乐高机器人与中学生创新思维培养（终稿初版） - 图文

乐高机器人与中学生创新思维培养

摘要：国家主席江泽民说过：创新是一个民族的进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。在未来的科学技术竞争中，最重要的是坚持创新，勇于创新。在当今教育改革过程，素质教育越来越深入人心，而创新思维培养是素质教育的重要组成部分和根本要求。基于此，意在培养中学生的创新思维与创新能力的机器人教育慢慢兴起并普及。本文通过分析归纳中学生的思维特点，然后结合实际，举例讨论乐高机器人教育对中学生创新思维培养的重要影响与作用。 关键词：中学生，创新思维，乐高机器人。 Abstract：

President Jiang Zemin said: Innovation is the soul of a nation's progress and the driving force for the prosperity of a country. In the future of science and technology competition, the most important is to insist on innovation. Process in today's education reform, quality education has become more and more thorough popular feeling, and innovative thinking training is an important part and basic requirements of quality education. Based on this, the robot education, which aims to cultivate students' innovative thinking and innovative ability, gradually rise and become popular. In this paper, through analyzing the characteristics of the induction of middle school students thinking, and then combined with some actual examples to discuss the lego robot education’s important influence on the cultivation of students' creative thinking and action.

Keywords: middle school student, innovative thinking, Lego robot.

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1.创新思维???????????????????????????3 1.1创新思维的概念与本质???????????????????3 1.2中学生思维特点??????????????????????3 1.3中学生创新思维培养的实质?????????????????4 2.乐高机器人教育与中学生创新思维培养??????????????4 2.1现行课程的不足与课外科技实践活动的作用??????????4 2.2机器人教育的兴起?????????????????????4 2.3中国青少年机器人竞赛活动?????????????????5 2.4乐高教育机器人??????????????????????6 2.4.1乐高机器人简介???????????????????6 2.4.2 乐高配套语言编程：NXT-G编程语言??????????6 2.4.3 图形编程的优势???????????????????7 3.乐高机器人在培养中学生创新思维中的具体实现??????????7 3.1 简单项目与模型的改进???????????????????7 3.2 实际机械结构的搭建与仿真?????????????????7 3.3 仿生机器人????????????????????????9 3.4 人形机器人???????????????????????10 3.5 平衡骑士????????????????????????11 3.6遥控机器人（小车）????????????????????13 3.7智能寻线机器人?????????????????????15 3.8魔方机器人???????????????????????20 3.9 足球机器人???????????????????????20 3.10 FLL工程挑战赛项目???????????????????23 3.10.1 FLL挑战赛简介??????????????????23 3.10.2 2013届FLL挑战赛：关爱老人????????????23 3.10.3 FLL挑战赛的宗旨和作用???????????????26 结语??????????????????????????????27 参考文献????????????????????????????27 致谢??????????????????????????????28

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1.创新思维

1.1 创新思维的概念与本质

创造性思维是一种具有开创意义的思维活动，即开拓人类认识新领域， 开创人类认识新成果的思维活动，它往往表现为发明新技术、形成新观念，提出新方案和决策，创建新理论。从广义上讲，创造性思维不仅表现为作出了完整的新发现和新发明的思维过程，而且还表现为在思考的方法和技巧上， 在某些局部的结论和见解上具有新奇独到之处的思维活动。

从哲学的层面上看，创新思维的本质，是指能动地反映事物本质属性和内、外在有机联系，具有新颖的广义模式和结构的那种可以物化的高级思维心理活动。

1.2 中学生思维特点

1.2.1 特点一

形式逻辑思维逐渐发展并趋向成熟的同时，辩证逻辑思维出现、形成和较快发展且逐渐占优势

形式逻辑思维，是指在感情认识的基础上对事物本质联系的抽象同一的反映。它所反映的是事物的相对静止和不同的事物之间的确定界限。在形式逻辑思维活动中，人总是先撇开事物的个别性、差异性和运动性，而孤立地、静止地、抽象地反映客观事物的某一方面。辩证思维，是指对客观现实的本质联系的对立统一的反映。它既反映事物之间的相互区别，又反映它们之间的相互联系；既反映事物的相对静止，又反映它们的绝对运动。它承认事物自身的同一性，但认定这种同一性只存在于差异和对立之中。所以，无论在反映内容还是反映方式上，这两种思维都有明显的不同。

研究表明，中学阶段只是辩证思维出现、形成和较快发展逐渐占优势的阶段，而不是其成熟阶段。辩证逻辑思维是思维发展的高级阶段。在中学生的思维活动中，形式逻辑思维和辩证思维是密不可分地联系在一起的。前者是后者的基础，后者是前者的发展。前者的发展为后者的发展提供了可能性，后者的发展可以促进前者进一步发展。因此，就这一年龄阶段的思维训练的任务来说，应着重发展中学生的形式逻辑思维，同时也应培养他们的辩证逻辑思维。

