◆潘天紅 陳山

1 引言

實踐能力培養(yǎng)是新工科建設(shè)的一個主要特征，它對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力具有重要的促進(jìn)作用。法國科學(xué)家貝爾納（諾貝爾獎獲得者）曾說過：“學(xué)生的創(chuàng)造力沒有辦法教，必須讓他們親自動手實踐，才有機(jī)會把自己的創(chuàng)新思想付諸實施?！苯陙?，習(xí)近平總書記在很多場合多次強調(diào)“深化教育改革，把增強學(xué)生的社會責(zé)任感、創(chuàng)新精神、實踐能力作為重點任務(wù)貫徹到國民教育全過程”。因此，創(chuàng)新能力是國家和區(qū)域競爭力第一要素，而實踐是整個創(chuàng)新能力培養(yǎng)的主要途徑，應(yīng)通過實踐性環(huán)節(jié)的訓(xùn)練與熏陶，進(jìn)而提高我國大學(xué)生的綜合素質(zhì)。

然而，社會的職業(yè)競爭和就業(yè)壓力迫使高校的大學(xué)生不得不把學(xué)習(xí)的重心放在應(yīng)付獲取各種“實用”證書上，如國家四/六級證書、普通話等級證書、國家計算機(jī)等級證書、駕駛證、導(dǎo)游證、雅思/托福證書等。學(xué)生準(zhǔn)備這些考試會花去大量的時間與精力，從而忽視工程實踐能力的培養(yǎng)。即便這其中有一部分人想提高動手能力，以更好地適應(yīng)社會需求，但由于經(jīng)費、器材、場地等多種原因，學(xué)校也無法提供一個良好的訓(xùn)練平臺。

LEGO（樂高）機(jī)器人將傳統(tǒng)積木與電子技術(shù)、控制思想以及計算機(jī)科技相結(jié)合，要求學(xué)生在實踐中相互合作、頭腦風(fēng)暴，分享彼此的思想和認(rèn)識；以項目為導(dǎo)向，要求學(xué)生全程參與作品設(shè)計；面對設(shè)計難點不退縮，增強應(yīng)對新挑戰(zhàn)的信心，從而快樂地學(xué)習(xí)。LEGO 項目以LEGO 機(jī)械零件為載體，以電子積木為核心，進(jìn)行作品設(shè)計與電腦編程，最終完成項目設(shè)計，是一種以項目設(shè)計為導(dǎo)向，培養(yǎng)創(chuàng)新思維的教育活動。因此，開展LEGO 器材設(shè)計和制作，無疑為豐富大學(xué)生的科技活動，使學(xué)生接觸到較為前沿的知識，搭建了很好的成長平臺。

2 LEGO 器材的功能和優(yōu)勢

LEGO 平臺來自丹麥，至今已經(jīng)熱銷世界70 余年。它是一個經(jīng)典教育產(chǎn)品，通過寓學(xué)于樂來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力，將“做中學(xué)”和“全人教育，全面發(fā)展”作為公司的教育發(fā)展理念。LEGO 機(jī)械積木為結(jié)構(gòu)類型的部件，種類超過6000 種。LEGO 的模型設(shè)計包括建筑、機(jī)器人、橋梁、雕塑、航天飛機(jī)、火車、汽車、過山車等各方面內(nèi)容，其優(yōu)勢在于傳動、連接部分十分精密，拼接之后的作品吻合度非常高。

LEGO 的電子積木包括智能型主機(jī)（Brick 模塊）、伺服電機(jī)（Servo 模塊）與標(biāo)準(zhǔn)傳感器（包括光電傳感器Light、聲音傳感器Sound、觸動傳感器Touch、超聲波傳感器Ultrasonic 等），如圖1 所示。LEGO 的NXT 控制器如同人的大腦；伺服電機(jī)則充當(dāng)人的肌肉，為機(jī)器運轉(zhuǎn)提供動力；四種類型的傳感器就像人的五官，感知外界信息，并傳送回大腦進(jìn)行信號處理。

圖1 LEGO MINDSTORMS NXT 電子積木圖

圖2 LEGO MINDSTORMS NXT 編程軟件

圖4 LEGO 的橋梁

圖5 左手法則的機(jī)器人走迷宮

圖6 LEGO 機(jī)器人

此外，LEGO 圖形化編程軟件將程序模塊化、集成化，然后以圖形的形式呈現(xiàn)，如圖2 所示，讓學(xué)生能夠直觀形象地理解掌握事件系統(tǒng)的邏輯關(guān)系，只要根據(jù)實際功能需要改動相關(guān)模塊的參數(shù)，就可以方便簡單地實現(xiàn)對機(jī)器人的實際編程應(yīng)用。這對沒有任何基礎(chǔ)的學(xué)生來說，無疑具有較高的親和性與實用性。

3 LEGO 平臺的創(chuàng)新教學(xué)

LEGO 創(chuàng)新教學(xué)過程是按著4C 理論設(shè)計的，4C 主要指Connect（聯(lián)系）、Construct（建構(gòu)）、Contemplate（反思）和Continue（延續(xù)），是通過學(xué)習(xí)和應(yīng)用人工智能技術(shù)，使學(xué)生感受到科技能給人類生活帶來的便利，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新技術(shù)的熱情，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。整個教學(xué)可分為三個主要的板塊：認(rèn)識基礎(chǔ)構(gòu)件、圖形程序?qū)W習(xí)、創(chuàng)作作品（如圖3 所示）。

