創新時代的機器人教學實踐與思考

王立春

人類發展史，實際上就是一個長期的、不斷創新的發展過程，創新已經遍布人類的方方面面。近幾十年來，隨著信息技術、物聯網、“信息物理系統”等新技術、新標準的高速發展與推進，其在各領域的新應用越來越受到人們的重視和關注，技術創新對人類的生產生活有決定性意義。創新是指人為了一定的目的，遵循事物發展的規律，對事物的整體或其中的某些部分進行變革，從而使其得以更新與發展的活動。當前，中國已經進入“大眾創業、萬眾創新”的新時代。創新時代需要有創新人才，創新人才的形成與培養，無疑是教育面臨的重要問題之一。

教育本來就是要使學習者不斷適應時代的變化，立足當前，面向未來。教育的最高目標是要使人們能夠達到自我實現和過負責任的生活。創新教育就是中小學教育中必然的一部分。創新教育應當培養學生具有一定的創新意識、創新思維、創新能力。使學生在牢固、系統地掌握學科知識的同時，具有勇于實踐的意識和精神，有綜合運用已有知識解決新問題的能力，進而發展他們的創新能力。

對于創新能力的培養和發展，環境是人的創新能力提高的重要條件，環境優劣影響著個體創新能力發展的速度和水平；實踐是人的創新能力形成的唯一途徑。因而，要發展學生的創新能力，還需要給學生提供合適的環境和平臺。這個平臺應當具有一些特征：適應時代發展和學生興趣；具有較強的綜合性；具有基礎知識學習的價值；有學生創意發展的空間。

隨著近幾十年來計算機技術的飛速發展，以自動控制為核心的智能機器人，正在人們日常生活中得到廣泛的應用與發展。一方面是技術未來發展的趨勢，另一方面也是引導學生學科學、愛科學、用科學，啟發心智和思維，提高綜合實踐能力、動手能力、創新精神和意識的綜合學習平臺。為使這個平臺充分發揮其教育價值，我們在區級層面采用的做法主要如下。

創新教師的“機器人”的培訓內容和方法

機器人作為一個優秀的綜合教育平臺，盡管在中小學已經得到了很大發展，但整體還不能做到面向“大眾”的教育。其原因大致有：課程定位和教育理念；教學組織和成本；教師的教學理念和模式；機器人的核心控制技術等。

針對上述問題，我區自行開發了一個機器人開放的平臺，并對教師進行培訓，力圖從機器人涉及的多環節進行學習，并進行教學方法的熏陶。大體經歷了以下環節。

1.焊接主板和輸入輸出板

本系統控制部分采用分立的幾個模塊，循序漸進，易于學習者分別學習，不至于一下子掉入“黑箱”中。在設計電路板時，采用雙列直插元件，學習者可以自己進行焊接，在焊接過程中，認識電子元件，了解單片機系統構成，了解各模塊組成，練習焊接技術，稍加指導，焊接成功率達到100%。目的是使老師們了解電子技術常識，因為這是機器人組成的一部分。主要焊接的電路板見圖1。

本主板上的單片機采用的是AT89S52，該單片機系統成熟、價格低，教材較多，作為中學生的學習已經完全夠用，未來作為學生開發一些控制系統，也基本可以。

2.嵌入式C語言程序設計學習

應用于教學的時候可以采用兩種方式。

方式一：見圖1，可以進行C語言程序設計的初步學習，包括計算機中的位、字節等，程序設計的基本概念和程序設計的三種結構，把按鈕和撥碼開關作為輸入信號，把LED顯示、數碼管顯示和蜂鳴器等作為輸出設備，可以感悟計算機對物理信息的采集、處理和輸出的全過程，可以認識當前應用技術上作為LED燈和數碼管顯示的原理和處理方式，也為后一步車體的運動打下基礎。

方式二：見圖2，包括了單片機系統、穩壓電源、機器人車體、直流電機、直流電機控制板、聲音傳感器、紅外傳感器、光電傳感器等部分。可以進行機器人整個過程的學習，體驗物理信息采集、處理、加工全過程；學習軟、硬件協調對機器行為的控制；學習者自己練習組裝機器人系統，還可以自己設計底板、車輪等結構部分，與主板等電路組合，為其設計自己需要的控制系統留有充分的空間。

編程軟件使用Keil，下載軟件使用AVR fighter或者Progisp，這是社會上實際開發單片機系統使用的工具軟件。使用本軟件可以使學習者更接近當前社會上的實際應用，感興趣的學生可以直接開發產品。

主板上單片機系統32個端口的開放以及與實際應用的開發軟件相結合，給學習者提供更大的自由發展空間。車體結構可以自行設計加工帶來的啟發，可以引導學校中的愛好者根據學校條件自己開發，結構設計的不完善，有利于學生問題的產生，為學生將來的創意與制作提供了空間。

3.拓展培訓

為更多了解機器人實際應用，又對教師進行了機械結構的拓展學習，如投球裝置，機械手裝置等見圖3。

本系統的整體設計從課堂教學的角度出發，易于教學組織；從學習機器人的綜合性出發，在電子、計算機構成、程序設計、結構基本設計與制作為學習者提供了發展空間。

作為對教師的培訓，試圖使教師更全面、深入地理解機器人。學生的發展需要環境，教師的發展同樣也需要適合的環境。教師發展了，學生能更好發展；教師有創新意識、方法和能力，才可能引導學生創新意識和方法的提升。

