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机器人仿真软件在机器人教学中的应用探索

收藏本信息编号:372 发布时间:2012-03-24 截止日期: 地区:

       近几年来,全国许多学校相继开展了智能机器人的教学和竞赛活动。随着活动的深入开展,也出现了许多问题,例如投入资金不足,参与活动学生人数不多等。如何让机器人教学活动具有强的生命力,具有广泛的学生基础,这些都是值得我们思考和探索的问题。我想机器人教学活动开展一定时间之后,有一定物质基础之后,应该把机器人教学引进课堂,让更多学生接触程序设计思想、智能机器人技术。机器人进课堂如果还以活动组模式来开展的话,需要学校很大的资金投入,这是不太可能的。在机器人数量不足情况下,可以采用仿真软件进行课堂机器人教学。
       或许会有些看法认为利用仿真软件进行机器人教学是纸上谈兵,没有实践意义。实际上,仿真软件机器人教学,使程序设计教学能更突出“算法”(解决问题的方法)的学习,使“算法”变得直观而形象,大大提高了学生对学习的投入度,有利于学生思维能力、整体规划的能力、解决问题的能力、连续运用推理的能力、合作沟通能力、动手能力、创新能力的提高。
       利用仿真软件进行智能机器人课堂教学的优点:
       利用仿真软件进行智能机器人课堂教学,更有利于学生理解体会程序是机器人的灵魂,可以使学生了解机器人是怎样在程序指挥下进行工作的,提高学习计算机程序设计语言的兴趣;在学习为机器人编写程序的过程中,学到科学而高效的思维方式,提高逻辑思维能力、规划能力,提高学生分析问题和解决问题的实际能力,并使计算机程序设计语言教学在现有的基础上有重大突破。
       1、仿真软件教学符合学生认知规律,从简单到复杂、从局部到整体。
       现代教育心理学研究指出,学生的学习过程,不仅是一个接受知识的过程,而且也是一个发现问题、分析问题、解决问题的过程。这个过程一方面是暴露学生产生各种疑问、困难、障碍和矛盾的过程,另一方面是展示学生发展聪明才智、形成独特个性与创新成果的过程。智能机器人的教学与以往的信息技术课教学有很大的不同,涉及软件、硬件的知识较多,体验的学习过程比较复杂,不同学段的学生对智能机器人的认识程度也不同,他们的思考方式、学习需求、学习优势、学习风格也不一样。学生的学习客观上存在着个体差异,不同的学生在学习同一内容时,实际具备的认知基础和情感准备以及学习能力倾向不同,决定了学生对同样的内容和任务的学习速度和掌握程度及所需要的帮助不同。
        实践过程中发现,因为智能机器人教学涉及软件、硬件的知识较多,所以初步接触的学生对于故障很难判断出是程序有问题还是机器人机械方面有问题。在学生对智能机器人机械结构方面理解不够深刻的情况下,仿真软件就体现出它的优越性。学生浓厚的兴趣是学习机器人的源动力,为了让学生保持浓厚的兴趣,对于初学者,教师可以先抛开机器人硬件方面的知识,降低难度,减少学生负担,只要求学生在仿真软件中完成一些比较简单的活动,在没有环境误差下,引导学生先学好程序设计。这样一步一个脚印,从简单到复杂,从局部到整体,不知不觉中学生学到东西了,自然他就能保持兴趣来学。
        2、仿真软件没有环境误差的影响,学生更能深刻理解程序设计。
       目前在学校教育中使用的智能机器人虽说比较简单,但已经集合了计算机、声、光、电等多种技术,可以让学生全面接触传感器、计算机软硬件、人工智能、自动控制等高新科技知识,激发学生的兴趣,培养学生的综合思考与动手能力、团队合作精神、创造能力和进取精神。归结到具体的教学内容上,一样的模块配置,一样的场地条件,却能使不同的学生“做”出来的机器人判若两“人”,这其间的关键就是左右着机器人动作的程序。从这个角度来看,所谓机器人竞赛,实质上就是学生编程的竞赛。在实际教学活动中,占用时间最多的也是机器人程序的编制和调试。机器人的结构模块、传感器、接口等硬件只是“骨骼”,程序才是它的“灵魂”,是它的“大脑”和“神经中枢”,正是在这个“灵魂”的指挥下,机器人才会有多姿多彩的动作表现。
