2022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選在創(chuàng)客教育中培養(yǎng)發(fā)散思維的應(yīng)用實(shí)例摘要：在創(chuàng)客教育中，注重發(fā)散思維的培養(yǎng)，我校師生創(chuàng)客能力逐步提升。當(dāng)舊的方法無法適用新的需求時(shí)，我們的思維方式發(fā)生了轉(zhuǎn)變，發(fā)散思維的培養(yǎng)得到了實(shí)際應(yīng)用。在“智能運(yùn)輸”創(chuàng)客項(xiàng)目的探究過程中，我們將常用的“塔臺”結(jié)構(gòu)改裝成“轉(zhuǎn)臺”結(jié)構(gòu)來解決問題。關(guān)鍵詞：創(chuàng)客教育、結(jié)構(gòu)、發(fā)散思維。引言：隨著國家對教育信息化重視力度的加大，校園內(nèi)創(chuàng)客氣氛濃厚。我校近年來對創(chuàng)客教育極為重視，以人工智能機(jī)器人等技術(shù)為基礎(chǔ)，大力推進(jìn)創(chuàng)客教育。我們信息通用技術(shù)組的老師經(jīng)常和學(xué)生一起探究一些創(chuàng)客項(xiàng)目的解決方案，在此過程中，學(xué)生的發(fā)散思維得到了培養(yǎng)。 正文：

隨著國家對教育信息化重視力度的加大，校園內(nèi)創(chuàng)客氣氛濃厚。我校近年來對創(chuàng)客教育極為重視，以人工智能機(jī)器人等技術(shù)為基礎(chǔ)，大力推進(jìn)創(chuàng)客教育。我校信息通用技術(shù)組的老師經(jīng)常和學(xué)生們一起探究一些創(chuàng)客項(xiàng)目的解決方案。在此過程中，學(xué)生的發(fā)散思維得到了培養(yǎng)。在2019年安徽省青少年科協(xié)舉辦的機(jī)器人環(huán)保賽中，我們選擇使用的是套框結(jié)構(gòu)。我們在機(jī)器人身上搭建一個(gè)框式結(jié)構(gòu)，控制器控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)這個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，從而套住目標(biāo)物品，拖動(dòng)到任務(wù)地點(diǎn)。從機(jī)器人的實(shí)際使用效果看，套框結(jié)構(gòu)容錯(cuò)率高，但精度較低，還有一個(gè)很大的缺陷，不能把物品抬起來。任務(wù)物品在地圖上隨著套框移動(dòng)到任務(wù)地點(diǎn)，途中會在框中晃動(dòng)。如果碰到障礙物，任務(wù)物品就可能會傾倒。由于套框結(jié)構(gòu)的特性，決定了它對于很多復(fù)雜的任務(wù)就無計(jì)可施了。在今后的兩年中，我們也接觸了一些機(jī)器人智能項(xiàng)目。2020年安慶市教體局舉辦的創(chuàng)客機(jī)器人競賽中，各隊(duì)所采用的策略中都摒棄了這種套框結(jié)構(gòu)。我們看到了許多新穎的結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)了不少的經(jīng)驗(yàn)。比如“抓手”結(jié)構(gòu)就可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成“單爪”、“雙爪”和“多爪”?！皢巫Α苯Y(jié)構(gòu)是由一個(gè)齒輪帶動(dòng)橫梁進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，與另一根固定梁合攏，用于將物體固定到機(jī)器人身上?！半p爪”結(jié)構(gòu)則是由兩個(gè)齒輪耦合在一起，分別帶動(dòng)兩根梁相向而動(dòng)，形成抓手，將物品牢牢抓住。這種結(jié)構(gòu)是比較常用的。在“雙爪”結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上又衍生出“多爪”結(jié)構(gòu)，可以從多個(gè)方向?qū)ξ锲愤M(jìn)行抓取，對于抓取一些特殊造型的物品效果出奇的好。漸漸的，對于機(jī)器人智能項(xiàng)目，我們的經(jīng)驗(yàn)得到了增長，學(xué)到了一些結(jié)構(gòu)部件的搭12022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選建方法。對于一些任務(wù)策略也形成了一些固定的解決方案，能完成絕大多數(shù)的比賽任務(wù)了。在此基礎(chǔ)上，學(xué)校里創(chuàng)建了機(jī)器人創(chuàng)客社團(tuán)。學(xué)生在我們老師的指導(dǎo)下，沿著我們設(shè)定好的方向一步步的學(xué)習(xí)，熟悉老師設(shè)計(jì)的方案，在省市兩級的比賽中獲得了一些成績。 