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我校创新人才培养-机器人实验室的介绍 来源:  作者:  点击率:7240次 时间:2014-08-22  

机器人教育实践中学生自主创新能力培养的探究

 

上海市行知中学  杨荣

 

一、问题的提出:

进入二十一世纪,知识创新和科学技术进步日益主导着人类社会发展的主流,人类社会进入了科学技术不断创新、知识更新不断加快的新的历史时期。科学技术是第一生产力,科技创新能力的高低直接决定一个国家在国际社会中的综合竞争力。我国政府实施了科教兴国战略和人才强国战略,这既是对时代特征和未来发展趋势的正确认识,也是对经济、社会、科学、文化深刻变革的积极回应。如何培养中学生的科技创新能力已成为教育领域亟待研究与解决的热点问题。
    机器人教育集成了数学、物理、化学、生物、机械、电子、材料、能源、计算机硬件、软件、人工智能等众多领域的科学与技术知识,无疑机器人教学是全面提升学生的创新能力的利器。如何应用好这一平台,为学生创建一个更有利于培养学生创新精神和创新能力的综合环境是本课题所要探究的问题。

 

二、研究目标:

在“教学做合一”教学方法的指引下,应用智能机器人这一高新技术的集成平台,为学生创建一个更有利于培养学生创新精神和创新能力的综合环境,探究有效提升学生创新精神和创新能力的方法。

 

三、研究内容:

1、基于智能机器人教学平台,构建有利于培养学生创新精神和创新能力的软硬件环境。

2、智能机器人教育实践课程的开发。

3、引导学生研发智能机器人自主创新项目,综合提升学生自主创新能力。

4、探究在智能机器人教育实践中培养学生创新精神和自主创新能力的有效方法。

 

四、           研究方法和过程:

结合智能机器人是多门高新技术集成的特点,在教学、实践和探究的过程中,遵循陶行知先生“教学做合一”教学方法,即“教的方法根据学的方法,学的方法根据做的方法。事怎样做就怎样学,怎样学便怎样教。教与学都以做为中心,在做上教的是先生,在做上学的是学生。 做为教学之中心,做是劳力上劳心。因此做含有下列三种特征:行动、思想、新价值之产生。是探究智能机器人奥秘及培养学生创新精神和自主创新能力的有效方法。

构建一个什么样的“教学做合一”的实践与探究环境?怎样在这一环境中更好的培养学生创新精神和自主创新能力?是本课题研究过程和方法中需重点思考和探究的问题。

根据前几年智能机器人教学实践积累的经验,在校领导的大力支持下,我们首先构建了智能机器人教学做合一实验室,营造了一个适合学生在“做中学”的实践与探索的环境,为学生探究智能机器人奥秘,进行自主创新实践活动搭建了一个硬件平台。我们引进了开放的机器人平台,运用先进的RISC结构,提供了几十路数字/模拟采集口、双向直流/侍服电机驱动口、调制输出口、UART串行通讯口、12C接口等,构建了智能机器人实践与创新综合实验室。

整个实验室根据应用范围划分为六大功能区域:

l        教学编程区:以2~3学生为1组,课桌椅采用便于学生讨论和制作的形式。

l        活动调试区:摆放各个机器人项目的专用场地,用于项目实践和比赛调试。

l        硬件改装区:放置专用焊接加工台和机械加工台,便于学生改装机器人。

l        实物展示区:展示各种各样的机器人,以及学生搭建的机器人和创新项目成果

l        设备存放区:存放机器人及其相关配件。

l        信息查询区:提供各类机器人相关图书、光盘资料供学生查阅。

 

同时开发了一系列学生“做中学”的课程,并设立了学生自主提高智能机器人领域知识和技能的分阶段目标。

智能机器人自主实践进程:

