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实施创新教育是教育发展的必然要求,是人才培养的重要举措。科技小发明活动是创新教育的一个非常好的表现形式,在职高学校开展科技小发明教学有其现实的可行性,主要表现在以下几方面:(1)职高生具有一定的知识基础(2)职高学校具备相应的设备基础(3)职高学生的学业相对轻松。目前科技小发明教育的基本方式普教与职教基本相同,一般采用的是实例式的教学方法,即老师出一个实例,让学生了解一下创新的基本思路,比如说两用粉笔擦,先说明一下与传统的粉笔擦有什么不足,也就是不能干湿两用。然后教师引导学生发现问题后设计改进策略,学生会想到采用两个盒子分别装干的与湿的,这样干湿两用的粉笔擦就设计成功了。在这个过程中,培养了学生的创新思维。当然这一培养方式有一重大的缺陷,学生因为制作与发明的基础知识不足,而导致他们在实际发明的过程中不知道如何开始发明。光有一个想法,而不知道怎么实践。
二、在科技小发明教育中引进机器人平台的必要性
科技小发明虽然在提高学生创新能力方面有着极为重要的价值和意义,但在实际教学过程中,还存在一些问题,具体如下:(1)学生有了创新点,不知道如何制作出来(2)由于没有相应的设计与制作基础,学生也不清楚原设计的优点与缺点(创新的核心就是发现问题,解决问题),现在的小发明教育中在实施的过程中还存在一定的不足之处,存在一定的问题,要解决这个问题,本文介绍的机器人教学平台就完善的解决了这一问题。也就是需要在传统小发明的实例教学中增加机器人技术这一教学内容。机器人技术能够成功解决这些问题,能够提高科技小发明教育的效果,是值得实施的教育措施。
三、机器人平台在教学科技小发明教育中应用的价值
1.通过发明实例教学开阔学生眼界,培养学生的发散性思维。机器人技术在小发明教育中应用,通过实例教学可以开拓学生的眼界,学生通过对机器人技术的学习,了解相关技术原理和实践操作,对学生的创新思维能力的发展,发散思维能力的发展具有积极的意义。
2. 机器人教学能够培养学生兴趣,为学生制作打下基础,提高学生的专业能力。机器人技术教学可以有效提高学生的学习兴趣,同时其中的技术原理,设计步骤能够为学生学习技术发明技术奠定基础,能够有效提高学生的动手操作能力,提高学生的专业素养。
3.机器人平台在创新教学的优势
机器人教学的优势有以下几方面:(1)是一门有趣的课程。机器人课程是非常有趣的,乐高机器人号称是3岁到80岁的人都喜欢的一种东西。(2)隐藏细节,降低学习难度。对最难的编程而言,机器人的编程采用图形化的编程方式,不需要输入代码,直接用类似流程图的图标拉就行,不会出现单词拼写错误和语法错误的问题。学生下载了马上就可以看到效果,学生挫折少,兴趣高。(3)知识含量大,可以说是学好了一本通。机器人是一门交叉性很强的综合性学科,涉及到许多基础学科,以多种学科理论为基础。机器人又是一门实践性很强的学科,涉及到多方面的技术,均需要通过实践来实现。(4)在进行机器人项目的学习中能养成学生良好的科学素养。机器人课程具有高度的综合性。强调学生广泛地接触和收集各方面的资料,综合多学科知识,通过动脑、动手设计作品或产品,扩大知识面,提高综合设计能力。(5)养成了学生良好的团队分工与合作的素质。机器人项目的开展过程,其实就是一个完整的产品研发过过程,包括设计-搭建-编程-调试-改进。可以说小发明所需要的基本知识,基本技能,基本方法都包含在内。
