中国机器人教育

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机器人教育改变了什么?

收藏本信息编号:335 发布时间:2011-09-27 截止日期: 地区:

机器人教育改变了什么?

淮安市长征小学 胡卫俊

[摘要]2006年我校在全市中小学中率先开设机器人教育课程。经过几年的摸索与实践,我校的机器人教育取得了丰硕的成果:香港国际机器人奥林匹克竞赛冠军、WRO世界机器人奥林匹克竞赛(中国区)季军、江苏省机器人大赛冠军、江苏省第三届家庭机器人大赛亚军、全国青少年机器人竞赛铜奖……学校机器人班的学生也由开始的7个人发展到现在的近二百人。随着机器人教育活动的不断普及,也让我有了更多的思考:机器人教育到底是什么,它对学生又能有什么样的提高和影响?

[关键字]机器人 机器人教育 学生

机器人教育作为素质教育的良好载体以其先进的教学理念和独特的教学形式成为开发和培养学生智能水平和能力结构的重要手段和方法。现在,已经有越来越多的学校、老师和学生开始接触机器人,感受机器人参与到机器人教育活动中来了。

一、机器人教育的特点

机器人教育是全兴的教育模式,由设计搭建——程序编写——运行调试几个部分组成,整个机器人活动过程主要体现以下几个特性:

(一)、娱乐性 教育机器人首先是一个玩具。以乐高NXT9797机器人为例,在它的套装中就有近500个乐高积木,学生就是利用这些积木进行设计和搭建,非常符合儿童的心理特点。制作机器人的过程实际就是一个玩的过程,在玩的过程中学习,也就是我们经常提到的“做中学”。

(二)、知识性 机器人活动涉及到多个学科,如数学、电子、光学、力学、电学、超声波学、自动化控制等等。而这些知识的学习和掌握完全是由学生自己通过主动探究获得的。

(三)、实践性 机器人活动中一方面需要学生进行搭建和拼装,是一个需要动手实践的过程,类似于活动课。另一方面,机器人的调试过程也是一个重要的实践过程,它需要学生通过不断地实践去发现问题,分析问题和解决问题。

(四)、逻辑性 机器人的运行需要程序的支撑,教育机器人之所以是高级玩具,也就是因为它有一个可编程的“大脑”。而程序的设计和编写对结构化和程序化的思想要求非常高,要求学生的逻辑推理性强。学生根据任务和场地条件模拟出各种可能出现的情况,并根据这些任务和情况进行程序的设计和编写以达到实现任务或避免某些意外情况的发生。

(五)、创造性 儿童是最具有创造力的,机器人教育活动过程实际上就是给儿童一个发挥他们创造力的大平台。他们可以根据自己的想法设计搭建出各种各样的机器人或模型。

(六)、探究性 在机器人活动过程中,学生会发现许多问题,这些问题中教师的作用只是引导和启发,更多的是要求学生通过自己的实践和探究得出答案。

(七)、协作性  小组合作是一种积极有效的研究性学习策略,通过小组合作学习提高了学生学习的主动性和学习的自我控制,促进了学生间良好的人际合作关系和心理品质发展。

(八)、挑战性 比赛是一个总结和提高的过程,机器人活动中经常会有大大小小的比赛,有同学间的,有校际间还有国际间的。在比赛过程会使学生体会成功的喜悦、失败的烦恼,更多的是让他们经历了挑战的过程,使他们的身心得到健康发展。

二、机器人教育的课堂是什么样的?

  针对机器人教育的这些特点,谈谈在日常教学过程中我是如何体现机器人教育的这些优点和特性。

(一)建构情境,学习新识

学生的学习需要兴趣和热情,并要求能够保持。机器人课本身就是一个好的情境,学生非常乐于上机器人课,在机器人的课堂中学生感受到的不再是学习的枯燥,而是学习的乐趣。

[案例1]会拐弯的机器小车(机器人拐弯的方法)

师:(向学生展示汽车和作战坦克拐弯的视频和图片,要求学生总结这两者之间的区别)

生:(兴奋地参与讨论)


师:(总结)生活中的汽车只有一个马达,也就是引擎,而作战用的坦克却是有两个马达。这是为了作战的需要,只有两个马达才能让坦克的动力更足,让坦克的拐弯更加灵活。

师:引出拐弯的三种方法(一停一前转、一停一后转、一前转一后转)

