借助智能机器人培养学生的创新能力初探

发布时间:2012-04-12 22:33:57  | 浏览次数:

 2006年我省全面进入高中新课改。此举为适应社会需求的多样化和学生全面而有个性的发展,引导创新与实践,倡导学生自主学习,合作交流的学习方式,注重培养学生分析和解决问题的能力开创了崭新的学习局面。无论是学校领导,还是一线教师,均感到高中新课程的实施带来了机遇,更带来了挑战。
    新课程突出:“注意素质培养;采用活动途径,倡导体验参与;开发课程资源,拓展学用渠道”等理念,这就要求我们必须在教学中勇于创新,勇于改革,不能满足于早期简单的教育模式。
在教学实践中发现利用好智能机器人这一平台可以加深学生对高中《通用技术》、《数学》、《信息技术》中都存在的与“流程设计”模块相关内容的理解,充分培养学生的创新能力。
    一、智能机器人的特点
    智能机器人的学习是以解决具体问题的学习方式进行的。运用学生已有的知识,成功地寻找达到目标的手段或途径,在过程中通过解决具体问题,达到学习目的。机器人结构有数百种零散的零件所组成,结构设计大多采用标准件、通用件,在机器人组装设计时可以给学生发挥想象的空间。学生根据要完成的具体任务,用这些零件拼装成造型各异的机器人,拼装出来的机器人身体要灵活,探测灵敏度高,还要结实,能经得起碰撞。机器人的形状没有固定模式,可以促使学生充分调动创造性思维。
机器人拼装好后,学生使用机器人所选用的LOGO、QBASIC、VB、C/C 、汇编等程序语言,以及可视化的模块化编程平台进行编程,编译完成的程序下载到机器人相关核心处理器中,然后机器人脱离计算机,根据程序指令,根据周围环境的不同信息来行动,实现完全智能化。当然,如果机器人没有按照预先设定的程序完成预定任务,这需在计算机上修改原程序,再下载,再通过机器人进行测试,直到机器人完全按要求完成任务为止。
    用计算机编写的程序可以是代码形式存在、也可以是框图的形式,编程就像设计流程图一样,学生易于接受,不会产生太大困难,在很短的时间内就能够学会。
    在此过程中学生可以:
    1.理解机器人的本质与基本工作原理,拓展知识面,从更深层次理解现代社会中的伦理道德。
    2.理解程序设计中的算法思想,学习程序设计的基本方法和技巧,体会用计算机解决问题的一般过程。
    3.通过设计、组装具有不同功能、结构的机器人系统,了解机器人的机械结构、驱动系统、控制系统、感觉系统、通讯系统等基本结构原理。
    4.通过竞赛、展示等活动,了解机器人的功能、应用领域、应用方法,培养团结协作意识、竞争意识,获得成功的体验。
   二、整合探索
    现在用于教育领域的智能机器人有很多,例如:西觅亚公司代理的乐高(lego)机器人、上海广茂达伙伴机器人有限公司能力风暴教育机器人、智能机器人教学版AS -RE、上海新昀电子科技有限公司未来之星教育机器人、广州中鸣科技有限公司电脑机器人等。
    各地区习惯使用的机器人尽管不一致,但其设计思想和操作方法大同小异,下面以主要以广州中鸣科技有限公司模块式循迹机器人。
    如果要组装一个能自主沿着黑线行走的典型作品【循迹智能车】,则有以下步骤:
    规划:确定需要组装一个可以转弯行走的路径模型,可以探测前进道路上有无黑线(能否反光),根据预定程序发出指令,控制电机转向和转速。
组装:
A组装车身,B、安装车轮,C、安装万向轮,D、安装双光反射传感器,E、安装电池盒和控制电路主板,F、连接控制电路。
3.编程
    安装完成后,可以用套件中提供的开发环境进行控制程序的设计了。
    程序由【程序开始】通过流程线连接若干命令到【程序结束】构成一个控制程序。用鼠标点击选中的命令,不要松开鼠标,将其拖到流程线附近,此时流程线会变成红色,松开鼠标左键,该命令就插在流程线中。根据你的设计将各个命令块逐个拖到流程线中,就构成了一个完整程序。
在循迹智能车程序中的每一个模块都可以从左边列表中拖出,经过简单修改就能符合作者的要求。最后,通过专用数据线把程序下载到控制器的RCU主处理器上。
    4.调试
    下载程序到循迹智能小车后,看看是否能循迹前进了,如果不成功,再检查一下,控制电路板连接是否正常,程序设计是否正确,直至完全工作正常为止。
    我们看到,小车的组装过程要求学生熟悉套件中各种部件的结构、作用,才能正确地确定设计方向,选择必须的零件;连接电路有要求学生熟悉传感器的作用,熟悉控制电路主板接口和传感器的关系;程序设计部分比较灵活,能充分反映出学生对算法(或流程设计)的掌握程度。
   由于智能机器人价格相对较高,尚不可能做到人手一台,因此大多只能作为教师在课堂上演示用,同时今年我校也建设有专用的机器人教室,可以让学生自主动手学习。尽管如此,由于程序设计的开发环境实现了图形化,在熟练掌握了基本操作后,学生或教师可以在数分钟内对程序进行修改,由机器体现出修改前后的变化,能使学生直观的掌握流程设计(算法)的思想,这是难以靠纸面上的例子和老师的讲解获得的。
