為未來“智造”

葉嵐 江凌昊

摘 要：隨著新一輪教育改革的深化，南京科技創(chuàng)新教育也緊隨時(shí)代的步伐，以培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)、關(guān)鍵能力、創(chuàng)新意識為重任，致力于發(fā)展學(xué)生思維，全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，為孩子的未來打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為祖國未來的創(chuàng)新人才奠定基石。南京市科技創(chuàng)新“仿生機(jī)器人創(chuàng)意制作活動”就是這樣一個(gè)為學(xué)生未來發(fā)展而創(chuàng)建的智造舞臺。

關(guān)鍵詞：科技創(chuàng)新教育; 仿生機(jī)器人活動; 為未來“智造”

中圖分類號：G624.6? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1006-3315（2020）10-053-001

仿生機(jī)器人是學(xué)習(xí)基礎(chǔ)仿生機(jī)械運(yùn)動方面的活動。要求學(xué)生以130小型直流電機(jī)為動力，把奧松板、雪糕棒等原始材料進(jìn)行巧妙工程設(shè)計(jì)、技術(shù)加工、創(chuàng)意組合，制作出像老虎一樣四足行走、像袋鼠一樣跳躍、像毛毛蟲一樣蠕動爬行等五種仿生運(yùn)動方式的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

一、以實(shí)踐操作強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用

21世紀(jì)是科技突飛猛進(jìn)的時(shí)代，是全新的知識經(jīng)濟(jì)時(shí)代，為了讓學(xué)生能適應(yīng)未來社會的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生擁有很強(qiáng)的實(shí)踐操作能力，使學(xué)生學(xué)會應(yīng)用技術(shù)去解決生活中實(shí)際問題，成為學(xué)生適應(yīng)未來社會必備的關(guān)鍵能力之一。而現(xiàn)在獨(dú)生子女在父母過分的溺愛下，在應(yīng)試教育影響下，在活動安全的壓力下，幾乎沒有機(jī)會實(shí)際操作工具，導(dǎo)致動手實(shí)踐能力低下，這樣的學(xué)生一定不能適應(yīng)未來的社會發(fā)展。仿生機(jī)器人活動在這方面為學(xué)生提供了大量的學(xué)習(xí)機(jī)會與實(shí)踐平臺。

仿生機(jī)器人與其他機(jī)器人活動不同之處在于，它提供的奧松板、雪糕棒、齒輪箱都是未經(jīng)加工的原始材料，并且由學(xué)生現(xiàn)場制作完成。學(xué)生想要在現(xiàn)場制作出仿生機(jī)器人，必須先用這些原始材料加工出自己需要的零件，加工原始材料，就一定要使用工具。在仿生機(jī)器人加工中需要使用到“鋸切、鉆孔、緊固、用膠、齒輪箱組裝”等技術(shù)，在其他活動中很難同時(shí)涵蓋。

這些技術(shù)并不是一蹴而就的，每一項(xiàng)技術(shù)都有嚴(yán)格的使用方法和使用規(guī)范，工具手持姿勢、工具運(yùn)動方向、工具運(yùn)動的角度、工具使用的力度、工具使用中關(guān)注的位置等，都需要學(xué)生學(xué)習(xí)了解，再一招一式地模仿，還需要經(jīng)過一定時(shí)間的練習(xí)才能運(yùn)用熟練。學(xué)生在練習(xí)中積累、領(lǐng)悟，最終在實(shí)踐中強(qiáng)化技術(shù)運(yùn)用。不同的加工技術(shù)完成不同的加工任務(wù)，同一個(gè)加工任務(wù)還可以選擇不同的加工工具完成技術(shù)的實(shí)施，比如在鉆孔技術(shù)中，學(xué)生可以選擇手搖鉆、電動槍鉆、半自動手鉆等，每一種工具都可以完成鉆孔，但每一種工具完成任務(wù)的程度、使用方法都不同，學(xué)生可以根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇不同的加工工具進(jìn)行實(shí)踐操作，完全尊重學(xué)生的體驗(yàn)與感受。

二、以學(xué)科融合活化學(xué)科知識

隨著人類知識的豐富積累，知識正在不斷向綜合化、系統(tǒng)化方向發(fā)展，學(xué)生只會進(jìn)行單一學(xué)科知識的學(xué)習(xí)，不會將已有知識進(jìn)行交融、活化，已經(jīng)不能滿足未來對復(fù)合型人才的需要，而校內(nèi)由于受到國家規(guī)定學(xué)科課時(shí)的限制，學(xué)生很難真正實(shí)現(xiàn)多學(xué)科知識的綜合運(yùn)用。在仿生機(jī)器人活動中，則能夠讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)多學(xué)科知識的綜合運(yùn)用。

