創(chuàng)新時(shí)代的機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐與思考

1、創(chuàng)新時(shí)代的機(jī)器人教學(xué)理論與考慮人類(lèi)開(kāi)展史，實(shí)際上就是一個(gè)長(zhǎng)期的、不斷創(chuàng)新的開(kāi)展過(guò)程，創(chuàng)新已經(jīng)遍布人類(lèi)的方方面面。近幾十年來(lái)，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(biāo)準(zhǔn)的高速開(kāi)展與推進(jìn)，其在各領(lǐng)域的新應(yīng)用越來(lái)越受到人們的重視和關(guān)注，技術(shù)創(chuàng)新對(duì)人類(lèi)的消費(fèi)生活有決定性意義。創(chuàng)新是指人為了一定的目的，遵循事物開(kāi)展的規(guī)律，對(duì)事物的整體或其中的某些部分進(jìn)展變革，從而使其得以更新與開(kāi)展的活動(dòng)。當(dāng)前，中國(guó)已經(jīng)進(jìn)入“群眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新的新時(shí)代。創(chuàng)新時(shí)代需要有創(chuàng)新人才，創(chuàng)新人才的形成與培養(yǎng)，無(wú)疑是教育面臨的重要問(wèn)題之一。教育本來(lái)就是要使學(xué)習(xí)者不斷適應(yīng)時(shí)代的變化，立足當(dāng)前，面向?qū)?lái)。教育的最高目的是要使人

2、們可以到達(dá)自我實(shí)現(xiàn)和過(guò)負(fù)責(zé)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(dāng)培養(yǎng)學(xué)生具有一定的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新才能。使學(xué)生在結(jié)實(shí)、系統(tǒng)地掌握學(xué)科知識(shí)的同時(shí)，具有勇于理論的意識(shí)和精神，有綜合運(yùn)用已有知識(shí)解決新問(wèn)題的才能，進(jìn)而開(kāi)展他們的創(chuàng)新才能。對(duì)于創(chuàng)新才能的培養(yǎng)和開(kāi)展，環(huán)境是人的創(chuàng)新才能進(jìn)步的重要條件，環(huán)境優(yōu)劣影響著個(gè)體創(chuàng)新才能開(kāi)展的速度和程度；理論是人的創(chuàng)新才能形成的唯一途徑。因此，要開(kāi)展學(xué)生的創(chuàng)新才能，還需要給學(xué)生提供適宜的環(huán)境和平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)應(yīng)當(dāng)具有一些特征：適應(yīng)時(shí)代開(kāi)展和學(xué)生興趣；具有較強(qiáng)的綜合性；具有根底知識(shí)學(xué)習(xí)的價(jià)值；有學(xué)生創(chuàng)意開(kāi)展的空間。隨著近幾十年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的

3、飛速開(kāi)展，以自動(dòng)控制為核心的智能機(jī)器人，正在人們?nèi)粘Ｉ钪械玫綇V泛的應(yīng)用與開(kāi)展。一方面是技術(shù)將來(lái)開(kāi)展的趨勢(shì)，另一方面也是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)科學(xué)、愛(ài)科學(xué)、用科學(xué)，啟發(fā)心智和思維，進(jìn)步綜合理論才能、動(dòng)手才能、創(chuàng)新精神和意識(shí)的綜合學(xué)習(xí)平臺(tái)。為使這個(gè)平臺(tái)充分發(fā)揮其教育價(jià)值，我們?cè)趨^(qū)級(jí)層面采用的做法主要如下。創(chuàng)新教師的“機(jī)器人的培訓(xùn)內(nèi)容和方法機(jī)器人作為一個(gè)優(yōu)秀的綜合教育平臺(tái)，盡管在中小學(xué)已經(jīng)得到了很大開(kāi)展，但整體還不能做到面向“群眾的教育。其原因大致有：課程定位和教育理念；教學(xué)組織和本錢(qián)；教師的教學(xué)理念和形式；機(jī)器人的核心控制技術(shù)等。針對(duì)上述問(wèn)題，我區(qū)自行開(kāi)發(fā)了一個(gè)機(jī)器人開(kāi)放的平臺(tái)，并對(duì)教師進(jìn)展培訓(xùn)，力圖從機(jī)器

4、人涉及的多環(huán)節(jié)進(jìn)展學(xué)習(xí)，并進(jìn)展教學(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(gè)模塊，循序漸進(jìn)，易于學(xué)習(xí)者分別學(xué)習(xí)，不至于一下子掉入“黑箱中。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，采用雙列直插元件，學(xué)習(xí)者可以自己進(jìn)展焊接，在焊接過(guò)程中，認(rèn)識(shí)電子元件，理解單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，理解各模塊組成，練習(xí)焊接技術(shù)，稍加指導(dǎo)，焊接成功率到達(dá)100%。目的是使教師們理解電子技術(shù)常識(shí)，因?yàn)檫@是機(jī)器人組成的一部分。主要焊接的電路板見(jiàn)圖1。本主板上的單片機(jī)采用的是AT89S52，該單片機(jī)系統(tǒng)成熟、價(jià)格低，教材較多，作為中學(xué)生的學(xué)習(xí)已經(jīng)完全夠用，將來(lái)作為學(xué)生開(kāi)發(fā)一些控制系統(tǒng)，也根本可以。2.嵌入式C語(yǔ)言程

