机器人课堂仿真教学的策略

更新时间:2024-02-21 作者:用户投稿原创标记本站原创 点赞:32887 浏览:154500

摘 要:机器人教学进入小学课堂已是必然,而昂贵的投入却深深阻碍着课程的推进.在近几年的教学中,灵活地使用仿真虚拟机器人软件在普通的计算机网络教室中开展机器人教学,对教学的内容与过程的设计等进行了深入的研究,取得了一定成效.

关 键 词 :机器人;仿真教学;策略

随着智能技术的发展,机器人走进了学生的视野和学校的教学之中.但是目前机器人进入课堂教学还存在着很多问题有待解决,影响着机器人教学的普及.由此仿真虚拟机器人软件充分发展起来,在原实体机器人编程平台上,加入了用计算机模拟的机器人、场景及机器人行为活动的功能模块,使人们在仿真虚拟平台上可直观地看到机器人程序的执行效果.使用仿真机器人软件开展教学,不仅能够避免实体机器人的硬件故障、维修等问题,而且还能使学生更清楚地感受到机器人是怎样在程序的控制下活动的,充分理解程序设计在教学中的中心地位.在为机器人编写和调试程序完成任务的过程中,学生在动手实践、创新思维、科学探究和解决问题等方面的能力会得到大幅度提升.


笔者在实践中发现,仿真虚拟机器人的教学由于涉及仿真虚拟现实,在教学策略的选取上有独特之处,需要教师仔细斟酌取舍.笔者以广茂达VJC1.5仿真版软件为例对开展仿真虚拟机器人课堂教学的基本策略进行阐述.

一、精选内容,发扬优势

用好仿真软件教学,首先要精选教学内容.仿真软件的优势在于熟悉传感器功能和使用方法的基础上,学习算法和结构化程序设计的思想.在使用仿真虚拟机器人的程序设计教学中,仿真软件能够为程序设计教学营造良好的程序实践环境,学生在设计程序后,能从虚拟机器人的行为中得到即时反馈,学生再根据这些反馈修改程序.这样,学生就经历了一个“思考—实践—再思考—再实践”的反复的人机交互过程,直到目标程序的实现.

以机器人巡线为例,虚拟环境下机器人沿白线行走.实现方式是在机器人的前方放两个光电传感器夹住白线,行走时通过判断光感返回值来决定执行相应程序.学生需要先分析机器人巡线时会出现几种情况,再运用算法思维解决,最后通过编写程序实现.仿真虚拟环境中场地默认是黑色,光电传感器在黑色上返回的值是255,在白色上返回的值是0.机器人巡线时会出现4种情况:右边的光电传感器的值小于255,左边的如果也小于255,机器人两个光电传感器都压到白线,说明机器人到路口;左边如果等于255,机器人右偏,需要向右校正角度后再执行直走程序;如果右边光电传感器的值等于255,左边小于255,则是左边压线,需要向左校正角度后再执行直走程序;如果两个值都等于255,则机器人行走方向正确,执行直走程序.

学生通过一步一步地逻辑分析,充分考虑各种情况,通过编程实现虚拟机器人巡线程序.利用仿真虚拟机器人软件学习程序设计,仿真虚拟的环境能形象直观地引导学生用算法思维解决问题,从而有助于培养小学生结构化程序设计的思想.

由于是仿真的实验空间,有的传感器如声音传感器等,在这里教学效果不明显,建议还是放在实体机器人中进行教学.

二、引入情境,激发兴趣

仿真机器人教学平台使用的是虚拟的机器人,开始学生会抱有很高的热情,但如果在教学中不注重教学情境的创设,只进行单调的知识任务讲解,学生的学习兴趣将会渐渐减少.笔者在教学仿真机器人利用红外传感器避障时,在仿真环境中添加了障碍物,然后运行学生编写的巡线程序,当机器人直接撞到障碍物时,屏幕显示“撞墙了!撞墙了!”时,引发了哄堂大笑.笔者顺势抛出问题:怎样才能使机器人判断前面是否有障碍物?遇到障碍物时怎么办?由于学生对刚才的情境充满兴趣,所以研究热情非常高,短短几分钟就学会了红外传感器的使用方法,掌握了避障策略.

三、分解过程,细化任务

仿真虚拟机器人相比单纯的计算机程序教学,任务具有更强的综合性,所涉及的知识点比较多,需要充分考虑学生的认知规律,教学中应注意分解教学目标,采取整体规划、分步组合、循序渐进的策略.在“走迷宫”单元中,要求机器人沿着正确的通道从迷宫中走出来,在移动过程中如果走偏撞墙能够自动校正方向,遇到路口时能够转弯.面对这类综合性,涉及多个知识点的任务,需要将整体任务分解成一个个分任务,在完成各个分任务之后加深理解,最后进行综合程序的组合,从而完成整体学习目标.

笔者在教学中设计以下任务分步实施,任务一:机器人直线运行,学会控制机器人向上、下、左、右直线移动;任务二:机器人转弯,熟练地运用程序控制机器人左转90度、右转90度,甚至任意角度的转弯;任务三:学习运用红外传感器进行避障;任务四:学习使用碰撞传感器进行避障,重点是四个角落碰撞传感器返回数值的分别对应的马达参数;任务五:学生运用红外传感器或碰撞传感器先走简单的迷宫,完成的好的同学可以进入复杂的迷宫.

虽然仿真虚拟机器人教学能有效节约教学的投入,但是智能机器人课程是一门理论与实践并重的课程,《中小学机器人课程指导纲要》中明确指出机器人教学中要突出学生综合设计能力和动手实践能力的培养,现实生活环境比虚拟的场景更是复杂,反复调试验证的过程,更是锻炼学生仔细观察、分析问题、解决问题的能力的过程.因此笔者建议将真实与虚拟相结合开展机器人课堂教学,才能使课程开设达到应用的目的.

(作者单位 江苏省镇江市京口区实验小学)