圖3 LEGO 創(chuàng)新教學(xué)流程

第一板塊，讓學(xué)生從基礎(chǔ)搭建學(xué)起，學(xué)會用LEGO 積木搭建出日常生活中常見的一些物體，如單車、小汽車、小動物等。從對直觀性的物體模仿性搭建中，學(xué)生能接觸到結(jié)構(gòu)與設(shè)計，初步了解模型中的建筑結(jié)構(gòu)學(xué)、力學(xué)基礎(chǔ)，如接洽、咬合、受力、穩(wěn)定性等術(shù)語，對開拓直觀形式邏輯思維有重要作用。如通過搭建橋梁（圖4），學(xué)生知道如何去形成一個堅固的橋梁結(jié)構(gòu)，并且理解三角形結(jié)構(gòu)是最穩(wěn)定的，在提高空間結(jié)構(gòu)感、立體分析能力的基礎(chǔ)上，熟悉NXT 控制器、傳感器的原理及其使用方法。

第二板塊至關(guān)重要，在學(xué)習(xí)圖形化編程之前，首先要讓學(xué)生了解流程的含義及其對生產(chǎn)、生活的意義，然后才能講解NXT 2.0 圖形化編程語言中各種圖標(biāo)的用法、各功能模塊的信息以及如何連接。指導(dǎo)教師應(yīng)從案例著手，分析該案例的所需功能，以流程圖的形式說明它們的設(shè)計特點。

實例：如圖5 所示，如何讓機(jī)器人避障，并從起點走到終點？其實整個行走需要一個參照（墻壁），讓機(jī)器人知道自己身在何處，邊行走邊判斷。若采用左手法則，即機(jī)器人總是沿著左邊的墻走，當(dāng)發(fā)現(xiàn)沒有墻時就左轉(zhuǎn)，這時出現(xiàn)第一個問題：怎么知道左邊是否有墻？可以利用超聲傳感器裝在機(jī)器人左邊來判斷。如果機(jī)器人一直沿著左邊的墻走，會遇到第二個問題：假使前面同時也出現(xiàn)一面墻時，機(jī)器人就會撞墻。這時又需要另一個超聲傳感器來判斷是否撞到前方的墻，如果撞到前方的墻，機(jī)器人就右轉(zhuǎn)90°后繼續(xù)沿墻走。這樣整個流程設(shè)計就變成：當(dāng)左邊有墻時，機(jī)器人直走；無墻時左轉(zhuǎn)90°且直走一格；前方撞墻時，右轉(zhuǎn)90°。

當(dāng)然，教師在教學(xué)時不應(yīng)一開始就編寫如此復(fù)雜的程序，而是讓學(xué)生循序漸進(jìn)地學(xué)習(xí)。教學(xué)開始，先引導(dǎo)學(xué)生熟悉LEGO 機(jī)器人的分立動作（即讓機(jī)器人前進(jìn)、后退、原地旋轉(zhuǎn)、停止等），然后探討如何讓LEGO 機(jī)器人將動作連貫，實現(xiàn)連續(xù)運動。

第三板塊，創(chuàng)作作品的過程是讓學(xué)生結(jié)合已經(jīng)學(xué)過的各種LEGO 技術(shù)搭建復(fù)雜的、有創(chuàng)意的機(jī)器人，包括教材中提供的高級機(jī)器人的模仿搭建、學(xué)生自己設(shè)計制作的機(jī)器人和參加比賽的機(jī)器人。

如圖6 所示的Lego 人形機(jī)器人，有利于學(xué)生發(fā)揮想象力，利用積木去形成一個人形機(jī)械結(jié)構(gòu)，再嵌入相應(yīng)的傳感器與伺服電機(jī)。在此基礎(chǔ)上，利用超聲傳感器測距，感應(yīng)障礙物的位置；利用光線傳感器辨識物體的顏色和亮度；利用聲音傳感器感受聲音的強弱；等等。組合不同的傳感器，借助于程序設(shè)計實現(xiàn)不同的效果，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造思維與潛能，增強學(xué)生解決問題、分析問題的能力，提高他們的數(shù)理邏輯思維水平。

4 結(jié)語

創(chuàng)新是一個民族進(jìn)步的靈魂，是一個國家興旺發(fā)達(dá)的不竭動力，只有提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力，才能實現(xiàn)整個國家的創(chuàng)新。本文將LEGO 教育平臺引入大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)也只是一個嘗試，還有一些問題有待解決，如教學(xué)經(jīng)費缺乏、LEGO套裝零部件不足，限制了學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計過程。

當(dāng)然，通過LEGO 教育平臺使用，在這樣一個便利的設(shè)計環(huán)境里，可以激發(fā)學(xué)生極大的創(chuàng)造興趣，進(jìn)而提高學(xué)生的實踐能力。對學(xué)生來說，該項目直觀性好，也具有一定的情趣和挑戰(zhàn)性，適合團(tuán)隊合作，提供了解決問題的技巧，使他們能在自由空間去創(chuàng)造和探索。■