三、三门课程相关模块的主要缺点如下:
    (一)高中数学必修3第二章《算法初步》在讲述算法、流程图等概念时基本上是以学生熟悉的初中数学知识为背景,如1、l小节例2给出求解方程组的一个算法;1.4小节讲述“算法案例”,其中一个案例就是:设计解决“韩信点兵——孙子问题”的算法;甚至课后习题也都是有关数学的。
    这样的编排,对在数学课上学习相应内容来说,学生固然比较熟悉,理解课程内容、完成课后习题也不应该存在什么问题。但是如果要学生把课堂上所学的算法思想应用到实践中,用这种思想去分析问题,解决问题,似乎就缺少了一条沟通的途径。实践中,教师大多只是为完成教学任务,很少注意、也难以做到把学生所学的知识与实际沟通起来。
    (二)相对而言,《普通高中通用技术课一技术与设计2》中相关模块是比较贴近实际的。比如第一小节以“回家拿钥匙开门的过程”为例引入“流程”的概念,在以后的教学中也都是引用生活和生产实例来说明相关问题,如“流程设计举例”中以“小铁锤的加工设计”为例;“流程优化”中以“校办厂的机械设备修理流程”为例讲解;“成本优化”以“某配送中心的配送线路图”为例讲解;课后要求学生参与的综合实践题目也是“可拆家具的组装”、“垃圾处理工作流程的改进设计”等。
    学生根据平时的感官体验和生活经验能够体会到这些问题,对书本上讲的内容应该不难理解。但是,正是由于书上所举的例子都是来源于生产生活,而这些例子在实际生活中的流程一般式固定的,即使有改进的地方,也都是不影响大局的修修补补,学生不可能体会到流程缺失甚至在总体结构上将流程改变所引起的后果。况且,通用技术课在高中教学中所占的课时不足(较好的学校也只是每周一课时,开2个学年,不少学校1周1课时,只开1学年),而如果要组织学生对某一课题实践,起码要4课时,因而大多教师都没有足够的时间让学生在实践中体会所学内答。
(三)信息技术方面的相关内容就没必要多谈了,主要是根据某一目的,转化为熟知的模型,从而确定算法,然后用某一种程序语言实现。虽然它有熟习的数学模型,有现实的背景,但是程序一点发生变化,就容易脱离实际,难以处理;而且很多错误的程序在执行后会产生怎样的结果使学生难以想象。
    这些问题,在引入了可在短时间内实际操作的智能机器人这一平台后,教学效果可以得到比较明显的改善。
     就“流程设计”而言,要观察到改变某一个流程前后的执行结果,用《通用技术》中的实际案例显得比较慢(有些要几天,几个月),甚至不等合实际,《信息技术》和《数学》中相应例子的流程变化虽然快速,能在课堂上短时间内完成,但是不够直观,也不一定能符合实际情况。而智能机器人的流程设计在一定程度上可以克服以上弊病,极大地提高了学生学习程序(流程)设计的积极性和实际效果,值得我们在教学中大力研究、探索、推广。
   智能机器人的研发与应用,虽然已有一段较长的历史,但其快速发展与较大范围的普及则是近几年的事情。智能机器人作为教学内容或教学手段进入中小学,无论国内还是国外,目前都处于起步阶段。以智能机器人为载体的教学,能够而且必须着眼于培养学生的综合实践能力和创新精神,其教学设计、教学模式、教学方法和教学评价也必须具备创新性。
   四、总结
    新课改实行几年了,如果我们仍然浮留在陈旧的教育理念上,认为教师是课程的实施者、执行者。如果还把自己定位在课程实施者位置上,只是想准确无误地领会课程设计者的思想,忠实地无条件地履行既定的课程方案,这就忽视了教师在课程开发中的主观能动作用,缺乏创新精神,没有达到新课程教学的最终目的。
    新课程改变了教师是课程从属者的身份,使之变成了课程主体,乃至课程本身。新教材努力把教材作为课程资源来使用,要求教师根据自身实际创造性地使用教材,用出个性化风格和特点,而不是生搬硬套地教教材。可以说,新理念的教学基本上改变了过去那种“教教材”的状况;其次,课程改革明确提出了课程资源的概念,强调课程资源的地位和作用是本次课程改革中的一个亮点。
    可惜的是,尽管我们有了课程资源的概念,同时有了课程资源的需求,但无论是认识还是实践都不够深入。就智能机器人来说,很多教师对它的认识还仅仅停留在综合实践课这一方面,《通用技术》和《信息技术》课程的教师大多也停留在本学科相关模块的教学应用上;《数学》课程的教师对此很少有认识到的。
希望随着课程改革的推进,让我们在创新的旗帜下与新课程一起成长
 
  参考文献
    1、《普通高中数学课程标准教学要求》
    2、《智能机器人是信息技术教育的良好平台》 郭善渡
    3、《智能机器人教学平台转变信息技术教学方式》 张磊 
    4、《二期课改要求我们教师转变什么观念?转换什么角色?》 杨春玲  
(阜阳市第三中学  王振强  胡震洪) 

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