浅谈在机器人教学过程中的“超前性”和“滞后性”--中国期刊网

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浅谈在机器人教学过程中的“超前性”和“滞后性”

发表时间：2020/11/23 来源：《中小学教育》2020年11月1期作者：谷海洋

[导读]

谷海洋鹤岗市劳动技术教育中心学校黑龙江鹤岗 154100
中图分类号：G652.2 文献标识码：A 文章编号：ISSN1001-2982 （2020）11-095-02

        孔子在《论语•述而》中说：不愤不启，不悱不发。意思是说如果学生不是经过深入地思考，想要探究知识的本质，就不要给予启发。实际上是说教育要掌握时机，只有在适当的时机给予正确的引导和启发，才能收到最佳的教学效果。
        机器人课程具有很强的操作性，学生在制作机器人的过程中能够获得关于各种物理知识和机械原理的直接体验。如果在教学中能够把握好“超前性”和“滞后性”，不但能够营造氛围，激发兴趣，而且能够使学生理解深刻，举一反三。
        一、布置问题应具有“超前性”，解答问题应具有“滞后性”
        通常情况下，我们都会在课前提出一些问题，让学生带着问题进行学习，这样往往能够激发学生的学习兴趣。但是实际上，在机器人教学过程中，仅仅是在课前提出问题，让学生进行思考，是远远不够的。因为我们在设计机器人制作项目的时候，更多考虑的是将机器人技术与生活实践相结合，让学生通过设计制作机器人解决生活实际问题。这就决定了学生在设计制作机器人的时候，需要更多地观察和思考生活中的具体问题，从生活中学习，在实践中摸索。而这些生活实践中的具体问题，往往无法一一在课堂上呈现。这样，布置问题的“超前性”，就成为了学生能够有效解决问题的关键。
        首先，布置问题的超前性有利于学生细致观察，解决问题。例如在制作转弯机器人之前，提前1—2天把问题布置给学生，让学生思考机器人怎样转弯。学生在课余时间，就可以通过观察汽车、自行车、拖拉机等交通工具，提出解决方案。其次，布置问题的超前性有利于学生深入思考，解决问题。当学生提出解决方案后，需要进一步深入思考，如所提出的解决方案是否科学，是否具有可操作性？如果提出的解决方案不止一种，还需要分析哪一种方案更合理，更易于实现？就上面谈到的转弯机器人，学生通常都会提出两种方案：一种是轿车式转弯，即通过前轮摆动一定角度，后轮推进转弯；一种是坦克式转弯，即两个驱动轮向相反方向旋转转弯。显然，坦克式转弯更加容易实现。那么，在实现坦克式转弯的时候，需要注意哪些问题呢，如机器人的高度、宽度和长度，机器人的重心位置，机器人应采用哪种轮胎对转弯的过程有什么影响等。这些问题都需要学生在动手实践前去考虑和分析。
        而解决问题要具有滞后性，正是为了和布置问题的超前性相呼应。当学生对所布置的问题进行了大胆假设和小心求证后，究竟自己的解决方案是否合理，就成为学生最为关注的问题。教师可以在此基础上对学生进行引导和启发，也可以对不同小组的解决方案进行横向比较，让学生经由引导和启发，通过比较发现解决方案的优点和不足，总结经验和教训。
        二、观察现象应具有“超前性”，揭示原理应具有“滞后性”
        在人类社会的发展进程中，各种技术的发展往往优先于对于原理的探究。透过现象看本质，是人类认识自然和改造自然所遵循的基本规律。在课堂教学中，我们也应该遵循这一规律，先让学生看到现象，然后再为学生揭示产生这种现象的原理。
        齿轮的应用在机器人制作课程中有着重要的位置，是机器人制作过程中应用得最多的简单机械。在讲解齿轮的应用时，可以先让学生尝试运用齿轮完成任务，如试着用一只马达驱动四个轮子，或者让学生制作爬坡机器人。显然，用一只马达同时驱动四个轮子，不使用齿轮是不可能完成的；爬坡机器人同样需要使用齿轮来获得较大的力量输出。学生在开始时不一定能够顺利地通过齿轮来完成任务，这时我们可以给学生一点时间，经过思考和不断地实践，绝大多数学生都会为自己的机器人加装齿轮来实现目标。然而他们只是通过对各种结构组合所产生的不同的结果进行比较和判断，并不懂得齿轮中蕴含的科学原理，而且，由于学生刚刚开始接触齿轮，所制作的结构也比较简单，无法体会到齿轮应用的“神奇”。
        这时，我们可以通过一个1：25的齿轮组，来让学生进一步体会到齿轮的“强大的力量”。