5、序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)應(yīng)用于教學(xué)的時(shí)候可以采用兩種方式。方式一：見(jiàn)圖1，可以進(jìn)展C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的初步學(xué)習(xí)，包括計(jì)算機(jī)中的位、字節(jié)等，程序設(shè)計(jì)的根本概念和程序設(shè)計(jì)的三種構(gòu)造，把按鈕和撥碼開(kāi)關(guān)作為輸入信號(hào)，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(jì)算機(jī)對(duì)物理信息的采集、處理和輸出的全過(guò)程，可以認(rèn)識(shí)當(dāng)前應(yīng)用技術(shù)上作為L(zhǎng)ED燈和數(shù)碼管顯示的原理和處理方式，也為后一步車(chē)體的運(yùn)動(dòng)打下根底。方式二：見(jiàn)圖2，包括了單片機(jī)系統(tǒng)、穩(wěn)壓電源、機(jī)器人車(chē)體、直流電機(jī)、直流電機(jī)控制板、聲音傳感器、紅外傳感器、光電傳感器等部分?？梢赃M(jìn)展機(jī)器人整個(gè)過(guò)程的學(xué)習(xí)，體驗(yàn)物理信息采集、處理、加工全過(guò)程；學(xué)習(xí)軟、硬件協(xié)調(diào)對(duì)機(jī)器行為

6、的控制；學(xué)習(xí)者自己練習(xí)組裝機(jī)器人系統(tǒng)，還可以自己設(shè)計(jì)底板、車(chē)輪等構(gòu)造部分，與主板等電路組合，為其設(shè)計(jì)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(huì)上實(shí)際開(kāi)發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)使用的工具軟件。使用本軟件可以使學(xué)習(xí)者更接近當(dāng)前社會(huì)上的實(shí)際應(yīng)用，感興趣的學(xué)生可以直接開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。主板上單片機(jī)系統(tǒng)32個(gè)端口的開(kāi)放以及與實(shí)際應(yīng)用的開(kāi)發(fā)軟件相結(jié)合，給學(xué)習(xí)者提供更大的自由開(kāi)展空間。車(chē)體構(gòu)造可以自行設(shè)計(jì)加工帶來(lái)的啟發(fā)，可以引導(dǎo)學(xué)校中的愛(ài)好者根據(jù)學(xué)校條件自己開(kāi)發(fā)，構(gòu)造設(shè)計(jì)的不完善，有利于學(xué)生問(wèn)題的產(chǎn)生，為學(xué)生將來(lái)的創(chuàng)意與制作提供了空間。3.拓展培訓(xùn)為更

7、多理解機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用，又對(duì)教師進(jìn)展了機(jī)械構(gòu)造的拓展學(xué)習(xí)，如投球裝置，機(jī)械手裝置等見(jiàn)圖3。本系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)從課堂教學(xué)的角度出發(fā)，易于教學(xué)組織；從學(xué)習(xí)機(jī)器人的綜合性出發(fā)，在電子、計(jì)算機(jī)構(gòu)成、程序設(shè)計(jì)、構(gòu)造根本設(shè)計(jì)與制作為學(xué)習(xí)者提供了開(kāi)展空間。作為對(duì)教師的培訓(xùn)，試圖使教師更全面、深化地理解機(jī)器人。學(xué)生的開(kāi)展需要環(huán)境，教師的開(kāi)展同樣也需要適宜的環(huán)境。教師開(kāi)展了，學(xué)生能更好開(kāi)展；教師有創(chuàng)新意識(shí)、方法和才能，才可能引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和方法的提升。教師的教學(xué)理論教師們上課后普遍反映：可以完成信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中的程序設(shè)計(jì)教學(xué)的根本要求，還可以學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的一些根本知識(shí)；教學(xué)易于組織；本錢(qián)低；學(xué)生感悟了計(jì)算機(jī)控制技