1.2.2 特点二：创造性思维同再生思维同步发展：

思维活动总是同解决问题联系在一起的。根据思维所要解决问题的性质的不同，可把思维活动区分为再生性思维和创造性思维。再生性思维所要解决的问题，是人类认识已经解决的，但对于问题解决者来说，它可能是新颖的。创造性思维所要解决的问题，则是人类认识未解决的，并且是具有社会价值的，这两种思维

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方式虽然不同，但却是互相联系，互相渗透的。中学生学习的主要任务，是继承人类认识已经积累起来的知识经验，由此而决定，他们的思维活动基本上是属于再生性思维。但是，中学生再生性思维发展的同时，创造性思维也要有较明显的发展。这是中学生年龄段思维训练的又一任务。

1.3 中学生创新思维培养的实质

创新思维是人类思维的高级水平，是创造活动中的一种思维。一般经历准备期、酝酿期、豁朗期和验证期四个阶段。作为一种连续的思维品质，是思维的深刻性、广阔性、独创性、敏捷性的综合表现，灵感在其中起着重要作用。对于中学生的创新思维不能理解得太狭隘和绝对化。希望正在成长中的青少年学生要做出某种绝对的“新发现”是十分困难的，许多令他们欣喜若狂的“发现”其实往往只是别人早已知晓的常识。但是，只要这个“发现”是经过学生自己探究获得的就可以视为创新思维。基于此前提，培养中学生的创新思维，其实质是培养他们的勤于思考，敢于创新的思维品质和创新精神。

2.乐高机器人教育与中学生创新思维培养

2.1现行课程的不足与课外科技实践活动--创新教育的作用

在升学压力的下，现行中学课程普遍之注重对学生理论性的灌输与重复的做题训练，忽略了实践环节中对学生动手能力和自主探究能力的培养，不利于学生的创新思维和创新意识的培养与发展。

创新教育要求以人为本，过去的教育理论，在人的认识上更多地着眼于社会性层面的认识和分析，很少关注人性本身的内在东西，如认知心理、意志、性格、思维特性、兴趣、智能、情感、脑功能等心理和生理成长的规律和个性特点等问题，殊不知这些最根本的内在因素成长与否，对于一个受教育者的成长具有决定性的因素。传统的教育方法观察学生更多的是表现出来的行为和行为结果，而对为什么造成这种现象和结果的内在因素很少作科学性的研究。创新教育，要求从人的本性出发认真地研究我们的受教育者，让我们的孩子从小得到完全的人的教育，使人性本身得到健康地发展。

学生课外科技实践活动则顺应当下的教育教学改革的潮流，为中学生提供从课堂学习延伸到课外动手实践的第二课堂形式，大大的拓展了学生的课堂与课外生活，让学生在游戏竞赛轻松有趣的氛围中掌握必要的职业技术基础，学到课堂上无法掌握的知识。在各种各样的课外课内科技实践或竞赛教学内容，其中机器人教育作为重要的一部分，带给中学生科学启蒙，培养开发他们的工程意识，为以后作为理科技术人才奠定基础。

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2.2机器人教育的兴起

现代科学技术的发展，对中学教育产生了非常大的影响，提出了教育必须承担起提高民族创新精神和培养创造性人才的要求。20世纪50年代末，世界上第一台机器人诞生之后，机器人技术得到了迅速的发展。机器人是人类历史上所有创造和发明的结晶，是人类创新能力和创新成果的载体，它把人的智慧与机器融为一体，成为科技上永无止境的研究话题。

机器人技术是一个国家科学技术水平和国民经济现代化、化的重要标志，也是打开21世纪大门的钥匙。随着机器人技术的发展，其在教育领域的应用也逐步得到重视。

目前教育机器人主要应用于课内外教学和参加各级各类科技创新活动，表现出了无可比拟的教育价值和极待挖掘的发展前景，使机器人教育成为创新教育的切入点。

2.3中国青少年机器人竞赛活动

中国青少年机器人竞赛活动是中国科协主办的面向21世纪青少年的系列科技创新活动之一。该活动始办于2001年，竞赛旨在以丰富多彩、形式多样的机器人探究项目，培养青少年的创新精神和动手实践能力，激发他们对科学技术以及机器人研究应用的兴趣，提高他们的科学素质。同时，该活动还选拔国内优秀的青少年参与国际青少年机器人竞赛和交流活动。

2.3.1 足球比赛：机器人足球比赛，比拼速度和力量的同时，强调比赛中的技术成份。规则中采取了限制机器人动力的措施，益于机器人足球的正常发展，也激发了青年学生的强烈兴趣，通过比赛培养青年学生严谨的科学研究态度和良好的技能。

2.3.2 基本技能比赛：机器人基本技能比赛，要求参赛代表队在现场自行制作机器人并进行编程。机器人自动控制，在赛前公布的竞赛场地上，按规则进行比赛。此赛检验青少年对机器人基本技术的理解和掌握程度，激发我国青少年对机器人技术的兴趣，培养动手动脑的能力。