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这个1：25的齿轮组由两个8齿齿轮和两个40齿齿轮组成，原动力由第一个8齿齿轮输入，经过两级1：5放大，最后在40齿齿轮上输出的动力为原动力的25倍。我们可以利用这个装置，让两名同学进行一次特殊的“拔河”，比较弱小的同学可以借助齿轮的力量轻而易举地战胜“大力士”。如果我们把这个装置的输入和输出对换一下，就可以获得25倍的加速度，可以利用这个装置制作一个小风扇。这时，学生们才发现，原来小小的齿轮竟然可以有这么大的作用。通过这个特殊的实验，再来为学生讲解齿轮的作用，由于学生通过先前的机器人实验，已经具有了初步的认识，对于齿轮的作用就会有更加深刻的理解。
        如果我们先揭示原理，为学生讲解齿轮的功能，然后再让学生制作机器人，由于学生没有对机器人的直观认识，理论讲解只会让学生感到枯燥乏味；而后面的实验部分，理解了齿轮的应用的学生，只是对齿轮的应用原理进行简单的验证，没有理解的学生则不能够正确地应用齿轮，导致实验失败，使课堂教学变得毫无乐趣。
        三、动手实践应具有“超前性”，理论讲解应具有“滞后性”
        机器人制作是一个动手实践性非常强的课程。制作机器人的过程就象在搭积木，充满了趣味性。而爱玩正是孩子的天性，当孩子们面前摆出一块块神奇的积木的时候，谁还能要求他们认真仔细地听老师作理论讲解呢？所以，在机器人制作的教学过程中，一定要注意这一点——先让学生动手实践，让学生对于机器人的好奇和热情得到有效地释放，然后再为学生作理论讲解，解释学生在动手实践过程中遇到的各种现象，解决他们所遇到的难题。
        在学生初次接触机器人的时候，我们可以通过让学生拼装各种模型，如动物、车辆和飞机等，让学生了解各个零部件的结构和拼装方法。学生可能并不知道各种零部件的名称和功能，但是同样可以利用它们拼出漂亮的作品。这样远比单纯为学生讲解什么是板、什么是梁能够更快地让学生掌握拼装技术。我们也可以通过拼装橡筋动力车，来让学生掌握简单的机械结构，然后比一比，看哪个小组的橡筋动力车跑得更远。显然，要想跑得远，没有科学的结构是不行的。
        在程序设计方面，同样也可以让学生先试着动手为机器人编写程序，在实践中慢慢摸索程序的设计方法。现在，绝大多数的机器人都是以G语言为主要的程序设计语言，我们以乐高公司的教学机器人所采的EV3为例。在EV3中，每一个命令就是一个图型，既形象又直观，程序的执行顺序用各种连线表示，一目了然。除了有功能非常强大的发明家级别和研究者级别，EV3还为初学者提供了导航者级别，在导航者级别中，为机器人编写程序变得就象作填空题一样简单。这就为学生先行动手实践提供了条件。例如，在学习导航者级别2时，学生对马达命令下面的数字的含义并不理解。通过动手实践，学生很快就发现，随着数字由1—5逐级增大，马达的转速也会越来越快。这时，教师只需要简单地讲解能量级别的含义，学生就能立刻领会。
        机器人制作专业是一个充满趣味性和科学性的专业。它的趣味性在于每一个问题、每一个项目都有不止一种的解决方案，而每一种解决方案又都具有它所蕴含的独特的科学依据。对于在机器人教学过程中的“超前性”和“滞后性”的把握，正是基于机器人制作专业的这种特性。试想一下，如果在逻辑思维非常严谨的数学课中，把重要的理论讲解“滞后”，显然是不科学，也不现实的。因此，如果想要运用这种“超前性”和“滞后性”为课堂带来优异的效果，教师应把握好以下几个方面：一是专业本身应具有方法和结论“多样性”的特点，解决问题不依赖于某一特定的理论或方法，可以放手让学生去实践；二是学生应具有一定的基础知识，有能力去独立或合作去完成所要解决的问题；三是在教学的过程中，教师应对问题进行比较深入地挖掘，综合考虑学生实践过程中遇到的各种问题，以便在教学过程中能够收放自如。
        另外，在运用这种“超前性”和“滞后性”进行教学的过程中，还比较容易遇到两方面的问题：一是需要比较长的时间，让学生进行充分地思考和实践，因为有很多问题学生是可以独立解决的，这时候如果教师沉不住气，剥夺了学生独立思考的时间和条件，不但整个教学进程会被破坏，而且也失去了“超前性”意义，不会得到“滞后性”预期的效果。二是在教学的过程中，学生比较容易走弯路，这时教师应该“放手”让学生去走弯路，实际上“走弯路”是孩子成长的必经之路，通过走弯路，不但可以让学生更加深刻地理解“直路”的意义，而且可以让学生学会总结经验和教训，将来也就不会再走弯路。