四、如何规划机器人课程为科技小发明教学服务
科技小发明的制作无非为声光电一体化,需要电子、计算机、机械加工三合一的知识,因此在组织课程时,除了要让机器人项目有趣、易学,还要加强以上几方面的内容。在选择项目的原则是低起点、小步子、叠进式,把课程的内容分为功能原理部分,设计与组装部分,算法与程序部分,综合测试与调试部共四个部分的内容进行组织。在功能与原理部分把平时设计所需要的电子元件,机械元件进行原理说明,让学生能知道参数,了解原理,掌握判断元件的好处和挑选符合设计要求的元件。在设计与组装部分让学生详细了解元件的使用过程和搭建技巧,能让学生在搭建的过程中掌握选择合适的材料,设定相应的安装计划。在算法与程序部分让学生能够掌握把实际问题抽象成数学问题,算法问题最后以程序的形式来实现这一问题。在综合测试部分,让学生能够掌握各种测试的方法,让学生能够排除故障,调整参数。
在实际的操作的过程中,我校采用了以下方式来组织教学。首先在高一的学生中开设机器人通识班,主要通过学习“认识机器人”、“机器人小昆虫”、“机器人书法家”、“机器人保龄球”、“机器人运动会”,“机器人搬箱子”等几个项目让学生全面了解机器人。通过有趣的机器人学习,让学生掌握常用的动力器件:直流电机与伺服电机。常用的传感器:电流,电压传感器、温度传感器、红外传感器、指南针传感器、地面灰度传感器等。常用的编程与控制方法:顺序结构、分支结构、循环结构、基于时间的编程方法。有了这些知识与技能的储备,学生可以有能力进入到下一环节。
在高二阶段,开展机器人比赛,鼓励学生参加各类的机器人比赛(如:机器人灭火,机器人足球,机器人工程等)让他们对所学的知识加巩固。能够灵活使用所学知识对机器人加以改造,进一步提高学生对各元件参数的了解。同时在这一阶段,开始加入传统创新教育的内容,让学生了解创新,培养创新意识,提高创新能力。
在高三阶段,制作创新作品,参加创新比赛。同时教授科技专利书的书写方法及申请方法。鼓励学生把自己的想法变成创新作品,把创新作品变为科技专利。
一、在引导学生进行科技小制作时,要实现以下目标
1.提高学生爱科学、学科学、讲科学、用科学的科学素养,促使学生理解科技制作的原理,学会观察,学会探究,提高动手实践能力。
2.积极营造科技创新氛围,让学生在特色和兴趣中发挥特长,学会主动学习;感悟到探索和制作的乐趣,培养学习情趣和科技意识,提高科学素养和创新精神。
二、一项优秀的小发明制作应当具备新颖性、先进性、实用性和科学性等特点
1.新颖性是小发明质量标准中最重要的一条,是发明的实质,只有先确认一个项目是否具有新颖性,才能确定它是不是一项小发明。小发明的新颖性指在提出这项小发明之前,或在申报专利以前,没有出现过类似功能或技术的产品或制作方法。而且这项小发明并没有以任何形式向公众公开过,这就说明具备新颖性。
那么怎样才算发明具有新颖性呢?第一,在时间上,只要发明者在提出这项发明前没有出现过功能、构思、制作、技术相同的作品或制作方法,那这个小发明就具有新颖性。第二,如果在小发明之前满足以下任意一条就算具有新颖性:尚未在国内外的生产、生活实践中公开使用,尚未作为商品销售;没有在国内及国外的报刊、书籍等公开,没有在展览会上展出;没有人申请相关专利,并已经被批准授予专利权并且公开。凡是没有以这些公开方式公开过的都算是新颖的。第三,这项小发明的主体部分与过去已有的产品或者工具进行比较,具有新的功能或者有新的使用方法就算发明具有新颖性。
我们应该通过什么方法使小发明具有实用性呢?