2.3.3 机器人创意比赛：创意比赛基于每年一度的机器人竞赛主题，中小学生机器人爱好者，花费6个月左右的时间，进行机器人的创意、设计、编程与制作，最后以具体的机器人创意作品的形式参加竞赛活动。创意竞赛益于培养学生学习与综合运用机器人技术、电子信息技术、工程技术，激发创新思维潜能，提高综合设计和制作的能力。

2.3.4 FLL机器人挑战赛：FLL机器人挑战赛是一项国际机器人比赛项目，

要求参赛代表队自行设计、制作机器人并进行编程。机器人在特定的竞赛场地上，按规则比赛。在中国青少年机器人竞赛中设置FLL机器人挑战赛的目的是激发我

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国青少年对机器人技术的兴趣，为国际FLL机器人挑战赛选拔参赛队。例如2009届的主题是: “快捷运输”。设想一下未来的运输技术，让我们对更高效更安全的交通运输方式，有个第一手的体验。

2.3.5 VEX机器人工程挑战赛：VEX机器人工程挑战赛也是一项国际机器人

比赛项目。参赛代表队须自行设计、制作机器人并进行编程。机器人可自动、手动控制，在特定的竞赛场地上，按规则要求比赛。每场比赛的时间是140秒。参赛队要开发许多新技能来应对面临的各种挑战和障碍。

2.4乐高教育机器人 2.4.1 乐高机器人简介

1998 年，乐高推出了“RCX 课堂机器人”系列，它将乐高强大的积木式搭建系统、电脑编程和丰富的课堂活动有效地结合在一起，具有容易使用、任意拼装以及其开放性等有点。它可以让学生有机会发挥想像力来设计自己的机器人，为学校的传统课程带来了一种全新的教育方式。其核心教育思想就是“动手做，做中学”，学生们需要共同面对不同的挑战，合作分享他们的想法解决实际发生的问题，广泛应用在科学、技术、工程和数学等领域。2006年乐高公司推出了新一代的乐高机器人LEGO MINDSTORMS NXT，将乐高机器人的微处理器从8位提升到32位，并内建USB和蓝牙模块，大大提升了其功能。乐高机器人教育以其创新性、实践性、发展性，在中学创新教育中占据了重要地位，成为培养中学生创新思维的最佳机器人组件。

2.4.2 乐高配套语言编程：NXT-G编程语言：

The LEGO MINDSTORMS Education NXT Software 是使用Lab View 引擎开发的图形化编程软件，该软件入门起点低，拓展面广，具有循序渐进式的友好的用户界面，整个编程界面只使用了43个命令图标，编程速度更快，功能更强大。软件共分为”模块界面、编程区、控制面板、参数设置面板和教学区“五部分，相比其它图形化编程软件，该软件在功能上做了很大提高，具体特点如下： a．基于 Labview 图形化编程语言（G 语言）

G 语言(Graphical Language)。G 语言是一个划时代的高效用的图形化编程开发环境，提供了一种更快捷的程序编写方法，编程环境直观明了，它有几百个模块组成，用一个个图形模块代替传统的编程语句，例如循环、条件等都有相应的图标，可以完成所有 C 语言和 VB 等语言的功能，设计者只需要把所需的图标从功能模块中抓取下来进行连线即可实现程序编写，无需编写任何代码，与传统编程的表现形式有根本区别，但其编程的逻辑思维与传统编程一样，和 C、

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VB 等一样都是计算机的编程语言。所有这些特性使 G 语言更易于学习，从而减少程序开发时间，提高编程质量。

b．循序渐进式的友好的用户界面

交互式快速入门向导, 三等级编程模块区，从易到难，从基本模块到高级模有38 个编程模块，入门更加快，方便、快捷。

c.模块化编程方法和思想。

软件以图标式的方法把常用的程序模块如循环、开关、if语句、case语句、等待、变量、信息收发等集成，只要按正确的逻辑把数据线路连接好就行，简单易懂。

2.4.3 图形编程的优势

中学阶段的青少年，还缺少必要的程序设计或编程基础，主流编程语言如C、汇编、java等，都以代码的形式对事物或时间进行系统逻辑概括和抽象，对没有基础的中学生来说，是难以掌握和理解的。

图形编程语言通过模块化图形化的方法，将程序模块化，集成化，然后以图形的形式呈现，让中学生能够直观形象的理解掌握事件系统的逻辑关系，学生只要根据实际功能需要改动相关模块的参数，就可以方便简单的实现对机器人的实际编程应用。因此，图形编程具有无可比拟的亲和性与实用性。

3.乐高机器人在培养中学生创新思维中的具体实现（具体案例分析）

结合前面分析的中学生思维特点与中学生创新思维培养的实质，下面以案例的形式由简到繁分析乐高机器人教育与中学生创新思维培养的具体表现与实现。

3.1 简单项目与模型的改进

对大多刚开始接触乐高的学生，看着乐高形形色色的积木块，最大的感觉就是新奇好玩，但对如何用这些积木去搭建一个模型却并不了解，这个阶段，应该让总学时从基础搭建学起，学会用乐高积木搭建出日常生活中常见的一些物体，如单车，小汽车，小动物等。从对直观性的物体模仿性搭建中，学生能接触到结构与设计，初步了解模型中的建筑结构学、力学基础，如接洽，咬合，受力，稳定性等术语，对开拓学生直观形式逻辑思维有中大作用。

