机器人教学中信息化应用与科技创新的融合——南漳县实验小学教育信息化应用典型案例

南漳县实验小学   金  鑫

随着教育课程改革的深入和人工智能技术的发展,在信息技术教育中加强机器人学科知识与机器人应用前景方面的教育已势在必行。机器人教育以学生为主体,在教师的引导下以任务驱动进行个性化教育,因材施教,突出培养学生的创新精神和创新能力。因此,机器人教育是培养高素质创造性人才的好素材,是开展青少年创新教育的重要方法。本文在阐述机器人教育概念及小学生创新教育的基础上,分析了机器人教学在学生自主创新能力培养中的重要作用,并用教学实验和项目竞赛的具体实施加以阐释。

一、开展机器人教学的概述

我校作为南漳县重点小学，近几年来，学校的信息化建设取得了飞速发展。学校坚持在学生科技创新教育方面的持续性投入，拿出专项资金购置机器人竞赛的教学专用器材，选派优秀科技辅导员参加各级教育部门组织的机器人辅导教师培训。学校建有专门的机器人活动中心，由机器人教练负责对机器人队员进行专业知识培训。

通过多年的机器人教学实践，我们从学生的选拔，课程的整体规则等方面进行了系统性研究。其过程是：认识-掌握零件特征----搭建拼装机器人----VJC编程控制机器人----项目教学完成竞赛任务。学生通过系统学习后，都能够熟练地完成各项竞赛任务。由于学校科技创新课程中加强了机器人学科教育,使我校的机器人知识得到了普及。截止目前，我校共参加国家、省、市级机器人竞赛达500多人次，学生获奖率100%，2017年，我校更是包揽全省机器人竞赛WER专项赛一等奖前三名。学生在竞赛中获得成功，更加突显了机器人教育对青少年创新能力培养的独特优势，同时也得到了学生、家长和社会各界的一致认同。

               
               
               

            二、机器人教学的介绍

机器人教学侧重培养学生的动手实践能力，在搭建调试过程中，学生能够熟练地拆装，其综合能力得到训练，而调试不仅只是编程。机器人课程的教学难度要求由浅入深，以学生兴趣为引导，以掌握技能提高信息素养为目的。通过教师授课和学生实验让学生从系统整体角度认识掌握简单的机械构造原理、程序设计，这样能够有效激发学生的动手实践兴趣，实现从简单模仿到自我创新。下面以我校2017年竞赛机器人----能力风暴机器人为实例进行介绍。

               

               

               

               

能力风暴机器人是一种智能型教育机器人，也是世界教育机器人大赛指定的专用器材。在日常教学中，学生对能力风暴机器人课程普遍怀有浓厚的兴趣，学习的积极性很高。同时，智能机器人在日常生活中接触较少，尤其编程部分对很多学生来讲显得“高深莫测”。我在课堂教学中主要采取举例和项目教学的方法，从加深学生对知识的理解，提高学生的学习兴趣入手，取得了良好的课堂教学效果。

例一：认识传感器及数值（实践操作）

                           

认识传感器

1、人类的眼睛可以感受到光的亮和暗，机器人可以吗？

2、机器人虽然没有人类的各种器官，但是他们身上可以安装各种可以感应外界力、热、光、电、磁和声等变化的电子元件，这些电子元件称之为“传感器”。

3、这些传感器怎么工作呢？

4、传感器可以把外界信息变成机器人可以接收的形式输入它的“大脑”中，例如电信号等，机器人就可以通过这些信号知道周围环境的信息。

5、亮度检测传感器就像机器人的眼睛，它可以检测到光信号，并把光信号转换成数字信号输入机器人大脑中，通过这些数字的变化，机器人就可以“看”到光的变化啦！

                       

                       