第一,满足人们某些生活和生产的比较新的需求,发明就有可能具有新颖性;第二,对某项已有发明进行有成效的改造工作,这样发明也具有新颖性;第三,使已有产品的功能进行扩大,变成别的领域里的新产品;第四,在没有任何已有产品的借鉴下,完全凭个人的知识和经验进行独创,由此做出的首创发明就具有绝对的新颖性。例如,我国杰出的发明家周仪,经过多年钻研,发明直接度量圆弧长度的工具――弧长仪,突破“曲线不可直接度量的“公理”,是一项绝对具有新颖性的首创发明。
2.先进性是对小发明的技术要求。小发明除了要新颖外,还对它的使用及技术有所要求。如使用起来是否方便省力,使用中是否提高工作效率,技术上是否比已有的东西先进等,因此,先进性是小发明的又一个重要质量标准。
那怎样衡量一项小发明是否具有先进性呢?可以将自己的小发明作品与用途相似的、性能相同的已有产品进行比较分析,看一看发明的作品在技术上是否更先进。
3.实用性考察的是小发明的社会效益。实用性指这项小发明能制作成产品供人们和社会使用,使用起来方便,价值大。我们搞小发明的初衷是满足社会各种需求。因此,一项优秀的小发明必须具备实用性。有些小发明结构新颖,技术很先进,但是不够实用,制作难度大,甚至不能投入生产。或者生产出来,使用却极不便。那么,这些作品就不具备足够的社会效益,也就是不具备实用性。因此,在搞一项小发明之前,一定要认真思考,这项发明到底有没有实用价值。
在衡量一项小发明是否具备实用性的时候,应考虑以下问题:(1)是不是使人们原来使用过的工具、用具,增加了新的功能;(2)是不是让人们省了力,省了时间,节约了原材料;(3)这项小发明制作和生产起来,是不是简单易行;(4)使用方法是不是简便;(5)是不是容易推广普及。通过这五个方面的衡量,如果它是符合的,那么就可以认为这项小发明具有实用性。
应该明确:实用性体现着小发明的社会效益。判断一项小发明是不是实用,真正的、最高的权威不是发明者本人,而是使用这项发明成果的人。
4.科学性是决定一个小发明是否成功的决定因素。科学性指的是小发明的方法、原理、性能、构造等要有科学依据,不能违背科学原理,不犯科学性错误,不损害社会、环境的长远、整体利益。
一、动手动脑促发展――小制作不可取代的作用
1、学会“独创”──培养学生创新意识
学生创造意识的形成,关键在于培养他们的独创精神,培养他们自觉而独立地思考问题,找出解决问题的方法,培养其标新立异的思维,敢于突破常规,向传统挑战。在小制作、小发明过程中,可以让教师为他们提供较灵活的学习素材,让学生自己去探索知识的奥妙,寻找具有规律性的东西,彻底摆脱思维定势的影响。他们可以把一根根鱼骨变成漂亮的兰花,他们可以让矿泉水瓶展现水的净化全过程,他们可以让枯叶展现别样的风采……。在创作小制作、小发明的过程中,他们学会了独创,培养了创意意识,提高了创作能力。
2、拓展“视野”――丰富学生学习内容
小制作、小发明活动的开展可以极大的丰富学生的学习内容。
大自然包罗万象,奥秘无穷,每一门学科所包含的内容是丰富的,而各学科相互之间的联系更是让科学探索千变万化、丰富多彩。在制作小制作、小发明的过程中学生们要收集各种各样的资料、整理研究,而课外小制作又不一定只限于本学科知识的活动,只要学生的知识层次与能力层次允许,就可以制作,这样能够让学生更多地应用其它学科的知识与技能,作为课堂学习的补充和延伸,增强学生的综合能力。拓展知识内容。内容的多样性,既能激发学生的兴趣,又能培养实践能力和思维能力。