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然后，在已有的模型中，让学生按自己的想法改进自己的模型，例如加上电动机让模型可以走动，增加传感器可以让模型有一定的感觉，对外接做出反应。 通过对常见物体通过乐高积木用直观模型表达，然后让学生根据自己的想象去改造，使之能完成学生自己希望的一些功能，这样可以充分调动学生的自主性与积极性，展现自己的创意，对学生的再生思维和创新思维都有很好的锻炼开发效果。

3.2实际机械结构的搭建与仿真（辩证逻辑思维的培养与拓展）

现实生活中各种各样的物体机械结构形式，都可以通过乐高积木仿真出来，如汽车的变速箱、离合器、差速器等，都是机械结构的典型。

最经典的简单模型搭建指南如日本乐高大师五十川芳仁的《虎之卷》，它几乎囊括了机械结构的所有形式，并用乐高积木很巧妙的搭建出来。《虎之卷》是中学生乐高机器人入门的最好参考。以下为其中一小部分截图：

经典机械结构的搭建，学生将接触到机械工程学的基础，如连杆，摇杆，齿轮，轴承等之间的相互啮合、传动、受力等知识，由此带领中学生走进丰富多彩的机械世界，在实践中学习理论，又将理论用于实践，使学生快速掌握机械科学理论精髓及其实际应用，拓展了其知识面，对学生的抽象思维与辩证逻辑思维起到很好的激励与推动作用：

3.2.1 差速器

差速器是汽车的一个重要构造部件，解决了汽车受一个动力驱动的两个轮子转弯时速度不同的问题，看似简单的结构，却蕴含了复杂巧妙的物理力学原理，会让学生觉得科学的有趣和有用。

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3.2.2变速箱

变速箱也是各种机动机械的重要部件，实现改变传动比；在发动机旋转方向不变情况下，使汽车能倒退行驶；利用空挡，中断动力传递，以发动机能够起动、怠速，并便于变速器换档或进行动力输出等功能，蕴含了高深的机械传动和汽车动力学知识。

通过这些经典机械结构的搭建并尝试应用，可以使中学生直观而直接地接触并理解复杂的物理学和机械学原理，即使只能达到

似懂非懂的效果，也已经大大的拓展了他们的思维水平。当他们尝试着对这些结构应用在自己搭建的模型上去时，就是创新能力与创新思维具体表现。

3.3 仿生机器人

以动物作为研究模仿对象，研究如何让仿生形机器人做出特定动物的行为动作，例如行走，跳越，逃生，觅食等。或以人类模仿蝙蝠发明雷达，模仿蜻蜓发明飞机等为切入点，制作一个以模仿某动物动作或能力的机器人，实现一定功能。

通过对一些动物的模仿仿真，引导培养善于观察的良好习惯，通

过对自然生物的细致观察，然后尝试用机器人具体描述出来，这个过程分为观察、

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思考、概括、规划、实施、验证等，学生可以充分发挥自己的想象，用不同方式，或简或繁的实现自己想要机器人要做的事 情，这对学生的抽象概括，再逆向呈现这种思维与动手能力有极大的推动作用。

仿生机器人manty的NXT-G程序：

此六脚仿真恐龙可以惟妙惟肖的模仿古代恐龙的一些习性，如走路、暴怒、打架、啸叫、觅食、自动避障、转弯回头等，

3.4 人形机器人

以人为研究对象，让人形机器人模仿人类

的动作，思维方式，判断执行等。智能仿真机器人一直都是机器人研究领域的核心，怎样让机器人可以像人一样反应、思考、决策、行动，是人工智能的研究重点。用乐高积木搭建的人形机器人，然后对其编程，使它能简单的做出人类的行为，如感官反应、行走、判断等， 将让中学生了解机器人技术在仿真人类上取得的成果及其未来的发展方向。

人工智能，一直都是机器人技术研究的核心，如何使机器具有人类的思维，是科学家孜孜不倦的追求，以此衍生出来的神经网络，模

糊控制等高端的科学分支。通过对仿人机器人的设计、搭建、编程，使中学生可以接触了解这方面的科学原理，拓宽他们的视野，增加创新思维延伸渠道。

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乐高这个人形机器人是官方公布的一款非常经典的教育用机器人，可以让学生自行搭建并按照自己的想法编程，使机器人可以做一些简单的类人动作和反应，让学生感受人工智能的魅力与乐趣。