生:(编程实践)

这种联系学生认知水平和生活实际的课堂很容易让学生在快乐、轻松的气氛中学到新的知识和能力,从而激发他们的学习热情并保持延续性。

[案例2]精控机器人(角度传感器的学习和使用)

(课前准备,学生刚刚学生会用“时间等待”控制机器人的前行或后退,机器人现在已经在他们“掌控”之中,在他们心里自然而然的有一种控制欲,希望机器人任他摆布。)

师:机器人的前行我们已经会了,那你能让它准确的前行一圈吗?

生(大声):能!

(编程运行,过程中会因时间控制不精确或电量损耗导致运行失败,无法准确达到指定距离)。

师:引出角度传感器的使用——用度数控制轮子的圈数并引出圆的周长及其与度数之间的关系和运算方法。


生:用刚刚学到的知识完成下面表格:

任务要求

所用轮子的直径

所用轮子的周长

机器人直行的距离

程序中角度传感器的度数

调试几次后成功

直行1圈

 

 

 

 

 

直行1米

 

 

 

 

 

直行2米

 

 

 

 

 

简单的一节课就将数学里关于周长和圆的知识让学生在潜移默化中接受并掌握,学生不仅不累,反而更加乐于去学习和探索。

(二)联系生活,动手动脑

机器人教育和我们的生活实际是紧密相联的。学生在学习机器人制作的过程中既要求能够将生活融入到活动过程中,又要将活动的结果反馈或应用于生活。

 [案例1]机器警察


师:现代的军队中机器人警察已经得到很多的应用,如用于排除地雷的“排擂机器人”;用于反恐的“排爆机器人”等(展示视频和图片)。

在我们生活的小区中经常会看到警察叔叔在巡逻,为我们保平安,非常辛苦。如果能够设计一个机器人让它帮忙来巡逻那该有多好啊!(学生很兴奋)现在就要求大家设计一个能够帮助我们进行的警察,好不好?(学生跃跃欲试)。想一想,这样一个机器警察需要哪些结构或功能?

生(思考后答):巡逻路线、驱动力、危险情况(如火、电)的检测以及执行的动作……

师:(对学生的设计和想法提出鼓励,并提出指导意见)。

 [案例2]智能车库门

师:要求制作一个车库门,当汽车到门口时只需要将车灯有规律地闪几下(类似于密码),车库门就会自动打开。

生:提出解决方案并实施。

知识源于生活,用于生活,能够将学习的知识进行应用是时代对人的基本要求。

(三)程序设计,发展思维

程序的编写需要学生具有很强的逻辑推理和空间想像能力,它的结构化思想非常强。

[案例]巡线机器人

(用两个光电传感器设计制作一个能够沿着圆形黑线轨迹线运行的机器人)。

老师引导学生进行情况分析:

   1.两个光电传感器压线与没压线的四种情况:

      A)1号没压,2号没压(直行);

          B)1号压线,2号没压(拐弯);

          C)1号没压,2号压线(拐弯);

          D)1号压线,2号压线(直行)

       2.机器人运行速度可能导致的脱离黑线

       3.其它外部条件(如光线、闪光灯)等引起的环境变化

       ……

这些情况都需要学生在程序编写前进行分析和判断,并在程序中合理地、结构化地体现出解决策略。

(四)发挥想象,不断创新

几百甚至上千个零件,再加上生活中的各种电子产品和材料,这些都可以利用到机器人制作上。学生只有不断去发挥出他们的想像力和创造力才能实现创新,达到让人意想不到的效果。

 [案例]射门机器人

(要求:制作一个能够装尽可能多的乒乓球并能够将球打出去的机器人)

看看我们学生的两个典型方案:


  方案一:完全利用乐高积木搭建出“蘑菇云”似的漏斗,并在漏斗中安装一个能够上下运动的“捣球”装置,防止球卡住。最后球由一个不断旋转的“球杆”打出,这个装置一次可以装30几个球。

(方案一图)                   (方案二图)

 方案二:以“篮子”为设计元素,为了防止球卡住,“篮子”被分成了三层,第一层装球,第二层将球分别放入九个孔,第三层将孔里的球分别送出。射门就更让人意想不到了,这位同学设计了一个滑坡,让乒乓球一个一个的滚进球门!该装置可以一次性带80几个球。

(五)任务驱动,突出探索

机器人课堂通常会以任务驱动的方式组织课堂结构,目的就是突出机器人教育的一大特点:研究性学习。学生无论在课堂的内外都需要他们不断地去思考和探究以寻找答案或验证想法。

[案例]齿轮间传动认识

师:你们知道汽车为什么会有档位,高档位和低档位有什么区别?

