在机器人活动课程中进行科技创新教育的实践研究

摘 要：机器人教育是近几年开展起来的一项青少年科技创新教育，它将信息技术、通用技术等多学科的知识和技能融为一体，让学生在做中学，学中做，有利于学生的科学和技术素养的提升。实践证明，机器人活动课程深受中小学生喜爱，有效地提高了学生的创新精神、实践能力，成为科技创新教育一种新的平台和载体。

关键词：青少年；机器人；科技创新教育

随着高新技术与知识经济迅速发展，人类开始进入信息时代，信息时代需要有创新素质的人才。目前我国中小学虽然对培养和发展学生的创新精神、实践能力有一定的关注，但未能找到培养和发展学生创新精神、实践能力的切入点，未能真正激发学生的创新激情和动力，因而效果甚微。鉴于国内国际对青少年机器人创新活动的高度关注，国内有全国青少年机器人大赛和信息技术创新大赛，国际上有国际奥林匹克机器人大赛，我们认为这是培养学生创新精神、实践能力的一个很好的突破口。如何将机器人与科技创新教育的培养和谐地链接起来，为学生找到一把开启和开发创新能力的新“钥匙”，从而打开通往创新和发展之路，是一个非常有探究价值的问题。

一、构建快乐的教育模式是培养学生创新能力的前提

快乐教育要培养学生“乐于学习”，其核心在于一个“乐”字。学生能够在智能机器人创新活动的学习中“乐”起来，首先是他们把学习机器人制作作为一种乐趣和发自内心的一种愿望，所以他们才会自觉和积极主动地学习。教师应树立起以学生发展为中心、为乐学而善教的思想，使教学过程成为学生主动学习、主动思考、主动发展的过程，构建师生关系的和谐之乐。让学生做学习的主人，使他们成为自主活动和自我教育的主体，提高学生“学”的质量。在机器人创新设计过程中，利用快乐教育的模式，可使学生的学习经常处于兴奋积极的状态，思维活跃，反应敏捷，在寻根究底中锻炼思维能力，在求异思维中培养创新思维。引导学生不断进行分析、归纳和总结，为培养创造性能力奠定基础。

快乐教育是给每一个学生创造成功的机会。成功会使学生建立自信心，如果学生有了自信心，就会产生新的追求，从而获得更大的发展。目标是前进的方向，学生有了明确的目标，就会产生前进的动力，就会促进主动的发展，因此要鼓励学生不断树立新的奋斗目标，并通过艰苦的努力去实现。这些做法极大地调动了学生的内部动力，促进了他们的主动发展。学生所进行的机器人创新设计实验，是自由式和开放式的学习。他们在制作机器人的过程中“玩”出了乐趣，所以，他们才会如此痴迷地、快乐地完成每天的“作业”。看到自己设计制作的机器人能出色地完成一系列的动作和任务，在各类机器人比赛中取得了优异成绩，他们都会有一种成就感和自豪感。

二、组织各种机器人创新活动，培养学生的学习兴趣

机器人创新活动不能简单地看成是组织一次学生活动或参加一次竞赛，而应该利用科学探究的方法去研究在机器人创新活动中如何培养学生的科学素养，以机器人创新活动为载体来提高学生的科学素养。并把在机器人创新活动中科学素养的培养内容和方法推广到科技小发明等其他科技活动中。

我校每年组织一次电脑机器人比赛活动，活动由学生自己举办，自己制订比赛规则，赛后参赛同学需要对自己的机器人作品的设计思路进行阐述。去年我校举行了一次机器人射门比赛，机器人在离球门不同的角度和不同的距离的三个点上发射乒乓球到球门内，机器人必须要有弹射球装置，并根据射门难易度不同而设置不同的进球分值。这种形式有效地调动了学生的学习兴趣，丰富了学校文化生活，也展现了学生的创造才华，并有效地提高了机器人应用水平。这个项目成为广受欢迎、最具人气的学校文化活动之一。2012年5月份我校与市科协举行了科技创新活动进社区活动的机器人专题活动——机器人灭火比赛，我们的活动引起了媒体的关注，《邵阳日报》刊发了相应的图片新闻。

