青少年智能机器人搭建与控制的活动实施

刘晓瑞

摘要：青少年机器人项目教学主要以案例教学为目的，设计合适的案例可以有效地提高机器人搭建活动实施的效果，本文以一次简单的机器人搭建活动为例，展现机器人搭建获得基本流程以及通过活动对青少年各种能力培养的目标。

关键词：机器人;搭建;项目教学

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）03-0194-02

从2016年开始国家各部委就相继推出多项与人工智能、编程等相关的政策，鼓励和支持学校将信息技术（含编程）纳入日常课程，甚至纳入高考的选考科目中。2018年1月18日，国家标准化管理委员会宣布成立国家人工智能标准化总体组、专家咨询组，负责全面统筹规划和协调管理我国人工智能标准化工作并发布了《人工智能标准化白皮书（2018版）》。2018年11月中国首部中小学人工智能教材《AI上未来智造者》正式出炉，并且在上海嘉定等区域进行试点教学。

近年来，中国青少年机器人竞赛中设置机器人综合技能比赛的目的是检验青少年对机器人技术的理解和掌握程度，激发我国青少年对机器人技术的兴趣，培养动手、动脑的能力。这种全新的体验活动，不仅激发了青少年对科技知识探索的兴趣，也学习了科普知识，还培养了他们动手动脑能力，增强了团队合作的能力，让大家在快乐的实践中感受到科普带来的乐趣，将学生在课程中的多学科知识和技能融入竞赛过程中，激发学生对工程技术的学习兴趣，培养学生的创新意识、动手实践能力和团队精神，提高科学素质。

青少年智能机器人搭建活动指的是，利用模块化设计的机器人零件如基板、万向轮、主控板、电机驱动模块、导线、电池等基础组件以及类似乐高的机械套件，自由进行搭配和组建，学习者可以充分发挥想象力，组装出形式各异的机器人，调动学习者积极性和创造力，然后利用相关开发软件，为机器人设置动作顺序并完成相应任务。在搭建过程中，会涉及物理、数学、工程结构上的原理，培养青少年的观察力、逻辑思维、抽象思维、动手能力、创新能力以及团队合作精神等综合素质。

1 逻辑思维和抽象思维的培养

一般来说，青少年智能机器人教育活动就是让学生团队针对某一项目或需求，通过方案设计、搭建相应机器结构、编写控制程序、并操作机器人完成预期的任务。

在教育过程中需要引导学生积极学习相关科学文化知识，善于思考，大胆想象。由于针对青少年的智能机器人活动主题不仅有趣，一般也是开放性的问题，给予了学生丰富的想象空间。

在任务实施过程中，控制程序的编写是整个活动的灵魂。而程序的编写非常锻炼学生的逻辑思维和抽象思维。

从培养的过程来讲，首先指导老师要系统的讲解图形化编程的基础知识。而且根据学生年龄、知识层次的不同，采用因材施教、具体分析的办法，让每个学生能熟练的编写一些简单任务的机器人控制程序。举例如下：

1）控制机器人先直线运动1.5秒，然后停一秒，再让机器人在原地旋转1秒钟，停下来。

2）背景灯在一定条件下闪烁10次并显示闪灯的次数。

在学生掌握了基础的前提下，掌握修改、编写子程序的方法，编程水平进一步提高。

从上面可以看出，从方案的构思到流程的设计，最后通过程序语言或者图形化编程工具来实现。这个过程里面，每一步都需要学生理清各个动作和状态的逻辑关系，并且把它们抽象为程序。因此智能机器人教育活动非常能够锻炼学生的抽象思维和逻辑思维。

2 观察能力和动手能力的培养

学生团队在利用智能机器人模块组装完成任务时，必须根据任务需要构思机械结构，同时还需要组装实现。在机器人的活动中，机器人结构是硬件，是完成任务主题的基本条件。可以说，一个合理的机器人结构就等于完成主体任务的一半。同时，机器人结构也是最锻炼学生的动手能力的。

