在創(chuàng)客教育中培養(yǎng)發(fā)散思維的應用實例

1在創(chuàng)客教育中培養(yǎng)發(fā)散思維的應用實例隨著國家對教育信息化重視力度的加大，校園內(nèi)創(chuàng)客氣氛濃厚。我校近年來對創(chuàng)客教育極為重視，以人工智能機器人等技術(shù)為基礎(chǔ)，大力推進創(chuàng)客教育。我校信息通用技術(shù)組的老師經(jīng)常和學生們一起探究一些創(chuàng)客項目的解決方案。在此過程中，學生的發(fā)散思維得到了培養(yǎng)。在2019年安徽省青少年科協(xié)舉辦的機器人環(huán)保賽中，我們選擇使用的是套框結(jié)構(gòu)。我們在機器人身上搭建一個框式結(jié)構(gòu)，控制器控制電機驅(qū)動這個結(jié)構(gòu)進行翻轉(zhuǎn)動作，從而套住目標物品，拖動到任務(wù)地點。從機器人的實際使用效果看，套框結(jié)構(gòu)容錯率高，但精度較低，還有一個很大的缺陷，不能把物品抬起來。任務(wù)物品在地圖上隨著套框移動到任務(wù)地點，途中會在框中晃動。如果碰到障礙物，任務(wù)物品就可能會傾倒。由于套框結(jié)構(gòu)的特性，決定了它對于很多復雜的任務(wù)就無計可施了。在今后的兩年中，我們也接觸了一些機器人智能項目。2020年安慶市教體局舉辦的創(chuàng)客機器人競賽中，各隊所采用的策略中都摒棄了這種套框結(jié)構(gòu)。我們看到了許多新穎的結(jié)構(gòu)，學習了不少的經(jīng)驗。比如“抓手”結(jié)構(gòu)就可以根據(jù)需要設(shè)計成“單爪”、“雙爪”和“多爪”?！皢巫Α苯Y(jié)構(gòu)是由一個齒輪帶動橫梁進行轉(zhuǎn)動，與另一根固定梁合攏，用于將物體固定到機器人身上?！半p爪”結(jié)構(gòu)則是由兩個齒輪耦合在一起，分別帶動兩根梁相向而動，形成抓手，將物品牢牢抓住。這種結(jié)構(gòu)是比較常用的。在“雙爪”結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上又衍生出“多爪”結(jié)構(gòu)，可以從多個方向?qū)ξ锲愤M行抓取，對于抓取一些特殊造型的物品效果出奇的好。漸漸的，對于機器人智能項目，我們的經(jīng)驗得到了增長，學到了一些結(jié)構(gòu)部件的搭建方法。對于一些任務(wù)策略也形成了一些固定的解決方案，能完成絕大多數(shù)的比賽任務(wù)了。在此基礎(chǔ)上，學校里創(chuàng)建了機器人創(chuàng)客社團。學生在我們老師的指導下，沿著我們設(shè)定好的方向一步步的學習，熟悉老師設(shè)計的方案，在省市兩級的比賽中獲得了一些成在2022年省電教館舉辦的學生信息素養(yǎng)提升實踐活動中，有一個項目是智能分類。這個項目地圖上的目標物品均是喝水用的一次性紙杯，表面涂抹上了紅、黃、綠三種顏色。這些紙杯依次平鋪在地面上，機器人需要按照任務(wù)要求，將這些一次性紙杯從放置區(qū)搬到堆放區(qū)，依序搭成“山”字型。任務(wù)要求特別強調(diào)紙杯在運輸過程中不能接觸地面，這就要求機器人從放置區(qū)抬起物品，運輸?shù)蕉逊艆^(qū)才能放下。對于這種舉起物品的任務(wù)要求，通常我們會選擇組裝一個機械臂抓手，先抓住物品。而抬升機械臂的方法可以使用杠桿，也可以使用塔臺。杠桿結(jié)構(gòu)通過電機的旋轉(zhuǎn)帶動軸、梁運動，實現(xiàn)機械臂的抬升和下降。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是搭建比較簡單，結(jié)構(gòu)高度不會太高，重心低。杠桿結(jié)構(gòu)的缺點是眾所周知的，省力費距離，省距離就費力。同時，因為杠桿齒輪的原因，精度會比較低，對于搭“山”字型這種精度高的任務(wù)就力不從心了。最終看到的各種比賽方案中也沒看到這種杠桿結(jié)另一種結(jié)構(gòu)就是“塔臺”結(jié)構(gòu)，就是先用梁搭建一個塔，梁上裝上齒條，塔中間搭建一個平臺，平臺上一個電機驅(qū)動齒輪沿著梁上的齒條逐步上升。機械臂也和平臺裝在一起。由于機械臂的旋轉(zhuǎn)需要緊密連接在電機上，這就要求電機也需要連接在平臺上，再加上驅(qū)動平臺的齒輪電機，整體結(jié)構(gòu)就比較重，對電機功率要求比較高，在平臺上升過程中，因為平臺自身的重力，會造成電機上升阻力增大，控制精度降低，從而影響到最終的任務(wù)效果。