第一阶段  入门

1、进入机器人世界

以大量的机器人图片、视频介绍机器人的发明与应用,展望机器人发展与未来;介绍机器人三原则等概念,同时介绍当今机器人在教育中的应用与发展。

    2、认识Robot

    介绍机器人注意事项与使用规则,以机器人为平台进行项目功能演示与观看相关视频资料;动手完成第一个机器人项目“Hello Robot!”。

    3、Robot硬件解剖

    介绍机器人控制原理;介绍机器人上每一个部件的名称与功能,并通过项目进行相应的演示。

    4、软件的基础操作

    介绍BRD软件的框架与基础操作;按例一步一步搭建一个中等复杂的流程图程序,并进行编译下载;动手独立让机器人动起来。

第二阶段  项目(重点)

    1、单模块项目

    针对每一个执行装置、传感器、功能模块,选择相应的项目进行培训,项目难度从单模块运用→单条件判断→多条件判断→条件循环逐渐增加,一堂课可以完成1~2个项目。

    2、多模块项目

    随着难度的逐渐增加,开始进行2~4个传感器同时使用的项目培训。

    3、算法应用

学习程序算法、路径规划等较高难度的项目制作。

第三阶段  综合提升

    1、学会如何进行机器人项目管理

    从项目方案设计→方案细化→硬件组装→硬件调试→软件编程→应用调试→项目改进→项目演示→项目总结

    2、自选课题或项目,分组完成机器人创新及比赛项目

    选定项目→小组分工→设计加工→动手组装→软件编程→整体调试→比赛

在老师的领引下学生完成第一阶段的入门学习后,便可以根据自己的情况选择第二阶段的项目进行自主学习和实践。由于智能机器人本身的魅力结合“叫人起床、小保安、走迷宫、噪声监控器、红绿灯、楼道灯(声光控)、机器人寻宝、探矿行动、小小消防员、月球采矿”等趣味项目,学生们热情高涨,在自主探索和小组协同探究的过程中,学生有关智能机器人的相关知识和技能迅速提升,学生的动手能力、创造能力、综合能力、合作能力及创新精神大大激发,为学生进行第三阶段自主创新项目的探究打下扎实的基础。

经过一年左右的实践与探究,学生基本上能进入自主创新项目的综合实践,从项目选定、框架构建、图纸设计(AUTOCAD)、加工组装、程序开发、整体调试都由项目小组成员协同完成。教师在几个关键节点和过程中产生的问题进行引导、点拨及组织各个小组进行共同探讨。两年中学生设计及修改的CAD图纸多达上百个,加工、改进的KT板有几箱,在实践、试误、改进、再实践的过程中,学生自主创新的综合能力一次次提升,小组成员协同团队的智慧完成了多个集多种高新技术的系统项目和创新活动。如:灭火机器人、足球机器人、搜救机器人、铁骑神枪机器人、舞蹈机器人、智能化自行车泊车小厅等。使学生体会到学习科学,应用科学的巨大乐趣,极大提高了学生自主创新能力和综合素质。

 

五、成果:

1、智能机器人实践与创新综合环境的构建。

2、智能机器人教育实践和自主探究课程的开发。

   我们开发了三个层次共57个不同项目的课程。如:机器人舞蹈、叫人起床、小保安、走迷宫、人流计数器、噪声监控器、红绿灯、楼道灯(声光控)、机器人寻宝、探矿行动、小小消防员、月球采矿等。

   详见附件:智能机器人自主实践项目手册

3、学生自主创新项目及相关论文。

   在智能机器人实践与创新综合环境中,学生通过自主实践与探究,用团队的智慧完成了多个项目的创新活动。如:灭火机器人、足球机器人、搜救机器人、铁骑神枪机器人、舞蹈机器人、智能化自行车泊车小厅等。

课题实施两年中,在国内外各类机器人比赛中取得了优异的成绩。累计获市级以上奖77人次,一等奖32人次,其中足球机器人经过层层选拔冲入了世界杯的比赛,参加了目前世界上规模最大、级别最高的“2008RCJ机器人世界杯”的青少年组机器人足球比赛,以十胜一平一败的战绩获世界亚军。

详见附件。

 4、在智能机器人教育实践中学生自主创新能力培养的探究。 

 

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