                           检测数值

利用“脱机检测”功能将亮度检测传感器检测到的数值实时显示在屏幕上，观察数值大小与亮度变化的关系。

①将传感器连接到控制器并打开控制器电源

②利用控制器上的按钮选择主界面功能

③点击“ENTER”按钮打开 AI 检测界面

④观察 AI 端口上传感器的返回值

用手从远到近逐渐靠近亮度传感器，观察对应 AI 显示数字的变化：当光线越亮时，数字 □越大 □越小 ，当光线越暗时，数字□越大 □越小 ；

模拟下面的场景，在亮度值柱状图中用红笔描出你观察到的数值。

              

  在讲解亮度检测模块时，要让学生通过编程实现机器人在光亮、光暗时能做出不同的反应，学生普遍反映这部分知识比较抽象。于是在讲解过程中，我让学生将机器人想象成自己的闹钟，天亮的时候就叫自己起床。周末有些同学太阳一升起的时候就起床了，还有些同学太阳晒到屁股才起床，怎样才能实现这个功能呢？必须要通过亮度检测模块，也就是光线传感器。设计的亮度检测值不同，代表自己起床的时间不同，亮度检测的数值设定越小，代表起床的时间越晚，也就是光线越亮，反之，当数值较大时，则代表光线较暗。通过理论联系实际，加深了学生对知识的理解，学生很快掌握了亮度检测的应用。

例二：在学习编程的时候，以往都是先从简单的直行、转向、启动电机模块开始讲起，通过这些模块的讲解，可以让机器人走出各种各样的图形，例如L形、正方形、五角星，但是这样的授课过程，我感觉过于单板，学生的学习兴趣也不是很高，我采用了举实例的教学方法，告诉学生咱们的机器人可以完成指定的任务。

                           

认路的小车

1、任务情境导入，激发学生学习兴趣

                     

                     

2、认识机器人的视觉——地面灰度传感器

它就像人的眼睛，夜晚时由于没有光线，我们眼睛看到的是一片漆黑，而用手电筒照亮地面，地面将光线反射回我们的眼睛，我们就可以看清楚了，根据地面、石头、水潭对光的反射不同，我们就能够很好地区分它们，就不会走路被石头绊倒或掉到水坑去啦。

地面灰度传感器上有一个发光的 LED 灯，还有一个亮度检测传感器，它的工作原理就是不同灰度的地面对光的反射程度是不同的，从而根据反射回来的光线强度来判断地面的颜色。

3、让小车实现智能导向的功能

                                 

通过任务情境，有效地激发了学生的想象力和创意。在这一过程中，学生表现出了极其浓厚的兴趣，很多学生下课后还不愿意离开，不停地跟我说，老师我还有很多动作想让机器人完成。通过学生的表现，我收获了巨大的惊喜，学生在玩的过程中就学会了各个模块的使用功能。

创新教育是以全面、充分发展学生的创造力为核心的教育,其根本任务就是培养学生的创新精神、创新能力和创业意识,它是一种综合素质,能启发诱导、激励学生去探索、发现、创造,充分发挥学生自身的特点和能力,最大限度地开发学生自身的潜能和特长。 要完成创新教育的任务和目标,在建设创造性学习环境的同时,还要转变陈旧思想和思维方式,改革传统的教育模式和方法。而机器人的出现为创新素质教育提供了一个崭新的平台,特别是机器人设计与制作方面的教学,正是满足创新教育的任务和目标的好课题、好方法。

三、机器人教学的经验与思考

机器人教学有两大特点：一是机器人系统的复杂性。任何机器人都包括传感、控制、执行三大子系统，相对一般的教学工具其复杂程序相当高。二是教学时间长。机器人教学过程不同于一般的授课方式，从最开始的熟悉各模块操作到拼装搭建，再到简单的编程控制、故障排除、到最后的项目展示，全过程往往需要近一学期的时间，如果想深入学习则时间会更长。根据以上特点，机器人教学适用于项目教学法，此方法也是我校教学创新的手段之一。