学校多次邀请自动化控制的教授、专家、老师来我校进行科技讲座。他们详细地向学生们介绍了发明创造的一般过程、发明常用的几种技法。并且结合近几年省、全国青少年科技创新大赛部分作品给学生们讲述了青少年科技创新大赛的发展动态，以及在科技创新活动中需要注意的问题，其中包括如何选题、如设计制作自己的创新作品等。这种名师讲座对于推动我校机器人创新活动的蓬勃开展，培养青少年的创新精神和实践能力，提高青少年的科技素质，鼓励优秀人才的涌现等，起到了积极的推动作用。

三、发现问题和处理问题是提高学生创新能力的基础

素质教育的着眼点是要改变学生的学习方式，让学生主动探索、发现和体验。关注学生学习的过程，在过程中学习知识、应用知识、解决问题，通过亲身实践，获取直接经验，是提高学生创新能力的基础。

机器人的创新活动是以解决具体问题的学习方式进行的。学生运用已有的知识，成功地寻找达到目标的手段或途径，在过程中通过解决具体问题，达到学习目的。学生在完成机器人搭建和编写程序后，要对机器人进行反复试验，在试验过程中发现问题。实践中出现的问题是多种多样的，有时是结构问题，有时是程序编写问题，还有外界环境对机器人的影响等。往往是旧的问题解决了，又出现新的问题，学生们会不断遇到新的挑战，需要反复认识，反复实践，反复创新。学生们遇到的最大挑战是突破传统的观念和认识，即在机器人的学习中没有最好，只有更好。

如，在《机器人爬坡大挑战》主题中，学生制作的机器人要爬上不同坡度的斜坡。学生根据坡度的不同反复尝试修改机器人的结构，失败了，找原因，再尝试，以达到最佳的效果。学生在反复的尝试中认识齿轮转动的特点，摩擦力对机器人的影响以及体会杠杆原理的应用。

四、通过“合作学习”培养学生的创新能力

合作学习是教学过程中进行小组合作探究的一种学习形式。通过讨论、交流等形式，加深每个学生对所学知识的理解，使学生始终有一种参与感，从被动接受转为主动探索。它既能调动学生学习的积极性，又能充分发挥学生之间协调互补的作用。因此，通过合作学习培养学生合作、自主、创新的精神，是整个合作学习的主要目标。

教师是“合作学习”的组织者、辅导者、帮助者、促进者和学习伙伴，在关键时应给予指导、点评。智能机器人活动的开展坚持以学生为主体，教师为主导的原则，给学生充分的时间与空间，鼓励学生积极参与，主动合作。同时，发扬教学民主，创设信任、平等、和谐的教学气氛，有利于发挥学生的特长，发展学生的个性，并使每个学生都能在集体中发挥自己的聪明才智。积极创设一种团结、协作、和谐、上进的新型学习环境。在组织学生制作机器人时，我根据每个学生的特长和要完成的任务将他们分成多个实验小组，小组成员根据各自特长再进行分工，共同完成机器人的制作。例如，设计制作“福娃登长城”时，一个小组由三个学生组成，彭立纯同学爱动脑，负责机器人软件部分，主要进行机器人的程序设计；黄渊煌的动手能力比较强，负责机器人的搭建和组装；刘旭同学审美能力较好，负责机器人的外观装饰和功能讲解。充分发挥每个学生的特长和优势，经过三个人的通力协作，最后共同完成了整个机器人的软、硬件设计制作。该机器人在2012年湖南省青少年机器人竞赛荣获一等奖（第一名），他们的这种敢于探索、开拓创新的精神受到了市领导的赞许。通过机器人实验，让他们真正体验到了合作学习的重要性，也体验到了集体智慧所创造的价值。