人形机器人受本身结构限制，能实现的动作不多，编程比较简单，学生可以根据自己的想象和爱好，让机器人做相关的动作，如睡觉、交流、唱歌、跳舞、走路、识别颜色等。

参考程序：

灯光强度不够亮的时候机器人在打呼噜睡觉，当光线足够，机器人会自动醒来并打招呼。

机器人一听到音乐就会根据声音强度大小和节拍跳舞。

3.5 平衡骑士

利用角度传感器或光电传感器实现对两个轮子的骑士小车的直立平衡控制。

人如何能直立行走，行走的自行车为何不会摔倒，不倒翁是如何站住的、、、、、、这些例子都蕴涵着一种奇妙的物理知识：平衡。两个轮子的骑士小车，没开通电源之前是不能够站立的，打开开关之后它便可以自己保持平衡，维持站立状态，并有一定的抗推能力。怎么实现这种效果？平衡骑士将让学生在充满乐趣与刺激的氛围中摸索、领悟机器人是如

何保持平衡的，与此同时引导他们对其他事物在保持平衡方面的原理的思考与探

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索。

平衡骑士程序：

P、I、D参数和变量初始化，用光电传感器采集环境光感值，作为参考量

用端口光感值跟平衡前光感值最对比进行pid算法计算，计算

经pid计算后得到的数值驱动机器人C,B口电机控制机器人轮子前后移动，保持两轮站立平衡状态

3.6遥控机器人（小车）

遥控技术是遥控技术是对受控对象进行远距离控制和监测的技术，是通信技术和计算机技术而形成的一门综合性技术 ，是现代信息和通讯领域发展的一个重要分支。

对于自己的机器人，学生都会有一种可以自我操控的欲望，遥控自己的机器人，会给学生带来无限的乐趣和成就感的同时，让

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他们接触到现代控制控制理论，通讯原理，远程监测技术等。乐高NXT实现遥控以及机器人之间的通信是通过蓝牙收发技术实现的，蓝牙技术是一种优秀的短距离设备通讯技术。用两个NXT可以很容易实现对机器人小车的遥控，灵活的完成前后左右走、转弯、抓球、避障、报警等功能。通过这个项目，可以使学生清晰的认识到机器之间的通讯实现，掌握基本的通讯、控制理论应用。

遥控小车程序：

定义全局变量：power，reverse，angle，zhuaqu

邮件1接收来自控制器的信息，控制小车机械手抓取或放开物

邮件2接收来自控制器的信息，控制小车加减速、向前或向后行驶，功率范围控制在0-100

之间。

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邮件3接收控制器的信息，控制小车转弯

“小车程序”流程图： 开始 Power=20 Angle=0 Zhuaqu=伪 Reverse=伪 Zhuaqu取反，小车抓起或放开小球 邮箱1有信息 邮箱3有信息 信号：0 Angle-3，小车左转3度 Angle-3>-60 邮箱2有信息 信号：1 信号：1 Power-19 小车减速 Power-19>0 Angle+3，小车右转3度 第 14 页

Angle+3<60 信号：2 与前面障碍物距Power-19<100 离<50cm？ 发出报警声：attention并减速 信号：3 后面触动按下？ 发出报警声：watchout并减速

3.7智能寻线机器人

相对于人工遥控，让机器人自动完成某些动作，独立完成某种我们事先预设好的任务，显得更加有趣而富有挑战性，脱机智能机器人就可以做到这一点。最典型的例子就是智能寻线机器人。寻线机器人要完成的功能主要是跟着预设的轨道行走，包括直线、曲线、急转弯、交汇点等线路，用到的传感器有角度传感器和光电传感器。高级一点的寻线机器人涉及PID控制，是数学（微积分应用）和控制技术相结合的实际应用，对中学生来说会相对较难，但用乐高小车来描述pid控制会变得非常简单易懂，只是机器人根据光电传感器收集到的数据去控制自己的动作，使小车始终不偏离预设线路行走。因此，寻线机器人可以用最简单浅显的方式让学生基础到很高深复杂的数学与控制原理应用，对学生的智力、想象力以及思维是一个很好的挑战与激发。

寻线是机器人学习和教学的基础主题，有单光感寻线、双光感寻线、三光感寻线和多光感寻线等，设计思路更是多种多样，但目的都是一个：让机器人可以自行沿着设定好的轨道行走。

最典型的设计思路是“寻黑线中央”，利用黑线轨道中不同区域的光强度不同以及对称

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性，使机器人能分辨哪里是黑线的中心线，控制自身沿黑线行走：当光感完全在黑线中间时光值最小，往两边则递增。当光值在36——48时，表示光感在黑线中间，可直行；当光值>48且<62时，可朝一个方向试探性的校正0.1秒，看光值的变化情况，如校正后光值<校正前光值则表示正确，反之则反向校正；当光值>62时，表示小车基本无法找到黑线。

另外一种常用的寻线方法是寻黑线的边沿，由于黑白交界处光感值相差更大，因此这种寻线方法会更加准确，针对这种寻线，以下分情况分析寻线逻辑划分，最后形成PID控制寻线。