项目教学法是通过实施一个完整的项目而进行的教学活动，其目的是在课堂教学中把理论与实践教学有机地结合起来，充分发挥学生的创造潜能，提高学生解决实际问题的综合能力。其于建构主义的项目教学法与传统的教学法相比，有很大的区别，主要表现在改变了传统的三个中心，由以教师为中心转变为以学生为中心，由以课本为中心转变为以“项目”为中心，由以课堂为中心转变为以实际经验为中心。由于项目教学法为新生事物，在过去的教学中未曾尝试，所在机器人教学的初期讲授基本功能、搭建拼装和基本操作过程中采用传统教学方法，待学生掌握一定基础知识后运用项目教学法让学生自己管理整个项目。在实际授课过程中，我总结了以下经验：

1、举例和比喻要具有新颖性和实效性。教师在日常教学中，一定要注重知识的积累，除了熟练掌握教材中所列举的，还要通过报刊、书籍、网络等媒体，及时掌握所教课程的最新动态及日常应用，充分做到理论联系实际，这样才能在举例时做到“举一反三”、“信手拈来”、“游刃有余”。同时在教学内容编写时首先要结合学生的信息技术应用能力，充分考虑学生的年龄、心理和兴趣爱好等特点，尽量遴选那些学生感兴趣、日常应用广泛且不背离实际的案例，充分调动学生学习的积极性，努力打造愉悦课堂、高效课堂。

2、学校在教学实验环节中及时地增加智能机器人的知识内容,辅之以兴趣小组的形式加以巩固和提高,使学生的学习能适应未来信息发展的要求,也为原有的实验教学模式增添了新的活力。机器人极具人性化,它的智慧和功能靠学生的程序设计来实现。通过设计真实、复杂、具有挑战性的问题情境来引导学生参与探究、思考,在组装、扩展机器人的过程中获取知识,使学生的动手能力、协作能力和自主学习能力得到很好的发挥,具有鲜明的目标教学和任务驱动式的教学特征。 教学过程中由于器材及场地的局限性,通常需要学生统筹安排、就地取材、精心设计,学习体会和构思新创意,极大地挖掘想象空间与创造力,追求设计方案的科学完美。机器人学习其实就是探究性学习,每一节课学生们都会完成自己和教师共同讨论和设计的目标,根据这一目标由学生自己进行创新性探究。创造源于最初的突发奇想,学生必须做出不断的尝试,不断的调试与改善,大胆地投入新的元素,注重每一个细节,将机器人调节至最佳状态。

3、机器人竞赛。机器人竞赛是一项很好的科技创新活动,内容包括灭火、足球、滑雪、跳远、走迷宫、打乒乓球等多种形式,深深吸引着机器人爱好者的眼球,也为他们提供了一个很好的寓教于乐的载体。比赛不仅主题有趣,更重要的是设计方案的开放性,参赛者可以用不同的方法达到同一个目标,在审题、需求分析、方案设计、零件加工等方面都需投入大量精力。面对竞赛项目与要求,参赛者经历将人们的需求和愿望确认为值得解决的技术问题、并做出可行性方案的过程,它要求参赛者进行发散性思维,能对一个问题的结果作出多种假设和预测,同时还要考虑可靠性和稳定性的提高,经历重重困难的排除,最终推出成果。机器人比赛也有严格的赛事规则,但它融趣味性、观赏性、科普性为一体,通过完成比赛项目,使参赛者初步学会从科学技术的角度提出日常生活中的实际问题,激发其学习兴趣,引导他们积极探索未知领域。在比赛的舞台上,参赛者尽情展示聪明才智,相互切磋相互学习,共同体验科技世界的无穷奥秘,为其自主创新能力的培养提供良好的平台。

实践是创新的基础,鼓励创新和重视实践是创新教育的关键。机器人教育这一平台,为我们提供了丰富的创新空间,它已不再停留在实验室,而融入了学生的学习和生活中,使他们通过动手和实践获得实际经验,对培养学生的跨专业综合应用能力、创新能力和团队精神等方面都具有重要意义,对我国的教育改革和机器人技术发展具有深远的影响。