合作学习的形式有利于培养学生的创新精神。在智能机器人创新设计的活动过程中，根据中学生好胜心强的特点，注意鼓励他们细心观察生活，让学生养成勤于动脑、善于思考、勇于创新的良好习惯，使他们在合作过程中学习，并得到锻炼和提高。在有限时间内，通过教师的适时指导，学生的愉快合作，让师生共享成功的快乐，取得较好的教学效果。在机器人创新活动过程中，合作学习是一种促进学生主动学习的有效教学组织形式，有助于培养学生成为适应社会发展的高素质的“创新型”人才。学生们在机器人的设计、组装、编程和调试的过程中，以“小组合作学习”为途径，可以有效地培养学生的创新意识、创新能力和创新精神。

五、通过学生的“自主探究”培养学生的创新能力

以学生的发展为本，以学生的自主学习为核心，充分发挥学生的主体作用，挖掘学生的内在潜能，增强学生的自信心和自豪感，使学生真正成为实践活动的主人，培养学生探索质疑和解决问题的能力、搜集和处理信息的能力、动手操作和主动实践的能力。利用自己所学过的数学、物理、化学、生物和信息技术等相关专业的知识，将其灵活地运用到机器人创新设计的活动中。如“灭火机器人实验小组”的邓琳和谢雨均同学曾经在制作灭火机器人过程中遇到了一个技术难题，原因是在购买的乐高机器人套装中灭火风扇电机的电压为6V，灭火时电机功率太低不能有效地吹灭蜡烛，而要更换大功率的9V电机时，机器人本身的电源供电不足，可当时他们还没学到物理中电学部分的知识，但为了找到解决问题的答案，他们就自己主动到图书馆查资料，在老师的指导下购买了一些电子元件反复进行试验，最后用两个三极管和一个电阻自己制作了一个继电器，又添加一个9V电池为该风扇的电机供电，将改装的配件接入机器人后，大大提高了风扇的转速和灭火效率，通过自主学习的途径攻克了机器人灭火效率低的难题。通过机器人制作活动，充分发掘了学生的自主探究、自主学习的潜能，在机器人制作过程中呈现了既有探究，又有协商；既有质疑，又有感悟；既有合作，又有个性突现的生动活泼的自主探究模式，从而提高了学生的创新思维和创新能力。

六、利用机器人教具营造创新气氛

1.融合了造型技术、机械、电子、传感器、计算机软件、硬件和人工智能等众多先进技术

教师和学生只是利用积木式的散件即可达到创造，国际上标准的积木，积木之间任意选择插接方式，不同的插接，就能搭建出不同的外形样式。只要用心设计利用积木就可能创造新的造型，新的造型就可能有新的效果。这样就激发了学生的制作新型的兴趣。在各自创作中达到互相启发、互相激励的目的，从而使学生做起来乐此不疲。

2.机器人硬件造型是躯壳，还需要软件编程，程序是机器人的灵魂

硬件是软件基础，软件要依附于硬件来编程。它是根据不同的硬件即不同的传感器，不同的启动装置，不同的驱动装置，不同的搭建位置，来确定如何编程的。因为不同的传感器接收到的信息不同，相同的传感器在不同的位置采集到的信息也不同。因此对信息的处理方式也要改变，对启动装置和驱动装置的指令也要有所不同，如果不做相应的改变就达不到想象中的效果。另外不同的可执行部件的功能不同，也要进行不同的编程思路调整，即：只有运用不同公式和选择不同的逻辑和不同的参数，才能达到预期效果。因此每一次硬件修改，就会达到一种新效果；相同的硬件制作，编程不同，也会带来不同的效果。千变万化的硬件搭建，决定着千变万化的效果，千变万化的软件编程也决定千变万化的效果。机器人创新活动中使师生在学习中随时都可能产生一个惊喜、一种成功、一个期待、一个新思路的诞生。如爬梯机器人的制作。两人一组，学生用同样的散件就能做出不同样的十多种机器人来，小组之间不同制作的互相启发，互相激励，使学生们废寝忘食地投入制作。教学机器人以其创意无限的制作空间，激发师生无限的潜能。教学机器人是营造创新气氛的最好教具！

参考文献：

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（作者单位 湖南省邵东县第一中学）