中小學機器人教育的“微波教學法”

　　我們先引入一個生活實例：對于一臺剛買來的全自動洗衣機，大人需要從說明書的第一頁開始讀，然后一步步學習操作。但孩子就不這樣，他會需要跑到洗衣機旁邊，大膽嘗試按鍵，發(fā)現按了這個鍵洗衣機開始轉了，他就明白了，這是開機鍵，如此反復，就能搞清所有的按鍵功能，并達到熟練操作的程度。整個學習的過程，兒童不用去讀說明書這種“間接經驗”，而是通過嘗試操作獲得“直接經驗”。
　　那么，這是否意味著兒童對于具體可感的操作技能具有一種良好的悟性呢？我們這樣假定：對于操作層面技能的學習，一是其理論基礎對于兒童來說并不太重要，二是兒童在這方面的學習可以從任意一點開始。我們對此進行了專門的實驗研究，研究結果證實了我們的假設是正確的。正是基于這種“兒童對于操作層面技能的學習可以從任意點開始”的理論，我們創(chuàng)造了“微波教學法”。這個名字是我們的機器人輔導教師和學生共同命名的，它來源于這樣一個形象的例子：我們用水煮雞蛋，是先從外面向里面熟，往往是外面的蛋白都熟了，但里面的蛋黃還是液體狀態(tài)；如果改用微波爐蒸雞蛋，雞蛋先從蛋黃開始熟，再熟到蛋白，是從核心到外圍。根據這一特點，我們的機器人教學也采用從核心到外圍的教學法，稱之為“微波教學法”或“中心點教學法”。
　　下面以足球機器人的教學為例，介紹“微波教學法”的具體操作過程。
　　第一環(huán)節(jié)：操作機器人。當孩子第一次接觸足球機器人，就給其一臺硬件裝配和軟件程序都設計好的機器人，告訴其操作要領，然后，讓其與一位水平較高的選手展開比賽，讓其感覺到機器人的操作并不難，消除其心理上的神秘感和畏難情緒，從而掌握機器人硬件的操作技能，體會機器人比賽的魅力，從比賽中得到樂趣，從而產生濃厚的興趣。
　　第二環(huán)節(jié)：學習修改程序中的重要參數值（核心參數值）。教學生學習使用機器人測量磁場、地面灰度、環(huán)境光值等參數，并學會在程序中修改這些參數。可以通過兩種方法進行訓練：一是改變光照環(huán)境、換用不同的場地、移動場地的位置，分別達到改變環(huán)境光值、地面灰度、磁場的目的，讓學生測量以上參數并將程序下載到機器人上運行，體會通過改變參數值達到使機器人適應場地的目的；二是給學生一組設計好的參數值，讓學生分別修改參數后，將程序下載到機器人上運行，并與當時當地的真實參數值進行iijXXYg/S+N0jmTxpO6aEyhxUahjpb6Tfy/i/TwLWTw=比較，讓學生體會參數值對于機器人運行的影響。根據當時當地的參數值修改程序后，下載運行并對機器人運行結果的數據進行采集與分析，讓學生掌握參數修改幅度與機器人運行變化幅度的聯(lián)系，從而使學生牢固掌握機器人的秉性。
　　第三環(huán)節(jié)：學習分解編寫子程序。將足球機器人的整體程序分為幾個子程序，例如：回防、進攻、追光、退守等，讓學生逐個學習每個子程序中最核心的設計要素，并達到熟練掌握每個子程序的目的。在學習編寫子程序的過程中，還有一些行之有效的方法，如：對比分析程序、優(yōu)化程序設計、模塊式強化子程序訓練、單任務超越訓練等。
　　為調動學生學習子程序的積極性，我們創(chuàng)造了子程序任務教學模式：一是根據相同的任務分組設計程序，交流比較哪個組設計得最好，相互吸收優(yōu)點、改進不足；二是分組設計不同的任務程序，然后下載到機器人運行，交流比較哪個組的運行效果好。我們還鼓勵學生開拓思路，自己設計任務目標，然后共同完成任務，以訓練學生應對復雜的任務和將任務分解的能力。任務教學既鍛煉了學生的動手能力和編程能力，又讓學生學會了更好地進行團結協(xié)作。
　　第四環(huán)節(jié)：學習編寫整體大程序。每個子程序熟練掌握后，再整合編寫整體程序。要注意子程序之間的兼容銜接，注意核心程序的優(yōu)化設計，保證突出發(fā)揮機器人的優(yōu)勢。將整體程序下載到機器人，觀察分析機器人的運行效果，并根據效果進一步改進程序，達到軟硬件完美結合的程度。
　　第五環(huán)節(jié)：學習設計比賽策略。在學生中組織一些分組賽，在比賽的過程中，教師引導學生對賽況進行分析，分析對手的長處和缺點，分析自己的優(yōu)勢和弱點，引導學生制定比賽策略，并在比賽中應用策略，觀察策略的實施效果，根據實際情況進行調整。經過多次的實戰(zhàn)演習，在學生能夠領悟策略的設計要領后，開始讓學生自己分析、設計策略，并與教師設計的策略進行對比分析，最終達到能夠根據實際情況分析局面、設計策略、應用策略、調整策略的目的。
　　第六環(huán)節(jié)：學習外圍相關軟硬件知識和技能。圍繞中心點知識和技能，編排完整的課程體系，讓學生進行系統(tǒng)的學習。因為這時的學生已經深深愛上了機器人運動，而且意識到需要掌握更多、更全面的知識和技能，所以，學生能夠較好地領會這些知識和技能在實際活動中的作用和價值，能夠進行較為認真的學習。
　　第七環(huán)節(jié)：自主學習相關理論支撐和基礎技能。學生通過參加機器人活動，不僅提高了綜合素質，學到了許多書本上沒有的知識，而且有了將書本上學到的知識付諸實踐的機會。例如：電流、電壓、電阻、電機的功率、扭矩等。更讓學生體會到了學科知識的理論支撐作用和基礎技能對于設計、動手改裝機器人的重要作用，他們會更加熱愛學習，這時不失時機地發(fā)動學生自主學習相關理論和基礎技能，可以收到良好的效果。
　　以上就是“微波教學法”的主要方法步驟，整個過程的開始和每一個環(huán)節(jié)的開端，都是讓學生觸及機器人軟件和硬件最核心的技術，然后逐步擴展開來，達到使學生熟練、全面掌握機器人操作、程序設計、硬件改造、策略制定等各種能力的目的，并最終達到綜合素質的提高。