生(联系生活实际):当汽车开始启动时都是低档;当想速度加快时就换高档……

师(展示前次课学生制作的风车):这是我们上次课制作的一个大风车(或电风扇),现在我想让它转的更快怎么办?

生:开始实践,让自己的风车(电风扇)转的更快。

师:(展示汽车齿轮箱的结构图,并认识该结构图,引入齿轮间传动关系。)


生:根据齿轮传动原理进一步改进自己的风车(电风扇)。

师:在学生已经了解和掌握齿轮传动的基础进一步要求学生进行实践、探索和总结下面的问题:

1)同样大小的两个齿轮能够起到加速或者减速的作用吗?

2)当大齿轮带动小齿轮的时候,是增加速度还是减小速度?

3)当小齿轮带动大齿轮的时候,是增加速度还是减小速度?

4)当速度增加的情况下,损失了什么?当速度减小的情况,又获得了什么?

5)联系生活实际,看看你周围都有哪些地方用到了齿轮间的转动。

……

我们可以想象一下,这样的一节课学生通过他们自己的实践和探索该有多大的提高啊!

(六)协同合作,互助互学

学习不是一个人的事情,往往需要学生之间、学生和老师之间、学生与家长之间共同协同合作才能完成。

[案例1]有一个同学,他的动手能力和观察能力非常的强,能将生活中的知识和经验应用于他的制作过程,往往当其它同学遇到了难以解决的搭建问题时,只要交给他,一切问题都会迎刃而解。但是他的不足之处也很明显,就是程序编写的能力不是很强,经常分不清什么叫跳转,什么叫分支。还有一个同学,他的程序编写能力非常好,空间思维和逻辑思维尤其的出色。在他进入机器人班后的短短两个星期就已经对机器人编程掌握地非常熟悉,能够运用各种子程序、事件完成任务。但他的缺点却是动手能力和自理能力特别差,搭出来的机器人总是在结构上出现这样或那样的问题。于是,在一次校际比赛中我就试着将这两位同学编成一组,让他们优势互补。结果,他们做出来的机器人不仅结构一流、程序也是十分完善,在那次的比赛中取得非常好的成绩。一段时间的机器人班学习,使这两位同学间的感情越来越亲密,学习上也互相影响,现在这两位同学都被南京的一所省重点初中所录取!

这是很明显的学生与学生之间的合作关系,下面的这个例子则是体现了学生与教师和家长间的一些合作关系。

[案例2]每年我们都会参加江苏省青少年科技创新大赛里的“机器人工程设计赛”,这是一个极具挑战性和创新性的项目,学生要根据大赛主题制定研究计划、撰写研究报告,并根据自己的研究成果设计和完成工程作品。这是一系列复杂和辛苦的过程,如果仅仅依靠才上小学的学生去完成是很难做到的。因此,在项目开始之前我会进行类似于下面步骤进行开展和分工:

1)由极具创新力和创造力的学生提出作品的初步想法和意图;

2)教师和家长共同对学生的设计意图进行论证并提出指导意思;

3)学生根据指导意思进行相关调查或调研,并在教师的指导下撰写研究报告;

4)由家长提供材料准备和后勤支援;

5)学生用机器人套装完成工程作品。

(七)参加比赛,综合提高(挑战性)

比赛是一个能够全面反映学生学习成果和综合素质的过程,它需要学生不仅有丰富的知识储备还需有较高的能力基础,如综合运用能力、分析和解决问题能力、受挫能力、协同能力等等。