教師的教學實踐

自2013年3月起到現在，我區已經有20余所初中、高中學校，根據《普通高中信息技術課程標準》中程序與設計的要求，以信息技術程序設計為切入點進行以機器人為載體的程序設計教學試驗。課程內容主要進行C語言的初步學習。教師們初步編寫了實驗教材，主要內容有機器人基本常識、C語言入門、程序的三種基本結構、計算機對物理信息的采集及處理、計算機控制技術的基本方法，計劃用15課時。

教師們上課后普遍反映：可以完成信息技術課程標準中的程序設計教學的基本要求，還可以學習計算機的一些基本知識；教學易于組織；成本低；學生感悟了計算機控制技術的應用原理；學生上課積極，參與度高；學習方式發生了變化，體現在“玩中學”“做中學”、探究、合作等；對開發校本課程進行學生的創意實踐活動提供了一個平臺……

在學習活動中，學生們根據自己的想法提出多種有創意的設計，并且實施出來。

1.在學習LED燈的顯示變化時，學生提出了很多創意，其效果千變萬化。有的學生主動把LED燈和數碼管組合起來變化，自覺不自覺就把數制與數制轉換問題、編碼問題、程序結構應用結合到一起。如有的學生根據LED燈顯示的效果（通過按鍵控制任意變化），將其轉化成對應十六進制數值，并在數碼管上顯示出來（見圖4），有的學生把其轉換成十進制顯示（見圖5），在“玩”中學習了進制及轉換以及程序設計；有的學生自己就編寫“交通信號燈”等程序；有的學生編寫“電梯”的運行程序過程，通過按鍵、LED燈和數碼管組合來表示“電梯”上下運行過程，見圖6。有的學生用通過按鍵、LED燈和數碼管組合來表示公園“噴泉”的變化過程；有的學生通過現有條件模擬智能地鐵交通信號及控制……在一次交流會上，參會的計算機老師們都為學生的創意和編程能力大加贊賞、感嘆。同時我們也在考慮：學生有設計、創意，我們應該如何提供更好的實踐環境，使學生的設計、創意能充分表達出來，促進學生綜合能力的提升。

2.為提高學生的動手能力和實踐能力，一些教師還組織學生進行焊接電路板的試驗。一位初中信息技術教師組織初一學生焊接主板和輸入輸出板，見圖7。老師第一次做，學生也是第一次做，最后都成功了，學生為自己能實際制作一臺“計算機”而興奮。做完后直接用在課堂教學中。

圖7 制作電路板

我們議論學生實踐能力不足時，是否也要考慮我們是否給學生提供了適合的學習、實踐環境。

3.創意設計。學生學習基本程序設計后，還能有創意地進行一些綜合創意活動。如老師用4×8點陣板做點陣編碼的練習后，學生就想到了市面上的點陣屏，要制作一個“點陣屏”。由于設計的每個單片機與點陣板需要并行連接，因而一塊主板僅能控制一個4×8點陣組。教師指導大家設計了組字方案后，每位學生負責其中一個4×8點陣，最后由專人負責組裝在一起并進行統調，完成一個“點陣屏”的制作。結合學校的主題活動，圖8是初中學生組的“福”。這其中包含了學生的創意、設計、硬件制作（連接很復雜但學生完成了）、程序設計、協作與合作。

教師除教學中面向多數學生使用車體進行機器人教學外，還組織、指導學生進行機器人拓展實踐活動，如利用激光雕刻機使用平面加工的方式組裝“機械手系統”，見圖9；利用3D打印機和舵機設計并制作出的“機器人”，見圖10。

當我們為學生提供合適的平臺時，學生的能力往往會超出我們的想象。那么我們提供什么樣的創新平臺，就是我們教師的任務了。

4.比賽。有的教師在學生學習一個階段后，自己設計了一些適合學生班級之間機器人比賽的活動項目，如圖11是巡線、避障綜合應用的巡線機器人活動項目，圖12是運球機器人。在運球機器人項目中，僅給學生一周時間，學生應用現有條件，設計并制作了多種“運球”裝置，參加比賽活動。

盡管前述學生的作品可能不如現成產品那么成熟、完善、理想，但實際上學生把智能控制的主要技術方法已經基本了解，其成果是學生綜合知識運用的成果，是學生創意能力的體現。在這個空間里，學生在發展、提升。按有的老師說法：我們的目的是促進學生的學習。

在中小學進行機器人教學，目的是使學生在活動中學習相關的知識，知道現代智能控制技術的方法，經歷發現問題、解決問題的設計、制作、調試等過程，領悟科學實踐的方法，養成勇于實踐的精神和創新的意識。

我們初步進行了實踐，還有很多想法待實踐，還會根據學生發展的過程中出現的新問題不斷研究開發新的模塊，以適應教學需要。

（作者單位：北京教育學院朝陽分院）