利用機器人教育培養中學生科技創新能力

吳啟富

【摘要】越來越多的大中小學校和企業參與到機器人教育的隊伍中來，利用機器人教育培養學生的科技創新能力成為了一種新的途徑。本文分析了機器人教育與科技創新的關系，利用機器人教育如何提高高中生的科技創新能力，展示本校近年取得的成績，同時提出將來在機器人教育中要著重解決的問題。在高中開展機器人教學不僅可以豐富學生的學習生活，還能夠激發學生們的創新精神、培養他們的空間想象力、邏輯思維、動手能力，可以把自己所學的數學、物理、化學、生物、信息技術等多個學科的知識應用在機器人項目上。據中國青少年機器人競賽網站介紹，全國共有9000多支隊伍、25000多名中小學生參加每年各省級青少年機器人競賽選拔賽，而且人數也在逐步增長。在高中開展機器人教學，可以極大地提高高中生的科技創新能力。

【關鍵詞】機器人;虛擬機器人;科技創新能力

一、機器人教育與學生的科技創新能力

1.什么是機器人教育？

在由錢明輝編著的《研究性創新》一書中，是這樣對機器人教育進行表述的：“機器人教育是機器人的研究、實踐在教育領域的擴展，它主要通過學生對機器人的組裝、搭建和運行進行實踐操作，從而激發學生學習興趣、培養和提高學生的綜合素養和創新實踐能力，包括機器人學科教學、機器人輔助教學、機器人管理教學、機器人代理事務以及機器人主持教學等五種教學方式。”

本文所指的機器人教育是指在高中階段利用信息技術課堂內外開展的以學習機器人相關知識為基礎，有選擇性地參加一些形式的機器人競賽而組織的教學形式，是信息技術課堂的一種延伸和擴展。它通過學生對實體機器人的學習、組裝、搭建和實體機器人（或虛擬機器人）程序的編寫、調試等實踐操作，從而激發學生學習興趣、 培養和提高學生應用多學科知識的能力和創新實踐能力。機器人包含實體機器人，如，滅火機器人、智能垃圾分類機器人、足球機器人、人形機器人、籃球機器人、可編程無人機（車）和虛擬機器人。如，廣州中鳴公司生產的三維仿真虛擬機器人，浙江納英特公司生產的三維仿真虛擬機人，廣州易時代3D仿真虛擬機器人，騰訊智能機器人等，虛擬機器人相對于實體機器人來說，由于投資成本非常低而深受廣大中小學校的歡迎。

2.什么是科技創新能力？

周恂在《關于機器人教育中學生創新能力培養問題的研究》一文中，是這樣定義的：“科技創新能力一般是指企業、學校、科研機構或自然人等在某一科學技術領域具備發明創新的綜合實力，包括科研人員的專業知識水平、知識結構、研發經驗、科研設備、經濟實力、創新精神等。”

本文所指的科技創新能力，是指在高中階段利用信息技術課堂內外開展的以機器人教育教學活動為形式，旨在激發學生的創新精神，培養他們的想象能力、學習能力、實踐能力，幫助他們樹立科技創新的意識，熱愛并勇于科技創新。

二、利用機器人教育提高學生科技創新能力

1.在高中開展機器人教育培養了高中生科技創新意識和創新思維

創新意識是指人們根據現實發展的需要，創造前所未有的事物或產生了新的觀念，并在創造活動中表現出愿望和設想。它是人類意識活動中的一種表現形式，推動了人類進行創造，富有成果性和積極性，它是人類產生創新能力的前提。科技創新意識是指個體產生科技創新的動機、愿望、意圖的心理傾向。

高中開展機器人教育對高中生科技創新意識和創新思維的培養有很大的幫助。如，在2010年高中機器人滅火項目中，要求滅火機器人要能夠快速判斷出三個房間中出現“火災”的是哪一個，并進入房間進行滅火。在判斷房間是否有“火災”并進行滅火的策略就有多種選擇。其中比較省時的策略是，在路過房間門口的時候就進行判斷，有火就進入房間，否則就不進入。接下來，如果在路過了前兩個房間門口都沒有檢測火災，則第三個房間必定有火（規則里規定只有一個房間有火，沒有說一個房間都沒有火的情況）。同理，在機器人檢測的過程中，判斷出前面的房間有火并就行了滅火動作，則后面的房間就無須進入。這在具體的教學過程中就讓學生明白了，解決問題一定要抓住問題的本質，要找到解決問題最有用的方法，對于幫助不是太大的辦法則只要知道有這個辦法就行了，不需要進行太深入的研究。這種解決問題的過程，就是對學生的科技創新意識進行培養和訓練的一個過程。

又如，在2019年廣東省高中虛擬機器人“九宮探險”項目中要求學生編寫程序，控制好機器人在地圖中的九個格子里分別完成不同的任務，完成任務可以加分，沒有完成任務不減分。這個需要學生自行去判斷能否在90分鐘的比賽時間里編寫并調試好所有程序，并且要保證在運行的過程中機器人不可以脫離運行的軌跡，一旦脫離軌跡則機器人基本上沒有辦法完成后面的任務，整個過程中的時間分以最高的分值來算。在教學的過程中，我除了把完成每一個格子的方法教給學生之外，還得教會學生要學會舍棄，要根據自己所面臨的難題以及整個任務之間做出一個平衡的選擇，切不可貪多，以免造成整個任務的失敗。