1.把这个数值线段平分为两部分：当光电传感器值小于45，让机器人左转；当光电传感器值大于45，让机器人右转。这里，不考虑机器人的转向动作的精确性，在相对较直的线上，机器人的转向动作可以比较细小，但在有很多弯的线上，机器人通常要有明显的转向动作，这种巡线方式能够完成巡线任务，但效果并不是很好 机器人会摇摇晃晃。

2.把光电传感器的读值线段分成三部分，当光电传感器值低于43时，让机器人转左；光电传感器值在44到47之间时，让机器人直行；光电传感器值大于47时，让机器人转右。这种巡线方式效果比上一种方式好的多，但机器人依旧会有相当数量的来回摆动。

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3.根据这个逻辑，分段愈多，机器人寻线越稳定，当把光感值无限分段后，得到比例控制寻线方式，即PID控制寻线。

所谓PID控制，其中P控制器为比例控制器，I为积分控制器，D为微分控制器，用Kp表示其值的大小，Ki表示I的值大小，Kd表示D的值大小，error表示某时刻的误差值，turn表示控制电机需要转弯量值，则PID控制表达式为

Turn （转向）= Kp*error(误差) + Ki*integral(积分)+ Kd*derivative(导数)

用turn去控制机器人马达的转向，可以使机器人平稳快速的沿着黑线边沿前行。

寻线小车机器人示例：

1.简单的单光感摇摆式慢速寻线

2.双光感快速寻线

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3.简单的三光感快速寻线：三个光电传感器左、中、右并排排列，如果是寻黑线行走，中

间的光感值大概为40，两边的大于40，根据三个光电传感器的光感值变化进行误差计算，实时调整电机功率，使机器人能平稳快速的沿着黑线行走。

3.高灵敏平稳寻线机器人：PID控制

PID控制程序中，可预置offset，Kp，Ki，Kd，K0的值，在机器人实际运行时可以进行调试，直到调到最理想的寻线效果为止。

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为了让机器人可以自适应场地环境，可以加入一下自适应，让机器人计算黑线阈值的算

法，简单的说，就是读取当前场地的黑线和背景白色的值，然后做平均值作为阈值offset（如下图）。

3.8 魔方机器人

魔方作为世界上最受欢迎的智力玩具，不管是那个年龄段的人，对魔方的兴趣与钟爱都不少。让机器人玩魔方，似乎是个不可思议的事情，但乐高魔方积木机器人却可以轻松做到这一点。魔方机器人涉

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及非常巧妙的机械结构以及复杂的编程，用到的传感器主要是颜色传感器和超声波传感器。其编程的复杂性对中学生来说是非常困难的，但网络上有开放的源代码提供调试与专研，这就为学生制作自己的魔方机器人提供了可能。

结构看似非常简单的魔方机器人仅用几分钟的时间便可以把一个任何形式的魔方复原，这对学生来说也是具有震撼性的，让他们知道，机器人其实可以做到很多甚至人类做不到的事情，启发他们敢于思考、敢于创新、干预实践的品质。

实例程序：解魔法程序逻辑关系相对比较复杂，有八十多条公式， 用NXT-G语言编写魔方机器人程序已经失去了它的优势。便已成功的机器人解魔法c语言程序代码是开源的，可到官方网站下载直接使用或参考修改（不做详细说明）。

3.9 足球机器人

机器人足球涉及人工智能、机器人学、通讯、传感、精密机械等诸多领域的前沿研究和技术集成，实际上是高技术的对抗赛。机器人足球赛有严格的比赛规则、融趣味性、观赏性、科普性为一体。其中国际上最具影响力的机器人足球赛事是FIRA和RoboCup。机器人足球赛从一个侧面反映了一个国家信息与自动化领域基础研究和高技术发展的水平。

机器人足球提供了一种素质教育和创新教育与前沿研究相结合的生动形式。基于乐高积木机器人的足球比赛相对比较简单，但整体上都全部具备其他高级足球机器人所需要的各种设备和要求，适合中学生的智力水平，可以让学生在充满乐趣和刺激的对抗比赛中了解到目前最新的机器人技术和动态，对其智力和创新思维有很好的综合性开发效果。

机器人足球竞赛场地平面示意图240X160X18(单位:cm)

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乐高机器人足球比赛场地墙壁内侧为不反光的黑色，球门内侧为白色，球门内基板为灰色，球场是一张灰度由浅至深的黑白图纸（用来让机器人识别敌我）。根据场地特点，足球机器人使用的主要传感器为光感和方位传感器，光电传感器用来寻找发光的足球，方位传感器用来判断足球处于那个位置以及判别地方球门，以便进攻（也可以用一般的光电传感器测试地面光感值变化来实现）。

