)程中不斷地得到肯定和否定之后再提出新思路，從而不斷提高學(xué)生的創(chuàng)新思維，經(jīng)常能讓學(xué)生在活動(dòng)中獲得意外的收獲，例如合理利用場(chǎng)地條件、項(xiàng)目規(guī)則來(lái)更快更好達(dá)到任務(wù)目標(biāo)。

3.2 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

機(jī)器人為了更好完成任務(wù)，需要合適的機(jī)構(gòu)來(lái)組建機(jī)器人本體，例如投籃機(jī)器人和掃地機(jī)器人的結(jié)構(gòu)就相差很遠(yuǎn)。而我們的任務(wù)多種多樣，千差萬(wàn)別，因此就需要我們對(duì)任務(wù)設(shè)計(jì)出合適的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，特別是從未接觸過(guò)的任務(wù)還需要我們?nèi)?chuàng)新。

3.3 編程創(chuàng)新

編程活動(dòng)中，有很多功能是常用的，我們可以指導(dǎo)學(xué)員去掌握常規(guī)實(shí)現(xiàn)方法即可。但是我們知道，編程中還會(huì)遇到很多情況是需要重新編程設(shè)計(jì)到，因此創(chuàng)新是必不可少的。同時(shí)我們還要訓(xùn)練學(xué)生，對(duì)于編程，要常常打磨，爭(zhēng)取用更好的算法去實(shí)現(xiàn)，很明顯在這個(gè)過(guò)程中是必須要有創(chuàng)新能力的。

最后在創(chuàng)新中還要引導(dǎo)學(xué)生，打好基礎(chǔ)才能更好更合理的創(chuàng)新。沒(méi)有基礎(chǔ)知識(shí)和基礎(chǔ)技能的儲(chǔ)備，創(chuàng)新猶如空中樓閣，往往流于空想，抑或猶如瞎子摸象，沒(méi)有方向，甚至導(dǎo)致失敗。

4 團(tuán)隊(duì)合作精神的培養(yǎng)

在智能機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)中，對(duì)于初次參加活動(dòng)的學(xué)員最好分組構(gòu)建成一個(gè)個(gè)團(tuán)隊(duì)：組長(zhǎng)，副組長(zhǎng)，計(jì)時(shí)員，記錄員，監(jiān)督員，發(fā)言人等，每組人數(shù)盡量不超過(guò)6個(gè)人。組內(nèi)各個(gè)角色任務(wù)如下，組長(zhǎng)負(fù)責(zé)整個(gè)小組活動(dòng)的統(tǒng)籌，計(jì)劃的制定，人員分工的安排;副組長(zhǎng)協(xié)助組長(zhǎng)完成小組活動(dòng)的組織工作;計(jì)時(shí)員主要負(fù)責(zé)整個(gè)搭建活動(dòng)的全程時(shí)間管控;記錄員主要負(fù)責(zé)記錄搭建活動(dòng)過(guò)程中的情況記錄，經(jīng)驗(yàn)總結(jié)等;監(jiān)督員主要監(jiān)督組員的活動(dòng)，不要長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行與本次任務(wù)無(wú)關(guān)的活動(dòng)，督促大家全身心地投入到學(xué)習(xí)活動(dòng)中來(lái);發(fā)言人主要負(fù)責(zé)最后向公眾、評(píng)委或教師展示和描述小組成果。組員身份在以后的活動(dòng)中可以輪換，爭(zhēng)取對(duì)每個(gè)人都起到鍛煉作用。

在具體任務(wù)實(shí)施過(guò)程中，小組成員必須統(tǒng)一研究任務(wù)，構(gòu)思方案。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，機(jī)械結(jié)構(gòu)搭建、電路連接和程序編寫(xiě)時(shí)分工明確，合作無(wú)間，遇到難題要互相支援。作為團(tuán)隊(duì)，共同面對(duì)結(jié)果，特別是失敗，要充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)精神，不能推卸責(zé)任。

總之青少年智能機(jī)器人教育活動(dòng)，在提高學(xué)生綜合能力方面，把創(chuàng)新熱情與科學(xué)態(tài)度結(jié)合起來(lái)非常有幫助，通過(guò)這樣的教育活動(dòng)可以讓學(xué)生做到多角度思考問(wèn)題，有所發(fā)明，有所創(chuàng)造，有所前進(jìn)。激發(fā)青少年熱愛(ài)科學(xué)、研究科學(xué)、用科學(xué)的科研興趣，培養(yǎng)出具有編程邏輯思維能力、團(tuán)隊(duì)合作精神和創(chuàng)新精神的人才這也正是青少年智能機(jī)器人教育如今如火如荼的根本原因之所在。

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