[案例]在2008年“江苏机器人大赛”中,组委会规定,正式比赛前有45分钟的调试时间。由于参赛人数多,实际上每个机器人平均下来也就两到三次的调试时间。我们中的一位同学在第一次调试时成功了而且用的时间也是这一组当中最少,他很高兴。于是还想再试第二次,可惜这一次机器人却运行失败了。这下他开始紧张了,飞快地来到电脑前修改程序,接着再排队等着下一次调试。十几分钟后,他开始了第二次调试,刚才失败的地方这一次是成功通过了,可后面又有一个地方出现了问题,没有办法,他又拿起机器人再一次回到电脑面前进行调试,可等他程序修改好之后45分钟的调试时间已经到了,他不可以再进行调试了,只能直接参加比赛。结果是他的机器人没有能够完成所有任务。比赛完之后他很后悔,为什么不能静心静气地去认真分析和判断?为什么看程序修改时没有顾及后面的参数,为什么……有了这次的教训,这位同学在每次做任务时都力求自己用尽可能少的调试次数和时间,努力让自己思考的更加周密和细致。

三、机器人教育活动对学生的影响和提高

(一)、它是一个让学生更加自信的课程

机器人的课堂是由无数个大小任务组成的课堂,每一位学生,无论他多么的不自信,也无论他的文化学习成绩多么的不好,在机器人活动过程中都会因为能够完成与他相适应的任务而充满自信,每一个人都会体会到:“我行!”。

(二)、它是一个丰富学生知识,使学生适应时代要求的教育活动

机器人技术融合了电子、造型、传感器、机械、人工智能等当今多项领域的先进技术,它不仅体现了对未来科技发展的认识,也是培养新世纪人才的重要举措。比尔盖茨就曾预言说:“未来家家都有机器人!”

(三)、它是一个让学生提升智能(智力)水平的教育活动

美国教育学教授霍华德·加德纳将人的智能(智力)分为言语智能、逻辑数学智能、空间智能、肢体动觉智能、人际智能、自省智能、观察智能以及音乐智能这八个智能水平。除了音乐智能在机器人教育过程中表现的不是很明显外,其它各个智能水平都可以机器人教育活动中得以体现和提高。如在向同学介绍自己的作品和撰写研究报告过程中提高言语智能;在程序设计和编写过程中提高逻辑数学智能和空间智能;在动手实践过程中提高观察者智能和肢体动觉智能;在协同合作中培养人际智能;在失败的教训中提升内省智能等等。

(四)、它是一个让学生能力结构进一步优化和提高的教育活动

学生的能力结构通常有:想象力,创造力,创新力,耐挫折力、实践能力、思维能力,发现、分析、解决问题能力等,而每个学生的能力结构通常都会参差不齐,有的动手能力强,有的创新能力强……机器人教育活动过程中可以让每一个孩子都能够充分发挥自己的能力特长,使该能力得到进一步提升,同时,课堂上的各种学习方式更可以使其它相对较差的能力得到提高,使学生得到全面的发展。

四、机器人教育活动开展的一些反思

  机器人教育活动以其独特优势和特点已经逐步在全国各地展开,这是一个可喜的现象,但这其中也有一些现象和不足需要我们在今后的教学过程中不断反思和改进。

(一)、机器人活动变成了纯粹的比赛工具

现在的一些学校把机器人活动的开展只是作为一种争名逐利的工具,只是利用机器人来创特色,而并没有将机器人引入课堂,成为教育手段。

(二)、机器人教育缺乏统一的指导思想和规范管理

首先,市场上的机器人种类很多,但除了个别机器人品种(如乐高)是专心服务于教育外,其它更多的产品只是服务于比赛。其次,国家教育部门没有统一制定机器人活动课程标准,使得机器人教育活动难以形成统一的课程和规范,阻碍了这项活动的发展速度。
五、机器人教育的未来期望

作为培养学生智能水平和能力结构的良好载体,我们希望能够有更多的学校、教师和学生参与进来,让我们的学生得到更充分的发展,从而全面地提高我国素质教育的质量和水平。

 [参考文献]

霍华德·加德纳著,沈致隆译.《多元智能理论》[M],新华出版社.

毛新勇,《建构主义学习环境的设计》,《外国教育资料》1999年第1期;

钟启泉,《课程设计基础》,山东教育出版社,1998年;

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