我們用的比較多的就是“爪子”結(jié)構(gòu)和“塔臺”結(jié)構(gòu)。機(jī)器人身上搭建一個(gè)“塔臺”，“塔臺”上裝上“爪子”。機(jī)器人利用“爪子”抓住任務(wù)物品后，送到指定地點(diǎn)再放下。在2022年省電教館舉辦的學(xué)生信息素養(yǎng)提升實(shí)踐活動(dòng)中，有一個(gè)項(xiàng)目是智能分類。這個(gè)項(xiàng)目地圖上的目標(biāo)物品均是喝水用的一次性紙杯，表面涂抹上了紅、黃、綠三種顏色。這些紙杯依次平鋪在地面上，機(jī)器人需要按照任務(wù)要求，將這些一次性紙杯從放置區(qū)搬到堆放區(qū)，依序搭成“山”字型。任務(wù)要求特別強(qiáng)調(diào)紙杯在運(yùn)輸過程中不能接觸地面，這就要求機(jī)器人從放置區(qū)抬起物品，運(yùn)輸?shù)蕉逊艆^(qū)才能放下。對于這種舉起物品的任務(wù)要求，通常我們會選擇組裝一個(gè)機(jī)械臂抓手，先抓住物品。而抬升機(jī)械臂的方法可以使用杠桿，也可以使用塔臺。杠桿結(jié)構(gòu)通過電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)軸、梁運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的抬升和下降。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是搭建比較簡單，結(jié)構(gòu)高度不會太高，重心低。杠桿結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是眾所周知的，省力費(fèi)距離，省距離就費(fèi)力。同時(shí)，因?yàn)楦軛U齒輪的原因，精度會比較低，對于搭“山”字型這種精度高的任務(wù)就力不從心了。最終看到的各種比賽方案中也沒看到這種杠桿結(jié)構(gòu)。另一種結(jié)構(gòu)就是“塔臺”結(jié)構(gòu)，就是先用梁搭建一個(gè)塔，梁上裝上齒條，塔中間搭建一個(gè)平臺，平臺上一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪沿著梁上的齒條逐步上升。機(jī)械臂也和平臺裝在一起。由于機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)需要緊密連接在電機(jī)上，這就要求電機(jī)也需要連接在平臺上，再加上驅(qū)動(dòng)平臺的齒輪電機(jī)，整體結(jié)構(gòu)就比較重，對電機(jī)功率要求比較高，在平臺上升過程中，因?yàn)槠脚_自身的重力，會造成電機(jī)上升阻力增大，控制精度降低，從而影響到最終的任務(wù)效果。 在此過程中，我們發(fā)現(xiàn)我們以往的教學(xué)方式存在著限制學(xué)生思維的問題。學(xué)生難以真正發(fā)揮出自己的創(chuàng)造力。根據(jù)比賽任務(wù)的要求，我們形成了如下的方案：基于鯨魚9101套裝的結(jié)構(gòu)件基礎(chǔ)上，利用了氣泵、電磁閥、單灰度傳感器、“杯托”、齒條、配重塊、萬向輪等材料自行設(shè)計(jì)的輪式機(jī)器人。下圖為我們的比賽畫面。此時(shí)機(jī)器人從出發(fā)區(qū)出發(fā)，巡線到達(dá)放置區(qū)A。22022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選圖1學(xué)生比賽畫面由于紙杯離放置區(qū)邊界很近，為了能精準(zhǔn)定位了紙杯的位置，我們在原有5灰度傳感器巡線的基礎(chǔ)上，又在左前方增加了一個(gè)單灰度傳感器用于檢測放置區(qū)邊框。通過“啟動(dòng)電機(jī)”指令設(shè)置此單灰度傳感器檢測到地表灰度大于2000時(shí)，上方電機(jī)控制機(jī)械臂擺動(dòng)到達(dá)紙杯上方。下方左圖為單灰度傳感器，下方右圖為機(jī)器臂。圖2單灰度傳感器圖3機(jī)械臂 當(dāng)機(jī)械臂到達(dá)紙杯上方后，通過雙電機(jī)控制機(jī)械臂擺動(dòng)和升降，電機(jī)升降采用齒輪在固定的雙齒條運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。下方左圖為雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)，下方右圖為電機(jī)運(yùn)動(dòng)的雙齒條結(jié)構(gòu)。32022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選圖4雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖5雙齒條結(jié)構(gòu)在機(jī)械臂的前端，我們自主改造了一個(gè)由電磁閥和氣泵控制的吸盤。