機器人教育活動首先就是要增強學生的科技創新意識，要敢于突破原有解決問題的策略，勇于創新，打開想象的空間去探尋更多未知的世界。

2.在高中開展機器人教育會提高高中生科技創新技能

大部分高中生生活的場所主要還是學校和家庭，他們所接觸到的動手操作的活動相對于成人來說是非常少的。對他們來說，機器人的各種配件的組裝是比較復雜的，配件的選擇、安裝的位置、安裝的角度、配件安裝的穩定性等都會對裝配好的機器人的穩定有直接影響，做好機器人的安裝和調試可以提高高中生科技創新的技能。

在2019年廣東省高中虛擬機器人“九宮探險”項目中，其中一個格子的任務要求機器人在運行的過程中要能夠檢測出路徑上樹木的數量。樹木的數量有三種情況：0，1，2，機器人檢測出樹木的數量后再選擇不同的路徑行走。檢測路徑上樹木的數量主要使用的是避障傳感器，影響的主要因素有：第一，機器人在前進的過程中實際上是會左右搖擺的（無論是通過指南針的方式，還是通過巡線的方式都會造成機器人前進的過程中左右搖擺的情況），這個因素可能造成機器人多計或者少計樹木的數量;第二，機器人運行的速度，速度太快則可能機器人已經越過多根樹木，但傳感器卻還未檢測出樹木數量;第三，傳感器的數量、傳感器探測角度及探測的距離對探測的數量會有影響。傳感器數量少、探測角度太小、探測距離太遠等可能造成則機器人在左右擺動的過程中已經越過了樹木，但傳感器卻未檢測到樹木的情況。因此，學生在安裝的過程中需要多次調整傳感器的數量、角度、探測距離等參數，同時還要進行多次的程序測試才能順利的完成這個區域的任務，這樣的反反復復的實驗過程對學生技能的提升有很大的幫助。

3.在高中開展機器人教育可以促進學生各學科的平衡發展

在高中開展機器人教學不僅可以把更多新的機器人知識傳授給學生，提高他們動手操作的技能，還能夠激發學生把自己所學的各科知識運用到機器人項目上來。在學習的過程中，他們會碰到更多的問題，這些問題的解決一個是依賴于擔任機器人教學工作的老師，一個則需要他們自己去學習更多的其他科目的知識，途徑可以是上網查詢或者到圖書館查閱相關資料或者向他們的專任老師請教。這樣，就形成了一個“碰到問題——學習知識——解決問題——獲得新知識”的過程，如此反復，從而促進學生各學科的平衡發展。

三、我校學生參與機器人競賽成果一覽

均安中學致力于培養學生“八大”綜合素養，即科技思維、國學基礎、曲藝愛好，體育特長、書法通技、家園情懷、國際視野、領袖氣質，其中科技思維著重于培養學生對科技的敏銳感知力、探索和創新精神。信息科組開展以虛擬機器人結合開源硬件的創客教育，立足課堂，開設第二課堂和特色校本課程，成立興趣小組，堅持普適性教學和個性化教學相結合的教學模式，扎實開展學生科技創新實踐活動。科組克服重重困難，在低投入上實現高產出，近年來屢獲佳績。下表是我校學生參加機器人及科技創新競賽獲獎的統計情況。

四、我校機器人教育未來展望

1.積極爭取學校領導和社會人士更多的投入，在校外尋找與企業的合作。學校領導團隊和社會資源的支持將會為機器人教育發展注入強大的動力。在課室配置方面能夠擁有足夠豐富的儀器設備，可以進行多種實體以及虛擬項目的教學和試驗，老師和同學們可以在這里進行定時和不定時教學和試驗。機器人研發的企業有著專業的研發團隊、豐富的開發經驗、有配套的教程，引進企業現有的技術和產品能夠快速提高老師和學生的理論水平，邀請企業技術人員到校進行公益課的講授，可以讓老師和學生們接觸到最新的機器人產品，學生們能夠快速跟上時代的步伐，對提高他們的科技創新能力大有好處。

2.在課程安排上能夠有比較充足的課時，能夠開展更多的教學活動，以便吸引到更多學生的參與。正所謂“一人不成眾，一木不成林”，在以機器人競賽為導向的機器人教育，能夠參與的學生畢竟是少數，科技創新能力的培養和提高需要有更多的學生參與進來，形成一個人人愛科技、人人愛創新的局面，從而提高整個學校科技創新的氛圍，實實在在提高學生科技創新的能力。

五、結束語

在高中階段，利用機器人教育培養學生的創新能力是一個漫長、復雜的系統工程，需要投入大量的人力、物力和財力，但它卻是一個非常有效的途徑。在教學過程中，教師要結合學生實際情況和心理特征，探索更多的教學模式和方法，進而促進學生的全面發展，使其思維逐步得到培養和提升，形成良好的科技創新素養。

參考文獻：

[1]錢明輝.研究性創新[M].北京：科學出版社，2009：233.

[2]周恂.關于機器人教育中學生創新能力培養問題的研究[J].科學中國人，2016（36）.

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