一般在布置任务主题后，让学生参照基本方案的任务结构基础上大胆地进行结构构思，当然首先要教会学生使用一些简单的机械结构来完成任务，如打齿轮组、连杆、皮带、轴等，高年级的学生还可以教会他们使用工具自制一些结构。先指导学生提出结构方案，讨论可行性，再在老师的指导利用各种资源、工具经行结构搭建。最后通过实验来验证和改进结构。

这个过程还需要学员能够观察测试结果并完成机构调试，因此对学员的观察能力培养也有很大的作用。

比如在常见的搬运小球项目中遇到的问题是：小球从槽里滚下来的时候，落到地面動量太大容易弹起来，影响直行方向，从而不能顺利完成任务。学生在调试过程通过观察和思考提出来：在槽口可以连接一个带磁性的钢片，用透明胶把一端固定在槽口，下方固定一块铁片，利用磁铁吸铁原理，其他任务时钢片吸在贴片上，放球的动作时，小球撞动钢片脱离铁片，从而吸收动量，小球顺利滑落在地面而不弹起，效果理想。在这个结构实现过程中充分显示了学生在结构创动手能力和观察能力。

3 创新能力的培养

在智能机器人教育活动中，创新能力主要体现为思维创新、结构创新和编程创新。

3.1 思维创新

在学习任务或者竞赛任务开始前，一般会首先组织学生讨论策略和机器人设计方案，提炼每个学生的想法;任务开始后分阶段收集各学生在实施过程中提出的合理化建议和创新的点子，并整理好后分阶段检验学生的想法。这样就能充分调动学生的创新思维。

在这个过程中，学生的创新思维在整个过程中不断地得到肯定和否定之后再提出新思路，从而不断提高学生的创新思维，经常能让学生在活动中获得意外的收获，例如合理利用场地条件、项目规则来更快更好达到任务目标。

3.2 结构创新

机器人为了更好完成任务，需要合适的机构来组建机器人本体，例如投篮机器人和扫地机器人的结构就相差很远。而我们的任务多种多样，千差万别，因此就需要我们对任务设计出合适的机器人结构，特别是从未接触过的任务还需要我们去创新。

3.3 编程创新

编程活动中，有很多功能是常用的，我们可以指导学员去掌握常规实现方法即可。但是我们知道，编程中还会遇到很多情况是需要重新编程设计到，因此创新是必不可少的。同时我们还要训练学生，对于编程，要常常打磨，争取用更好的算法去实现，很明显在这个过程中是必须要有创新能力的。

最后在创新中还要引导学生，打好基础才能更好更合理的创新。没有基础知识和基础技能的储备，创新犹如空中楼阁，往往流于空想，抑或犹如瞎子摸象，没有方向，甚至导致失败。

4 团队合作精神的培养

在智能机器人教学活动中，对于初次参加活动的学员最好分组构建成一个个团队：组长，副组长，计时员，记录员，监督员，发言人等，每组人数尽量不超过6个人。组内各个角色任务如下，组长负责整个小组活动的统筹，计划的制定，人员分工的安排;副组长协助组长完成小组活动的组织工作;计时员主要负责整个搭建活动的全程时间管控;记录员主要负责记录搭建活动过程中的情况记录，经验总结等;监督员主要监督组员的活动，不要长时间进行与本次任务无关的活动，督促大家全身心地投入到学习活动中来;发言人主要负责最后向公众、评委或教师展示和描述小组成果。组员身份在以后的活动中可以轮换，争取对每个人都起到锻炼作用。

在具体任务实施过程中，小组成员必须统一研究任务，构思方案。在实现时，机械结构搭建、电路连接和程序编写时分工明确，合作无间，遇到难题要互相支援。作为团队，共同面对结果，特别是失败，要充分发挥团队精神，不能推卸责任。

总之青少年智能机器人教育活动，在提高学生综合能力方面，把创新热情与科学态度结合起来非常有帮助，通过这样的教育活动可以让学生做到多角度思考问题，有所发明，有所创造，有所前进。激发青少年热爱科学、研究科学、用科学的科研兴趣，培养出具有编程逻辑思维能力、团队合作精神和创新精神的人才这也正是青少年智能机器人教育如今如火如荼的根本原因之所在。

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