8、術(shù)的應(yīng)用原理；學(xué)生上課積極，參與度高；學(xué)習(xí)方式發(fā)生了變化，表達(dá)在“玩中學(xué)“做中學(xué)、探究、合作等；對(duì)開(kāi)發(fā)校本課程進(jìn)展學(xué)生的創(chuàng)意理論活動(dòng)提供了一個(gè)平臺(tái) 在學(xué)習(xí)活動(dòng)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(jì)，并且施行出來(lái)。1.在學(xué)習(xí)LED燈的顯示變化時(shí)，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(dòng)把LED燈和數(shù)碼管組合起來(lái)變化，自覺(jué)不自覺(jué)就把數(shù)制與數(shù)制轉(zhuǎn)換問(wèn)題、編碼問(wèn)題、程序構(gòu)造應(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(guò)按鍵控制任意變化，將其轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)十六進(jìn)制數(shù)值，并在數(shù)碼管上顯示出來(lái)見(jiàn)圖4，有的學(xué)生把其轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制顯示見(jiàn)圖5，在“玩中學(xué)習(xí)了進(jìn)制及轉(zhuǎn)換以及程序設(shè)計(jì)；有的學(xué)生自己就編寫(xiě)

9、“交通信號(hào)燈等程序；有的學(xué)生編寫(xiě)“電梯的運(yùn)行程序過(guò)程，通過(guò)按鍵、LED燈和數(shù)碼管組合來(lái)表示“電梯上下運(yùn)行過(guò)程，見(jiàn)圖6。有的學(xué)生用通過(guò)按鍵、LED燈和數(shù)碼管組合來(lái)表示公園“噴泉的變化過(guò)程；有的學(xué)生通過(guò)現(xiàn)有條件模擬智能地鐵交通信號(hào)及控制在一次交流會(huì)上，參會(huì)的計(jì)算機(jī)教師們都為學(xué)生的創(chuàng)意和編程才能大加贊賞、感慨。同時(shí)我們也在考慮：學(xué)生有設(shè)計(jì)、創(chuàng)意，我們應(yīng)該如何提供更好的理論環(huán)境，使學(xué)生的設(shè)計(jì)、創(chuàng)意能充分表達(dá)出來(lái)，促進(jìn)學(xué)生綜合才能的提升。2.為進(jìn)步學(xué)生的動(dòng)手才能和理論才能，一些教師還組織學(xué)生進(jìn)展焊接電路板的試驗(yàn)。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(jiàn)圖7。教師第一次做，學(xué)生也是第一次做

10、，最后都成功了，學(xué)生為自己能實(shí)際制作一臺(tái)“計(jì)算機(jī)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)生理論才能缺乏時(shí)，是否也要考慮我們是否給學(xué)生提供了適宜的學(xué)習(xí)、理論環(huán)境。3.創(chuàng)意設(shè)計(jì)。學(xué)生學(xué)習(xí)根本程序設(shè)計(jì)后，還能有創(chuàng)意地進(jìn)展一些綜合創(chuàng)意活動(dòng)。如教師用4×8點(diǎn)陣板做點(diǎn)陣編碼的練習(xí)后，學(xué)生就想到了市面上的點(diǎn)陣屏，要制作一個(gè)“點(diǎn)陣屏。由于設(shè)計(jì)的每個(gè)單片機(jī)與點(diǎn)陣板需要并行連接，因此一塊主板僅能控制一個(gè)4×8點(diǎn)陣組。教師指導(dǎo)大家設(shè)計(jì)了組字方案后，每位學(xué)生負(fù)責(zé)其中一個(gè)4×8點(diǎn)陣，最后由專(zhuān)人負(fù)責(zé)組裝在一起并進(jìn)展統(tǒng)調(diào)，完成一個(gè)“點(diǎn)陣屏的制作。結(jié)合學(xué)校的主題活動(dòng)，圖8是初

11、中學(xué)生組的“福。這其中包含了學(xué)生的創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、硬件制作連接很復(fù)雜但學(xué)生完成了、程序設(shè)計(jì)、協(xié)作與合作。教師除教學(xué)中面向多數(shù)學(xué)生使用車(chē)體進(jìn)展機(jī)器人教學(xué)外，還組織、指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)展機(jī)器人拓展理論活動(dòng)，如利用激光雕刻機(jī)使用平面加工的方式組裝“機(jī)械手系統(tǒng)，見(jiàn)圖9；利用3D打印機(jī)和舵機(jī)設(shè)計(jì)并制作出的“機(jī)器人，見(jiàn)圖10。當(dāng)我們?yōu)閷W(xué)生提供適宜的平臺(tái)時(shí)，學(xué)生的才能往往會(huì)超出我們的想象。那么我們提供什么樣的創(chuàng)新平臺(tái)，就是我們教師的任務(wù)了。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(shí)際上學(xué)生把智能控制的主要技術(shù)方法已經(jīng)根本理解，其成果是學(xué)生綜合知識(shí)運(yùn)用的成果，是學(xué)生創(chuàng)意才能的表達(dá)。在這個(gè)空間里，學(xué)生在開(kāi)展、提升。按有的教師說(shuō)法：我們的目的是促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)。在中小學(xué)進(jìn)展機(jī)器人教學(xué)，目的是使學(xué)生在活動(dòng)