3、“争分夺秒”――引导学生学会“把握时间”
小制作、小发明的制作活动可以拓宽学生自行探究的时间。
学生自行探究是需要时间的,他们要有足够的时间进行活动、观察、实验、思考、分析和讨论,因而他们会“争分夺秒”,把握一切可以利用的时间,改变原有的“45分钟完成教学任务”的观念,把课堂探究向课外延伸,从课内走向课外,逐步养成合理安排时间、把握时间的良好习惯。
4、学会“自学”――增强学生终身学习的能力。
无论继承,还是创新,都需要不断学习。小制作、小发明活动可以让课堂教学延伸到课外,使学生离开了学校后还能继续学习和探究,“授之以鱼,不如授之以渔”就是这个道理。所以下课铃声并不代表学习活动的结束,应是一个新的开始。由于课堂时间和学生知识储备的限制,学生探究的问题不可能全部当堂解决,教师要通过巧妙的点拨引导他们向课外拓展延伸,涉猎更广阔的领域。
小制作寓趣味性、科学性为一体,能充分发挥学生的想象力和创造性,有利于对学生观察力,记忆力、思维能力、想象力与操作能力的培养,提高学生综合运用知识解决问题的能力,有利于提高学生的综合素质,有利于的兴趣、情绪、意志、性格等,更有利于他们素质水平的提高,可以说在促进学生发展方面有着不可取代的作用。
二、精心创作――小制作的制作过程及要求
小制作、小发明是如何产生的呢?下面我们就来说一说小制作、小发明的制作过程及要求。
1 选好课题是关键
在进行科技小制作时,所选课题不但要有实际意义,还要考虑学生的实际情况。因此教师在平时教学中要有意识地指导学生注意观察生活中的一些生物现象,启发学生透过现象看本质,从现象中找问题,再联系所学知识从多方位考虑解决问题的方法。如制作装饰画时,引导学生考虑生活中有哪些废弃材料可以利用?选择什么表达主题?根据这一主题选用了哪些材料?这些材料有什么特点?……选好课题后步步深入,层层递进。
2 科技小制作要有科学性
在科技小制作的过程中,包括作品的选题、设计、成果都要符合科学规律,要有科学意义和合理性。作品表现的生物现象要客观、真实、准确、形象,并能通过对其的观察,了解生命活动规律。如在装饰画中你可以利用青青芦苇描绘一片翠绿“竹林”,而不能刻画出勇猛的“百兽之王”,因为它们的类别、形象有很大差异,生活中也不存在绿色的老虎。
3 科技小制作要有创造性
小制作、小发明不一定需要昂贵的材料,不一定需要太高的技术,但一定要有创造性。因为有了创造性才有了新的生命力。比如一个小小的瓶盖,同学生会串成门帘、制作风铃、形成雕塑……它们只是生活中的废弃物,却在学生创作中成为艺术品,展现自己独特的魅力。
4科技小制作应注意的问题
(1)要从实际情况出发,不能好高鹜远,以至一事无成。
(2)平时要注意多观察,多了解大自然,尤其是丰富多彩的生物界有着各种各样的生物,又有着形形的生物现象,这些常见的现象往往能刺激我们形成创作灵感。
(3)要注意安全。任何物品器具要严格按规则使用。
(4)作品要有艺术性,造型美观大方,,感染力强,让我们在学到科学知识的同时,又得到美的享受。
从事科技辅导工作十余载,他取得了非常可喜的成绩——100多件发明作品获省级以上奖励、10余件作品获国家级奖励,先后被评为中国青少年科技辅导员协会优秀会员、湖南省优秀科技教师等。
廖振华从小就不安分,经常把家里的东西拆得七零八落,为此还挨了不少板子。家人本来以为当了老师的他做事会稳重一些,殊不知,江山易改本性难移。
2006年,怀抱着从事科技创新工作梦想的他毅然离开了条件较好的醴陵市第十三中学,到醴陵市实验小学担任专职科技教师。
