青少年智能機器人搭建與控制的活動實施

劉曉瑞

摘要：青少年機器人項目教學主要以案例教學為目的，設計合適的案例可以有效地提高機器人搭建活動實施的效果，本文以一次簡單的機器人搭建活動為例，展現機器人搭建獲得基本流程以及通過活動對青少年各種能力培養的目標。

關鍵詞：機器人;搭建;項目教學

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）03-0194-02

從2016年開始國家各部委就相繼推出多項與人工智能、編程等相關的政策，鼓勵和支持學校將信息技術（含編程）納入日常課程，甚至納入高考的選考科目中。2018年1月18日，國家標準化管理委員會宣布成立國家人工智能標準化總體組、專家咨詢組，負責全面統籌規劃和協調管理我國人工智能標準化工作并發布了《人工智能標準化白皮書（2018版）》。2018年11月中國首部中小學人工智能教材《AI上未來智造者》正式出爐，并且在上海嘉定等區域進行試點教學。

近年來，中國青少年機器人競賽中設置機器人綜合技能比賽的目的是檢驗青少年對機器人技術的理解和掌握程度，激發我國青少年對機器人技術的興趣，培養動手、動腦的能力。這種全新的體驗活動，不僅激發了青少年對科技知識探索的興趣，也學習了科普知識，還培養了他們動手動腦能力，增強了團隊合作的能力，讓大家在快樂的實踐中感受到科普帶來的樂趣，將學生在課程中的多學科知識和技能融入競賽過程中，激發學生對工程技術的學習興趣，培養學生的創新意識、動手實踐能力和團隊精神，提高科學素質。

青少年智能機器人搭建活動指的是，利用模塊化設計的機器人零件如基板、萬向輪、主控板、電機驅動模塊、導線、電池等基礎組件以及類似樂高的機械套件，自由進行搭配和組建，學習者可以充分發揮想象力，組裝出形式各異的機器人，調動學習者積極性和創造力，然后利用相關開發軟件，為機器人設置動作順序并完成相應任務。在搭建過程中，會涉及物理、數學、工程結構上的原理，培養青少年的觀察力、邏輯思維、抽象思維、動手能力、創新能力以及團隊合作精神等綜合素質。

1 邏輯思維和抽象思維的培養

一般來說，青少年智能機器人教育活動就是讓學生團隊針對某一項目或需求，通過方案設計、搭建相應機器結構、編寫控制程序、并操作機器人完成預期的任務。

在教育過程中需要引導學生積極學習相關科學文化知識，善于思考，大膽想象。由于針對青少年的智能機器人活動主題不僅有趣，一般也是開放性的問題，給予了學生豐富的想象空間。

在任務實施過程中，控制程序的編寫是整個活動的靈魂。而程序的編寫非常鍛煉學生的邏輯思維和抽象思維。

從培養的過程來講，首先指導老師要系統的講解圖形化編程的基礎知識。而且根據學生年齡、知識層次的不同，采用因材施教、具體分析的辦法，讓每個學生能熟練的編寫一些簡單任務的機器人控制程序。舉例如下：

1）控制機器人先直線運動1.5秒，然后停一秒，再讓機器人在原地旋轉1秒鐘，停下來。

2）背景燈在一定條件下閃爍10次并顯示閃燈的次數。

在學生掌握了基礎的前提下，掌握修改、編寫子程序的方法，編程水平進一步提高。

從上面可以看出，從方案的構思到流程的設計，最后通過程序語言或者圖形化編程工具來實現。這個過程里面，每一步都需要學生理清各個動作和狀態的邏輯關系，并且把它們抽象為程序。因此智能機器人教育活動非常能夠鍛煉學生的抽象思維和邏輯思維。

2 觀察能力和動手能力的培養

學生團隊在利用智能機器人模塊組裝完成任務時，必須根據任務需要構思機械結構，同時還需要組裝實現。在機器人的活動中，機器人結構是硬件，是完成任務主題的基本條件。可以說，一個合理的機器人結構就等于完成主體任務的一半。同時，機器人結構也是最鍛煉學生的動手能力的。

