数字化实验系统：培养学生创新潜质的教学应用

学习包中的模块机器人是培养学生创新意识、开发学生创新潜质的实验新平台。其学习过程要求在老师指导下自主活动、协作交流、完成小结、展示成果，让学生体验到主动获取知识的乐趣。因此没有一定的程式，只是区别必做实验和课题研究两项。

1.必做实验

（1）传感器实验

应用“模块机器人”组装一个用不同传感器控制小灯泡的装置，观察各种传感器对小灯泡的控制作用（图3—4—15）。

（2）控制器实验

①“与门”实验—应用模块机器人组装的模拟“洗衣机”控制电路

如图3—4—16所示，其中一个开关是电源开关，另一个开关由洗衣机的盖子来控制。只有当电源开关和洗衣机盖子同时闭合时，洗衣机的电源才能接通。

遗憾与反思：

应该说，本文涉及的DIS模块机器人V1.0只是研发中心在这个领域的初步尝试，算是完成了教材的基本要求。但按照现在我们对STEM教育的理解，这一代产品的缺陷还是很明显的。即便是随后定型的V2.0，也没有解决好一个很关键的问题，就是系统的开放性和兼容性。换句话说，对于用户来说，自行添加传感器和执行器还是难以实现的。这个问题要等到DIS的数字化创客工具包定型之后，才能得到圆满解决。

图3—4—15　各种传感器对小灯泡的控制作用

图3—4—16　模拟“洗衣机”控制电路

②“或门”实验

利用模块机器人自定一个项目，要求控制器采用“或门”控制方式来组装一个自动控制装置。

例如，图3—4—17为一个有光照或温度升高时排气风扇都能启动的自动控制装置，控制器采用“或门”控制方式。

③“非门”实验

图3—4—18为用模块机器人组装的火警报警器。调节温度传感器上的电阻器，观察报警器的灵敏度会发生怎样的变化。控制器采用“非门”控制方式。

(www.xing528.com)

图3—4—17　模拟“风扇”控制电路

图3—4—18　模拟“火警报警器”控制电路

从规定动作到自选动作—DIS模块机器人的发展方向与STEM教育的目标：

DIS模块机器人V1.0研发之初，除完成教材要求的功能外，研发中心尚不敢过多地规划机器人的扩展功能。其实即便规划了，就当时研发中心的技术水平也难以达到，且彼时整个研发重点基本都在解决实验问题上，在这个方面也没有多少资源可以投放。随着研发中心对学生科学认知发展的理解逐渐深入，以及技术水平的不断升级，我们最终认识到：DIS模块机器人必须通过建立开放系统，将其功能从有限的“规定动作”扩展为支持学生随心所欲、天马行空的创造行为的“自选动作”。因为教材的“规定动作”只是一种范式的教育，距离学生自己的创新创造还有一段距离。只有在开放平台的基础上，才能够给学生提供自由的空间和施展的天地，让他们能够根据自己的兴趣和实践的需求去演练“自选动作”。研发中心随后围绕STEM的专项研发，基本上都是按照这一思路开展的。

（3）执行器实验

用“不同的执行器”组装机器人：选定一个传感器和一种控制方式，然后采用几种不同的执行器，如灯、风扇、蜂鸣器等，观察实验结果。图3—4—19为用光传感器和“即时控制方式”的实验装置。

图3—4—19　模拟“即时控制方式”控制电路

2.课题研究

学生根据选定的课题，插上需要的传感器和执行器，确定控制器的程序后，完成模块机器人组装。图3—4—20～图3—4—23是根据课题研究要求完成的部分作品，如避障机器人、边沿机器人、抛球机器人、循迹机器人。

图3—4—20　避障机器人

图3—4—21　边沿机器人

图3—4—22　抛球机器人

图3—4—23　循迹机器人