万事开头难,虽然之前在醴陵市第十三中学兼职科教工作,但当真正全身心投入到科技教学工作中时,面对学生们天马行空的问题,他还是有些招架不住。
于是,他不得不买大量专业书籍给自己充电:《怎样成为发明家:50小时学创造》、《迷你科学小发明》、《让孩子学会如何创新》……一有时间他就专心阅读这些书籍,埋头钻研,有时候被书中某个新奇的创意所吸引,忙着做笔记,连饭都顾不上吃。
当有些问题在书中找不到答案时,廖振华也不怕笑话,揣着疑问去请教一些老专家和本校的老科技教师,或者是参加比赛时认识的科教名师。但凡与科技教育有点关联的老师,他都会主动联系,有事没事聊上几句。
为了提高自身的创新能力,廖振华把家里当成了发明创新的试验场,不放过任何一个好点子,并把这些好点子变成小发明作品。
当看到母亲搞卫生时踩在凳子上摇晃得厉害,他就发明了一把实用的两用椅梯;看到妻子在家做菜时不方便,他发明了人见人爱的“板栗剥壳机”;和儿子出去旅游时发现衣架带少了,便发明了“旅游用简便干衣架”……
不仅如此,他还专门建立了一个科技创新博客,将平时收集到的实用信息、科技资讯以及课堂实录、教学后记都记录在博客里,用以更好地指导科技教学工作。
作为醴陵市实验小学科技创新办公室主任,廖振华几乎将所有的时间都花在科技创新工作上,将科教事业视为红颜知已,家里的原配常常为此而吃醋呢。
他把学生当作自己的孩子,对他们呵护有加。平时都跟学生们呆在一起,学生们只要将新奇创意告诉他,他都会指导学生想办法将这些创意变成小发明。
科技创新社团就是廖振华指导学生们将创意变成发明的“大工厂”。这个“大工厂”里有500多名小成员,每天,科技创新社团的意见箱里都会有他们的好创意。
有时学生们的灵感来了,几十个创意一起爆发,这时候廖振华发挥“疯狂博士”的威力,手把手地教他们寻找创意中的关键创意点,各个击破,并联系生活实际,把脑海中模糊的想法具体化。
通过他和学生们的共同合作,一个个新颖又实用的小发明应运而生:卫星天线自动去除冰雪装置、手提电动切割机的除尘装置、自走式汽车用三角警示牌……
在课堂外,廖振华要求学生们多关注社会热点问题。醴陵瓷器出口为什么不景气?高铁建设与土地保护之间的关系如何?古文物保护存在哪些问题……为了解决这些社会问题,他带领学生们不断地进行调查研究,最后总结研究结果并写成科技小论文,提出解决办法。
当遇到不懂的问题时,学生们只要找“疯狂博士”廖振华就对了,他可以引导学生们探究问题的根源,做出意想不到的小发明。
2008年湖南出现冰冻天气,道路因此结冰,大量汽车堵塞在高速公路上,滞留时间最长达75个小时,能不能利用机动车的尾气来融冰呢?当学生向他请教这个问题时,他认真研究问题,引导学生从汽车排气管的尾气排放角度入手。
他们改变汽车排气管的尾气排放角度,将尾气引入到装有金属导流格栅的金属导管中,并用金属箍固定,从而制作出“汽车排气管余热道路融冰装置”。
从这些科技教学实践活动中,廖振华总结出了3种独特的教育方法:偶然发现法、课堂延伸法、问题探究法。这3件法宝不仅在醴陵市实验小学发挥了作用,还普及到了整个醴陵市科技教学领域。
目前,醴陵市实验小学设立了科技橱窗、科技长廊等阵地,网络活动室、科学实验室、机器人室、科技创新活动室每天都活跃着学生们的身影,校园科技文化艺术节、青少年科技创新大赛、科技制作等是他们大展身手的小擂台。
在廖振华眼中,发明创造并不神秘,只要善于发现生活中的不方便之处,对症下药,通过查找资料、反复试验,人人都可以做出小发明作品。