當(dāng)氣泵工作時(shí)，電磁閥停止，吸盤會產(chǎn)生吸力，將紙杯吸附在機(jī)械臂上。下方左圖為電磁閥和氣泵，右圖為吸盤。圖6電磁閥和氣泵圖7吸盤此時(shí)，電機(jī)控制機(jī)械臂上升，并擺動(dòng)到主塔左側(cè)，然后打開電磁閥，關(guān)閉氣泵，紙42022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選杯就會掉落在我們設(shè)計(jì)好的“杯托”上。為了能讓紙杯更穩(wěn)定的留在杯托上而不晃動(dòng)，我們在杯托加裝了由7孔梁和120度角軸套等材料制成的立柱。下圖為“杯托”和立柱。圖8“杯托”和立柱由于我們在機(jī)器人前半部加裝了很多零件，導(dǎo)致機(jī)器人重心不穩(wěn)。為此，我們在機(jī)器人尾部加裝了配重塊，在機(jī)器人底部增加了萬向輪，由原來的單萬向輪改成了雙萬向輪的設(shè)計(jì)，讓機(jī)器人行走的更穩(wěn)。下方左圖為配重塊，右圖為雙萬向輪的設(shè)計(jì)。圖9配重塊圖10雙萬向輪通過以上的設(shè)計(jì)，我們能穩(wěn)定的抓取放置區(qū)的每一個(gè)紅杯子和黃杯子。我們嘗試過52022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選在機(jī)械臂上加裝半爪結(jié)構(gòu)去抓取綠色紙杯，但因?yàn)闀r(shí)間的限制還沒有成功。我們覺得我們還應(yīng)對機(jī)器人行走路線進(jìn)行優(yōu)化，爭取完成全部任務(wù)。針對這種情況，我們在想如果能將其中一個(gè)電機(jī)及其相關(guān)結(jié)構(gòu)從平臺上分離出來，減輕平臺自身的重力，電機(jī)能耗就能降低。同時(shí)因?yàn)槠脚_重量的減輕，機(jī)器人在行進(jìn)過程中重心更穩(wěn)定，有助于提高機(jī)器人的控制精度。我們召集我們創(chuàng)客社的師生在一起進(jìn)行了一場“頭腦風(fēng)暴”，嘗試了多種方案。最終我們選擇使用旋轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)，將控制機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)的電機(jī)安放在旋轉(zhuǎn)臺下方，控制機(jī)械臂上升的電機(jī)固定在旋轉(zhuǎn)臺上。這樣就能有效的減輕平臺的重量，提升電機(jī)的工作效率。 從“塔臺”結(jié)構(gòu)到“轉(zhuǎn)臺”結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變對于我們來說不僅是一次結(jié)構(gòu)上的改變，更是一次思維方式的轉(zhuǎn)變。它給我們提供了打破固有思維方式的經(jīng)驗(yàn)。轉(zhuǎn)變思維方式的過程既是對自己知識的總結(jié)，也是對思維的創(chuàng)新。我們在教學(xué)過程中常常教育學(xué)生要轉(zhuǎn)變思維方式，不能老是用定勢思維，而要嘗試逆向思維，更多的時(shí)候還要培養(yǎng)發(fā)散思維?！邦^腦風(fēng)暴”就是培養(yǎng)發(fā)散思維的一種好方法。在這次的“頭腦風(fēng)暴”中，我們不是只有從“塔臺”到“轉(zhuǎn)臺”的這一個(gè)地方發(fā)生了思維方式的轉(zhuǎn)變。在這次思維轉(zhuǎn)變的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，我們還將原來固定在塔臺結(jié)構(gòu)外部梁上的齒條也改成活動(dòng)的，而齒輪改為固定的。電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，這樣齒條結(jié)構(gòu)就可以上下活動(dòng)了。這樣電機(jī)的功率就可以全部用來提升機(jī)械臂，可以最大限度的減少機(jī)械臂結(jié)構(gòu)自身重力對電機(jī)的影響。 （因最終作品還要參賽，圖片暫不公布。）

此次省電教館的項(xiàng)目和以往我們參加的競賽項(xiàng)目有很大的不同。它沒有限制設(shè)備種類和材料，更開放，更能激發(fā)人們的創(chuàng)造力，讓學(xué)生能充分發(fā)散思維，利用多種材料組合構(gòu)成多種多樣的解決方案。從“塔臺”到“轉(zhuǎn)臺”的改變，對于我們師生來說是一次重要的體驗(yàn)，是一次創(chuàng)新，培養(yǎng)了我們的發(fā)散思維，也讓我們感受到創(chuàng)客教育的魅力。我們已經(jīng)有了這樣的基礎(chǔ)，初步擁有了適應(yīng)、改變和創(chuàng)造未來世