中小学机器人教育的“微波教学法”

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  我们先引入一个生活实例:对于一台刚买来的全自动洗衣机,大人需要从说明书的第一页开始读,然后一步步学习操作。但孩子就不这样,他会需要跑到洗衣机旁边,大胆尝试按键,发现按了这个键洗衣机开始转了,他就明白了,这是开机键,如此反复,就能搞清所有的按键功能,并达到熟练操作的程度。整个学习的过程,儿童不用去读说明书这种“间接经验”,而是通过尝试操作获得“直接经验”。
  那么,这是否意味着儿童对于具体可感的操作技能具有一种良好的悟性呢?我们这样假定:对于操作层面技能的学习,一是其理论基础对于儿童来说并不太重要,二是儿童在这方面的学习可以从任意一点开始。我们对此进行了专门的实验研究,研究结果证实了我们的假设是正确的。正是基于这种“儿童对于操作层面技能的学习可以从任意点开始”的理论,我们创造了“微波教学法”。这个名字是我们的机器人辅导教师和学生共同命名的,它来源于这样一个形象的例子:我们用水煮鸡蛋,是先从外面向里面熟,往往是外面的蛋白都熟了,但里面的蛋黄还是液体状态;如果改用微波炉蒸鸡蛋,鸡蛋先从蛋黄开始熟,再熟到蛋白,是从核心到外围。根据这一特点,我们的机器人教学也采用从核心到外围的教学法,称之为“微波教学法”或“中心点教学法”。
  下面以足球机器人的教学为例,介绍“微波教学法”的具体操作过程。
  第一环节:操作机器人。当孩子第一次接触足球机器人,就给其一台硬件装配和软件程序都设计好的机器人,告诉其操作要领,然后,让其与一位水平较高的选手展开比赛,让其感觉到机器人的操作并不难,消除其心理上的神秘感和畏难情绪,从而掌握机器人硬件的操作技能,体会机器人比赛的魅力,从比赛中得到乐趣,从而产生浓厚的兴趣。
  第二环节:学习修改程序中的重要参数值(核心参数值)。教学生学习使用机器人测量磁场、地面灰度、环境光值等参数,并学会在程序中修改这些参数。可以通过两种方法进行训练:一是改变光照环境、换用不同的场地、移动场地的位置,分别达到改变环境光值、地面灰度、磁场的目的,让学生测量以上参数并将程序下载到机器人上运行,体会通过改变参数值达到使机器人适应场地的目的;二是给学生一组设计好的参数值,让学生分别修改参数后,将程序下载到机器人上运行,并与当时当地的真实参数值进行比较,让学生体会参数值对于机器人运行的影响。根据当时当地的参数值修改程序后,下载运行并对机器人运行结果的数据进行采集与分析,让学生掌握参数修改幅度与机器人运行变化幅度的联系,从而使学生牢固掌握机器人的秉性。
  第三环节:学习分解编写子程序。将足球机器人的整体程序分为几个子程序,例如:回防、进攻、追光、退守等,让学生逐个学习每个子程序中最核心的设计要素,并达到熟练掌握每个子程序的目的。在学习编写子程序的过程中,还有一些行之有效的方法,如:对比分析程序、优化程序设计、模块式强化子程序训练、单任务超越训练等。
  为调动学生学习子程序的积极性,我们创造了子程序任务教学模式:一是根据相同的任务分组设计程序,交流比较哪个组设计得最好,相互吸收优点、改进不足;二是分组设计不同的任务程序,然后下载到机器人运行,交流比较哪个组的运行效果好。我们还鼓励学生开拓思路,自己设计任务目标,然后共同完成任务,以训练学生应对复杂的任务和将任务分解的能力。任务教学既锻炼了学生的动手能力和编程能力,又让学生学会了更好地进行团结协作。
  第四环节:学习编写整体大程序。每个子程序熟练掌握后,再整合编写整体程序。要注意子程序之间的兼容衔接,注意核心程序的优化设计,保证突出发挥机器人的优势。将整体程序下载到机器人,观察分析机器人的运行效果,并根据效果进一步改进程序,达到软硬件完美结合的程度。
  第五环节:学习设计比赛策略。在学生中组织一些分组赛,在比赛的过程中,教师引导学生对赛况进行分析,分析对手的长处和缺点,分析自己的优势和弱点,引导学生制定比赛策略,并在比赛中应用策略,观察策略的实施效果,根据实际情况进行调整。经过多次的实战演习,在学生能够领悟策略的设计要领后,开始让学生自己分析、设计策略,并与教师设计的策略进行对比分析,最终达到能够根据实际情况分析局面、设计策略、应用策略、调整策略的目的。
  第六环节:学习外围相关软硬件知识和技能。围绕中心点知识和技能,编排完整的课程体系,让学生进行系统的学习。因为这时的学生已经深深爱上了机器人运动,而且意识到需要掌握更多、更全面的知识和技能,所以,学生能够较好地领会这些知识和技能在实际活动中的作用和价值,能够进行较为认真的学习。
  第七环节:自主学习相关理论支撑和基础技能。学生通过参加机器人活动,不仅提高了综合素质,学到了许多书本上没有的知识,而且有了将书本上学到的知识付诸实践的机会。例如:电流、电压、电阻、电机的功率、扭矩等。更让学生体会到了学科知识的理论支撑作用和基础技能对于设计、动手改装机器人的重要作用,他们会更加热爱学习,这时不失时机地发动学生自主学习相关理论和基础技能,可以收到良好的效果。
  以上就是“微波教学法”的主要方法步骤,整个过程的开始和每一个环节的开端,都是让学生触及机器人软件和硬件最核心的技术,然后逐步扩展开来,达到使学生熟练、全面掌握机器人操作、程序设计、硬件改造、策略制定等各种能力的目的,并最终达到综合素质的提高。
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