选择低版本乐高积木机器人RCX搭建足球机器人如下：机器人四个角的轮子起辅助导向作用，让机器人不至于与墙壁摩擦而卡在某个位置。

足球机器人

机器人踢球流程图：

开球

原地找球 更换位置

判别方位 调整位置 跟踪并靠近足球 进攻 完成一次进攻 第 21 页

总程序图：

3.10 FLL工程挑战赛项目（多任务综合性挑战项目） 3.10.1 FLL挑战赛简介

FLL 机器人挑战赛是一项青少年国际机器人比赛项目。要求参加比赛的代表队自行设计、制作机器人并进行编程。参赛的机器人可在特定的竞赛场地上，按照一定的规则进行比赛。在中国青少年机器人竞赛中设置 FLL 机器人挑战赛的目的是激发我国青少年对机器人技术的兴趣，为国际 FLL 机器人挑战赛选拔参赛队。

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FLL每年确定的挑战赛主题都是跟当时社会的热点问题相对应，再结合最新的科学技术与机器人发展水平，提出解决特定热点问题的方法与策略方案，有很强的时代社会性与前沿性。如2003届火星探索，2006届纳米技术，2009届智能交通，2012届食品安全等，都属于当时社会的热门主题。科技在这些社会问题上的应用作为挑战赛的最显著特点，主要体现在机器人在解决这些问题的重要作用上，让中学生在比赛中接触最热点社会问题，培养他们关注社会与科技发展，探索机器人科技在解决问题的方便，激发他们的创造性思维与解决问题的能力。 3.10.2 2013届FLL挑战赛：关爱老人

“关爱老人” 竞赛场地

（1）任务介绍：

任务名称 保龄球 任务模型 任务内容及得分条件 乐高球将保龄瓶击倒 未全中 全中 蓝补丁 分值 7分/个 60分 15分/个 30分/个 针线活 被子补丁接触到黑色目标区域 黄补丁 可视通话 旗子保持直立状态 20分/个

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机器人向灰色圆盘施力，使电宠物狗 话向前移动并进入到基地 吃药 绿色的药瓶在基地 25分 20分 火炉 所有四个火都变黑色 25分 植物的底部接触到白色的目标园艺 区域 修复好的椅子在基地内 修复椅子 修复好的椅子任何一部分（投25分 影面积）在桌子下面 重物被抬起后的高度与红色标15分 记重叠。 力量练习 重物被抬起的高度高于红色标 25分 记。 架上小球机器人移动杠杆，当前中心位得分 球类游戏 置的小球就会被己方颜色的小中心位置球所代替 小球得分 60分 10分/个 15分 25分 灵活性练习 共鸣 机器人将黄色的环带回基地 20分/个 场地里的标杆与对方场地里的45分 标杆平行排列（不论方向） 机器人完全停在月台上，月台45分 持倾斜状态 换乘 机器人完全停在月台上，月台65分 持平衡状态得分 机器人每次将转轮转动90°每两次转动转盘之间，机器人必有氧运动 须至少完全返回基地一次，得分取决于转轮上指针的位置

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（2）任务分组方案设计：

任务组１：

机器人向北运动，推送两组补丁到各自位置－途中将小旗立起－推动灰色圆盘让狗回到基地－将椅子带回基地；

任务组２：

机器人向东运动，拔动健身器１次－举起重物－第１次击打保龄球－取回高低环－返回基地的过程中取回绿色药瓶；

任务组３：

机器人向东北运动，送回修复好的椅子－推动球架推杆－种植花卉－关闭火炉

任务组４：

机器人向东运动，第２次拔动健身器－第２次击打保龄球－从东侧的斜坡上平台。

机器人小车搭建参考：

（3）程序设计：

A、主选择程序：分任务完成整个乐高fll比赛，也就有几个子程序需要切换运行，直接手工退出切换会浪费很多时间，一般会把各个任务的子程序打包在一个主选择程序里面，通过按NXT按钮来选择子程序运行。

主选择程序：

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B、部分子程序：子程序可以打包在主选择程序里的一个选择循环模块，方便切换运行。

任务1：

任务3：

3.10.3 FLL挑战赛的宗旨和作用

FLL工程挑战赛属于综合性问题解决竞赛，其成立的宗旨与作用在于激发学生参与科技的兴趣；鼓励学生在玩乐中学习；提供有趣而富有创造性的动手体验过程；尝试利用机器人技术解决现实问题；引导学生反复试验，培养挫折感与严谨的科学素养；建立自尊自信以及培养团队合作精神等。

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在任务问题解决上，FLL挑战赛只给出具体结果要求而没规定问题的解决方法与形式，这给学生提供了开放性的思考与实践空间，可以充分发挥和发掘学生自身创造性思维和解决问题的能力。

结语：

中学时期青少年的思维正处于一个快速发展和成形的阶段，除了科学理论知识的掌握之外，更需要真正的实践机会。要中学生真正发明创造一些东西，是不切实际的，创新思维培养的实质是创新精神与素质的培养。

本文在分析概括了创新思维的本质和中学生创新思维培养的实质基础上，以实践性的机器人科学教育为切入，结合具体应用项目，分析乐高积木机器人制作在中学生创新思维培养中的作用，在实践中拓展中学生的科学素养和工程意识，培养中学生的创新意识与创新精神。