在此過程中，我們發(fā)現(xiàn)我們以往的教學方式存在著限制學生思維的問題。學生難以真正發(fā)揮出自己的創(chuàng)造力。式機器人。下圖為我們的比賽畫面。此時機器人從出發(fā)區(qū)出發(fā)，巡線到達放置區(qū)A。 2 3由于紙杯離放置區(qū)邊界很近，為了能精準定位了紙杯的位置，我們在原有5灰度傳電機”指令設(shè)置此單灰度傳感器檢測到地表灰度大于2000時，上方電機控制機械臂擺動到達紙杯上方。下方左圖為單灰度傳感器，下方右圖為機器臂。圖2單灰度傳感器圖3機械臂當機械臂到達紙杯上方后，通過雙電機控制機械臂擺動和升降，電機升降采用齒輪在固定的雙齒條運動來實現(xiàn)。下方左圖為雙電機驅(qū)動機械臂的結(jié)構(gòu)，下方右圖為電機運動的雙齒條結(jié)構(gòu)。 圖5雙齒條結(jié)構(gòu)磁閥停止，吸盤會產(chǎn)生吸力，將紙杯吸附在機械臂上。下方左圖為電磁閥和氣泵，右圖圖6電磁閥和氣泵圖7吸盤此時，電機控制機械臂上升，并擺動到主塔左側(cè)，然后打開電磁閥，關(guān)閉氣泵，紙 5杯就會掉落在我們設(shè)計好的“杯托”上。為了能讓紙杯更穩(wěn)定的留在杯托上而不晃動，我們在杯托加裝了由7孔梁和120度角軸套等材料制成的立柱。下圖為“杯托”和立柱。圖8“杯托”和立柱由于我們在機器人前半部加裝了很多零件，導致機器人重心不穩(wěn)。為此，我們在機器人尾部加裝了配重塊，在機器人底部增加了萬向輪，由原來的單萬向輪改成了雙萬向輪的設(shè)計，讓機器人行走的更穩(wěn)。下方左圖為配重塊，右圖為雙萬向輪的設(shè)計。圖9配重塊圖10雙萬向輪通過以上的設(shè)計，我們能穩(wěn)定的抓取放置區(qū)的每一個紅杯子和黃杯子。我們嘗試過6在機械臂上加裝半爪結(jié)構(gòu)去抓取綠色紙杯，但因為時間的限制還沒有成功。我們覺得我們還應對機器人行走路線進行優(yōu)化，爭取完成全部任務(wù)。針對這種情況，我們在想如果能將其中一個電機及其相關(guān)結(jié)構(gòu)從平臺上分離出來，減輕平臺自身的重力，電機能耗就能降低。同時因為平臺重量的減輕，機器人在行進過程中重心更穩(wěn)定，有助于提高機器人的控制精度。我們召集我們創(chuàng)客社的師生在一起進行了一場“頭腦風暴”,嘗試了多種方案。最終我們選擇使用旋轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)，將控制機械臂旋轉(zhuǎn)的電機安放在旋轉(zhuǎn)臺下方，控制機械臂上從“塔臺”結(jié)構(gòu)到“轉(zhuǎn)臺”結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變對于我們來說不僅是一次結(jié)構(gòu)上的改變，更是一次思維方式的轉(zhuǎn)變。它給我們提供了打破固有思維方式的經(jīng)驗。轉(zhuǎn)變思維方式的過程既是對自己知識的總結(jié)，也是對思維的創(chuàng)新。我們在教學過程中常常教育學生要轉(zhuǎn)變思維方式，不能老是用定勢思維，而要嘗試逆向思維，更多的時在這次的“頭腦風暴”中，我們不是只有從“塔臺”到“轉(zhuǎn)臺”的這一個地方發(fā)生了思維方式的轉(zhuǎn)變。在這次思維轉(zhuǎn)變的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，我們還將原來固定在塔臺結(jié)構(gòu)外部梁上的齒條也改成活動的，而齒輪改為固定的。電機驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)，這樣齒條結(jié)構(gòu)就可以上下活動了。這樣電機的功率就可以全部用來提升機械臂，可以最大限度的減少機械臂結(jié)構(gòu)自身重力對電機的影響。(因最終作品還要參賽，圖片暫不公布。)此次省電教館的項目和以往我們參加的競賽項目有很大的不同。它沒有限制設(shè)備種類和材料，更開放，更能激發(fā)人們的創(chuàng)造力，讓學生能充分發(fā)散思維，利用多種材料組合構(gòu)成多種多樣的解決方案。從“塔臺”到“轉(zhuǎn)臺”的改變，對于我們師生來說是一次重要的體驗，是一次創(chuàng)新，培養(yǎng)了我們的發(fā)散思維，也讓我們感受到創(chuàng)客教育的魅力。我們已經(jīng)有了這樣的基礎(chǔ)，初步擁有了適應、改變和創(chuàng)造未來世界的人工智能素養(yǎng)，增強了師生個體在新時代條件下的核心競爭力，迎接新時代的挑