一般在布置任務主題后，讓學生參照基本方案的任務結構基礎上大膽地進行結構構思，當然首先要教會學生使用一些簡單的機械結構來完成任務，如打齒輪組、連桿、皮帶、軸等，高年級的學生還可以教會他們使用工具自制一些結構。先指導學生提出結構方案，討論可行性，再在老師的指導利用各種資源、工具經行結構搭建。最后通過實驗來驗證和改進結構。

這個過程還需要學員能夠觀察測試結果并完成機構調試，因此對學員的觀察能力培養也有很大的作用。

比如在常見的搬運小球項目中遇到的問題是：小球從槽里滾下來的時候，落到地面動量太大容易彈起來，影響直行方向，從而不能順利完成任務。學生在調試過程通過觀察和思考提出來：在槽口可以連接一個帶磁性的鋼片，用透明膠把一端固定在槽口，下方固定一塊鐵片，利用磁鐵吸鐵原理，其他任務時鋼片吸在貼片上，放球的動作時，小球撞動鋼片脫離鐵片，從而吸收動量，小球順利滑落在地面而不彈起，效果理想。在這個結構實現過程中充分顯示了學生在結構創動手能力和觀察能力。

3 創新能力的培養

在智能機器人教育活動中，創新能力主要體現為思維創新、結構創新和編程創新。

3.1 思維創新

在學習任務或者競賽任務開始前，一般會首先組織學生討論策略和機器人設計方案，提煉每個學生的想法;任務開始后分階段收集各學生在實施過程中提出的合理化建議和創新的點子，并整理好后分階段檢驗學生的想法。這樣就能充分調動學生的創新思維。

在這個過程中，學生的創新思維在整個過程中不斷地得到肯定和否定之后再提出新思路，從而不斷提高學生的創新思維，經常能讓學生在活動中獲得意外的收獲，例如合理利用場地條件、項目規則來更快更好達到任務目標。

3.2 結構創新

機器人為了更好完成任務，需要合適的機構來組建機器人本體，例如投籃機器人和掃地機器人的結構就相差很遠。而我們的任務多種多樣，千差萬別，因此就需要我們對任務設計出合適的機器人結構，特別是從未接觸過的任務還需要我們去創新。

3.3 編程創新

編程活動中，有很多功能是常用的，我們可以指導學員去掌握常規實現方法即可。但是我們知道，編程中還會遇到很多情況是需要重新編程設計到，因此創新是必不可少的。同時我們還要訓練學生，對于編程，要常常打磨，爭取用更好的算法去實現，很明顯在這個過程中是必須要有創新能力的。

最后在創新中還要引導學生，打好基礎才能更好更合理的創新。沒有基礎知識和基礎技能的儲備，創新猶如空中樓閣，往往流于空想，抑或猶如瞎子摸象，沒有方向，甚至導致失敗。

4 團隊合作精神的培養

在智能機器人教學活動中，對于初次參加活動的學員最好分組構建成一個個團隊：組長，副組長，計時員，記錄員，監督員，發言人等，每組人數盡量不超過6個人。組內各個角色任務如下，組長負責整個小組活動的統籌，計劃的制定，人員分工的安排;副組長協助組長完成小組活動的組織工作;計時員主要負責整個搭建活動的全程時間管控;記錄員主要負責記錄搭建活動過程中的情況記錄，經驗總結等;監督員主要監督組員的活動，不要長時間進行與本次任務無關的活動，督促大家全身心地投入到學習活動中來;發言人主要負責最后向公眾、評委或教師展示和描述小組成果。組員身份在以后的活動中可以輪換，爭取對每個人都起到鍛煉作用。

在具體任務實施過程中，小組成員必須統一研究任務，構思方案。在實現時，機械結構搭建、電路連接和程序編寫時分工明確，合作無間，遇到難題要互相支援。作為團隊，共同面對結果，特別是失敗，要充分發揮團隊精神，不能推卸責任。

總之青少年智能機器人教育活動，在提高學生綜合能力方面，把創新熱情與科學態度結合起來非常有幫助，通過這樣的教育活動可以讓學生做到多角度思考問題，有所發明，有所創造，有所前進。激發青少年熱愛科學、研究科學、用科學的科研興趣，培養出具有編程邏輯思維能力、團隊合作精神和創新精神的人才這也正是青少年智能機器人教育如今如火如荼的根本原因之所在。

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