说起自己的发明经历,徐杨可觉得这在很大程度上要归功于自己小时候的“调皮捣蛋”。1999年8月出生的徐杨可是一个活泼好动、好奇心又很强的男孩,很小的时候,他就非常喜欢父母为他买的奥特曼、变形金刚等玩具,但和别人家的孩子不同,他总喜欢把这些结构复杂的玩具拆了装、装了拆,乐此不疲,也不知弄坏了多少。可是,爸爸妈妈对此总是抱着宽容的态度,从不责备呵斥。正是这样的兴趣爱好,让徐杨可领略了科学的无穷魅力,培养了他爱观察、爱思考、爱动手的能力。
进入小学后,在认真学习功课的同时,喜欢动手动脑的癖好又让徐杨可成为学校“五小”活动中不可缺少的骨干。为制作参赛的航模,他往往会折腾到深夜。爸爸妈妈曾很担心这会影响他的学习,但看到他的认真劲儿,就狠狠心不再干涉。
自己的痴迷、父母的开明和宽容,为徐杨可日后跨入小发明小创造殿堂,奠定了坚实基础。2009年,10岁的徐杨可首次在科技小制作方面崭露头角,夺得2009年全国青少年航海模建筑模型竞赛(江苏赛区)一等奖。其后,他的科学小论文、科技小制作相继获得南京市第15届中小学师生科技创新大赛科学论文项目一等奖、第22届江苏省青少年科技创新大赛环境科学一等奖、第23届江苏省青少年科技创新大赛健康科学一等奖……2012年,他又成为江苏省首批青少年科技创新标兵之一,这一年,他刚刚13岁。
说到自己最满意的小发明,徐杨可认为还是新型牛奶箱。
如今,订购鲜牛奶的城市人家日益增多,但在送奶工送奶时,要给一家家奶箱开锁、关门,大大影响了送奶效率,而且钥匙哗哗的响声、吱嘎的开关奶箱声和奶瓶“叮叮当当”的撞击声,也会影响人们早上的睡眠。于是徐杨可就想,如果能设计出一种新型奶箱,送奶人不需开门关门就能实现取放奶瓶,这些问题不就解决了吗?于是徐杨可经过仔细观察思考,在报箱的启发下,终于设计并自己动手制作出了一种新型奶箱。这种新型奶箱被分割成两个空腔,每个空腔上方各有一个圆口,圆口直径稍大于奶瓶直径,放空奶瓶的空腔底部垫高使瓶颈可伸出圆口。送奶工不用开关箱门,直接将空瓶取走,再将装有牛奶的奶瓶竖直完全放入另一空腔,既方便又节省时间,别人如果想从奶箱上方的圆口取出奶瓶很难,只有主人开箱才能取出。
这个作品在南京市中小学生科技小发明展示会获优胜奖,并获国家实用新型专利。
之后,徐杨可又针对化学元素周期表不容易记忆的难题,设计制作了“活动式化学元素周期表”。这一集工具和玩具于一体的设计作品非常简单,但创意十足,它由一些磁扣和一块白板组成,每个磁扣上都贴着一个标签,上面印着元素名称、元素符号和相对原子质量。它既可以作为学生记忆的工具和教师的教具,还可以充当游戏道具,让同学们在竞技活动中记忆。游戏方法还有好几种,可以把磁扣当成“牌”,按顺序进行出牌接龙,没有错误者胜;可以将磁扣当成“棋子”随机平均分配,两人在白板上交替下子,位置准确者胜;还可以多人玩,选出一位发令者,其余每人发一套磁扣,发令者说出元素名称后,玩家要迅速将磁扣放到白板的准确位置,准确率高者胜出。徐杨可把作品带到班上请同学一起玩,参加游戏的同学都很开心,一致认为游戏规则简单、记忆效果好。最后,此项作品获得了第26届江苏省青少年科技创新成果二等奖。
鉴于徐杨可多年的科技创新实践及其出色成绩,他在江苏省第5届青少年发明家评选中获得了“江苏省青少年发明家”称号。
除了搞小发明,徐杨可爱好广泛,喜欢篮球、吉他、游泳、阅读、唱歌等,特别是篮球,他是学校篮球队的成员之一,今年还参加了南京耐克2015-2016高中篮球联赛,并取得了好成绩。