乐高机器人教学与竞赛融合了计算机、机械、电子、通讯、控制、声、光、电、磁等多个学科领域的知识。在活动中，既教会学生去思考，又让学生通过动手、动脑，培养综合素质。学生通过亲手组装机器人系统、检测调整传感器、编制调试控制程序等工作，能够使学生的综合知识水平得到提高，尤其在开发和培养中学生创思维和意识上效果明显，使学生的动手能力、综合应用能力、逻辑思维能力、创新能力等都能得到全方位训练和提升，对进行学科知识渗透、培养素质全面的创新型人才具有重要的作用。

附录：

1.PID算法逻辑程序代码：

PID程序代码如下：

Kp = 1000 ! 用 Kp*100，因此Kp实际为10 Ki = 100 ! 用 Ki*100，因此Ki实际为1 Kd = 10000 ! 用 Kd*100 ，因此Kd实际为100 offset= 45 ! 初始化变量 Tp = 50

integral = 0 ! 用于存储积分的变量

lastError =0 ! 用于存储最后一个误差值的变量 derivative = 0 ! 用于存储导数的变量 Loop forever

LightValue = read light sensor ! 当前光电传感器的读值

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error = LightValue - offset ! 减掉 offset（补偿量），计算误差值 integral = integral + error ! 计算积分值 derivative = error - lastError ! 计算导数值

Turn = Kp*error + Ki*integral + Kd*derivative ! “比例控制部分”+“积分控制部分”+“导数控制部分” Turn = Turn/100 ! 记住消除Kp，Ki和 Kd中因数100的影响! powerA = Tp + Turn ! A马达功率值 powerC = Tp - Turn ! C马达功率值

MOTOR A direction=forwardpower=PowerA !在马达模块中设置A马达的功率值和转向 MOTOR C direction=forwardpower=PowerC ! 在马达模块中设置A马达的功率值和转向 lastError = error ! 把当前误差存储在变量lastError中，作为下一次循环的最后一个误差 end loop forever ! 结束循环，返回，进行下一次循环

2.几个机器人合照（部分因为零件不够拆掉了，不在）

3.部分视频文件（截图）：

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参考文献：

【1】.Yorihisa Yamamoto 《基于模型设计自行平衡控制两轮机器人》 Application

Engineer Advanced Support Group 1 Engineering Department Applied Systems First Division CYBERNET SYSTEMS CO.LTD.

【2】. 苏晓玲 《中学生创新思维培养研究——以湖南师大附中为例》 湖南师范大学硕

士学位论文，2008-10-01.

【3】.崔世钢，李春华，郝立果，郑 桐 《发展机器人教育培养综合型创新人才的研究与

实践》 [A] 天津工程师范学院学报

【4】.乐高教育理念：做中学

[EB/OL].http://www,semiacom/lec/lego education/LEGO Education-xuexifang,html,2007-05.

【5】.河风《在机器人教学活动中培养学生创新思维》 西宁市少年宫,2011.

【6】.王益，张剑平 《在机器人教育中提升学生的科学素养》中国教育信息化--浙江师范大学教育技术系，2012

【7】.FLL世界机器人锦标赛 [EB/OL],http//www.fistlegoleague.org/default.2007-05. 【8】.许菲菲，林俊，陈晶 《浅析中学生的创新思维培养》[B] 沙洋师范高等学校学报，2012-04

【9】.中文乐高论坛 http://bbs.cmnxt.com. 2013.

【10】赵勇 《两轮不稳定机器人载体运动及动力学研究》硕士论文，2007. 【11】.用于了高的PID控制器.

【12】.甘光曲，《从中学生的思维特征谈创新思维能力的课堂培训》 [B]，2004.

【13】.郑清春, 武 刚, 郝丽芳 《基于乐高机器人系统的创新设计实验室开放实践探索》 [A],2008.

【14】.苏远龙 王立 《认识教育机器人 RCX、NXT'》 [j],2007.

【15】.房立军 《平衡小车的初步辨识及智能控制研究》 2007.

【16】.《nxt2.0编程指南》www.semia.com.

致 谢

本文从选题的选定、确定，论文的写作、修改到最后定稿，得到了我的指导老师戴飞鹏教授的悉心指导。特别是他多次询问写作进程，并为我指点迷津，提点缺陷与不足，帮助我开拓思路，精心点拨，热忱鼓励。他严肃的教学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风深深地感染和激励着我。在此，谨向戴飞鹏老师致以诚挚的谢意。

感谢我的父母和我的兄弟姐妹，大学能顺利毕业，是因为有你们的不辞劳苦的支持与帮助，感谢你们的付出，感谢你们对我的栽培与信任。

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感谢我们学院提供的场所、器材与资料，能让我顺利完成论文，完成本科学业。此外，还要感谢在大学四年中帮助过鼓励过我的人，感谢老师们在学习上的点拨。同时,也要感谢在论文写作过程中，帮助过我、并且共同奋斗四年的大学同学们，能够顺利完成论文，是因为一路上有你、有你们，再次衷心地感谢所有在我论文写作过程中给予过我帮助的人们，非常感谢！

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