仿生機(jī)器人需要學(xué)生在現(xiàn)場制作出不同的仿生機(jī)械結(jié)構(gòu)，及與仿生結(jié)構(gòu)相配合的藝術(shù)造型。在這些結(jié)構(gòu)、造型的設(shè)計(jì)制作中，學(xué)生需要考慮電路的連接、齒輪的搭配、電源的選擇、杠桿與輪軸中力的計(jì)算、重心對運(yùn)動的影響，摩擦力的研究、藝術(shù)造型的設(shè)計(jì)、傳統(tǒng)文化的融入、表達(dá)的方式等各類問題。其實(shí)我們可以發(fā)現(xiàn)，這些知識來自語文、數(shù)學(xué)、美術(shù)、音樂、科學(xué)、信息等校內(nèi)課本或課外叢書中，學(xué)生們從小學(xué)開始，就已經(jīng)或深或淺的接觸，大部分是學(xué)生已經(jīng)掌握的知識。

比如以四足行走方式運(yùn)動的“萬獸之王”，在活動中需要完成競速和拔河兩項(xiàng)任務(wù)，競速是比較輸出速度，拔河是比較輸出力量。兩項(xiàng)任務(wù)都需要提高電機(jī)輸出功率，在電機(jī)不變的情況下，學(xué)生就要對電源展開研究，測量各種型號電池的電流與電壓，以獲得更高的輸出功率。確保高功率之后，學(xué)生要根據(jù)不同的任務(wù)選擇不同的齒輪配比，或減速以提高扭矩，或降扭矩以提高速度;研究機(jī)器的自重，或減重以提高速度，或增重以加大拉力;測試摩擦力的影響，或減小摩擦以提高速度，或增大摩擦以加大抓地力……還需要考慮藝術(shù)造型中色彩對評委視覺感受的沖擊、大小對運(yùn)動阻力的影響、重心位置對運(yùn)動穩(wěn)定的影響等諸多因素。由仿生機(jī)器人制作中引發(fā)的各學(xué)科知識集中出現(xiàn)，就逼著學(xué)生嘗試進(jìn)行學(xué)科間資源融合，將書本上的知識在項(xiàng)目制作中活化，在活化知識的同時(shí)，將知識網(wǎng)絡(luò)化，促進(jìn)學(xué)生發(fā)展科學(xué)思維，培養(yǎng)學(xué)生對知識綜合運(yùn)用的能力、知識與生活實(shí)踐相結(jié)合的能力。

三、以項(xiàng)目學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式

在傳統(tǒng)知識傳遞過程中，受到知識傳播途徑的限制，傳統(tǒng)課堂中教師的角色是知識的傳播者、宣講者，學(xué)生的機(jī)械的知識接受者。而隨著網(wǎng)絡(luò)社會的到來，知識的傳播途徑發(fā)生著根本的改變，獲取知識的渠道變得多種多樣，教師在課堂中開始承擔(dān)起組織者、引導(dǎo)者的角色。教師角色的改變，意味著學(xué)生學(xué)習(xí)方式也隨之改變。

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是一種以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)方法，仿生機(jī)器人為學(xué)生構(gòu)建一個(gè)真實(shí)環(huán)境，學(xué)生組建團(tuán)隊(duì)通過在此環(huán)境里解決不同的開放式問題，進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)，教師在學(xué)生的自主學(xué)習(xí)中僅僅是組織者、引導(dǎo)者。比如以模仿昆蟲前進(jìn)的“螞蟻雄兵”，需要學(xué)生用雪糕棒制作螞蟻的腳，那么雪糕棒的數(shù)量，雪糕棒之間的間距，則成為機(jī)器穩(wěn)定運(yùn)行的保障。在活動中，學(xué)生首先需要自主探究用雪糕棒分割圓，圓被切分得越細(xì)運(yùn)行越穩(wěn)定，但是跨越障礙的能力越弱，圓被切分得越少運(yùn)行不穩(wěn)定，但跨越障礙的能力越強(qiáng)。學(xué)生對此產(chǎn)生極大的興趣，從而通過比較切分圓的不同方式，自主探究尋找最佳的切分方法。在學(xué)生的學(xué)習(xí)中，教師首先通過工程任務(wù)的解讀，成為教學(xué)的組織者;再通過工程設(shè)計(jì)中的點(diǎn)撥，成為學(xué)生解決問題的引導(dǎo)者;當(dāng)學(xué)生出現(xiàn)懈怠時(shí)，教師是鼓勵者。從而使學(xué)生通過自己的探究，找到切分圓的最佳數(shù)量。

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在學(xué)生探究過程中，賦予學(xué)生創(chuàng)造力、團(tuán)隊(duì)合作和領(lǐng)導(dǎo)力、動手實(shí)踐能力，隨著學(xué)生能力的提高，能幫助學(xué)生從容應(yīng)對未來的挑戰(zhàn)。仿生機(jī)器人活動以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式，為學(xué)生創(chuàng)造了獨(dú)立實(shí)踐操作的機(jī)會和活化知識的空間，培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作精神，以及解決問題、獨(dú)立思考的能力，充分激發(fā)了學(xué)生的探究創(chuàng)造潛能，為學(xué)生未來的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。