        对于初学程序设计的中小学生来说兴趣是学习的动力,仿真软件没有环境误差的影响,更有利于学生理解程序的结构。在上智能机器人走迷宫项目课程时,我在仿真软件中先设计好一个迷宫场地如图1,并且在仿真软件中先配置好机器人。分析机器人走迷宫的一般方法:靠一边墙壁走,是如何实现的。然后让学生在仿真场地中调试程序,同一个场地,同样的机器人配置,有些学生在断壁处就往回走(如图2)。仿真软件中,机器人走的时候,可以让它留下痕迹,有了这一痕迹学生就能够容易的看出是程序中前进命令的速度太快,左转弯角度太小导致的,修改了这两个量就成功了。
同样是靠左墙壁走的策略,看了运行痕迹之后有学生对程序进行了改进,程序如下:
to  mg
if :pin5=0 then rt 90 wait 80
if :pin6=0 then rt 7 wait 4 fd 4 wait 5 else lt 6 wait 5 fd 6 wait 5
mg
end
        他认为走折线要比走曲线快,就进行修改。实际上是一样的,但这也是一种进步。
        同样是这种策略,在程序设计上,有的同学有不同的想法。他认为:在仿真环境中,机器人能够保持直线前进,能够转一个非常准确的角度。他提出自己的算法,
①当前避障发现没有墙壁时,向前走;
②当前避障发现有墙壁时,向右转90度;
③当左避障发现没有墙壁时,向左转。
    程序如下:
   to mg
   if :pin5=0 then rt 90
   if :pin5=1 then fd 3
   if :pin6=1 then lt 5
   mg
   end
       虽然他这一种方法在实际场地中很难实现,但这也是他的发现。
       在学生能够理解程序情况下,再教学生如何在仿真软件中配置自己的机器人,配置完之后要求学生还是用已经调试成功的程序,来指挥这机器人走迷宫。很多同学就不成功了,学生不难体会出智能机器人走迷宫还要受到硬件方面的影响。智能机器人仿真软件教学,能够从易到难、循序渐进,引导学生掌握程序结构。学生也能够体会出智能机器人要能完成动作,受到硬件和程序两方面的影响。
        3、优化教与学的效果。
        优化教与学效果是指以较少的教育投入(包括人力、物力、财力、时间等)取得较大的教育效果(主要指学生的知识获得、技能形成、情感培养等)。因为我们施教的对象是全体学生,总有个别同学会粗手粗脚,如果电机或电子器件的接线焊接不牢,容易松落,那必将影响教学的顺利进行,如有些机器人的驱动机械机构是塑料做的齿轮很容易坏,有些机器人电机或传感器的接线不能很好的固定,学生在上课的时候不小心稍拉一下就脱焊。如果学生编写好的程序下载到一台机械结构有问题的机器人上调整,肯定不能够准确地理解程序的功能。仿真软件避免了出现这类问题,可以先让学生在仿真环境中,把程序调试好,准确理解程序的功能。这样子可以避免学生和老师少走弯路,提高教学效果。实践过程,确实存在有些学生因为不理解他所写程序的功能,而乱弄机器人机械机构的情况。
       智能机器人仿真软件教学能够方便、快速的配置机器人,以及调整传感器的位置,能更有效的训练学生逻辑思维能力、规划能力,提高学生分析问题和解决问题的能力。解决问题的不同策略,能够很快的在仿真软件中实现。比如在上智能机器人走规定图形课程时,可以有很多中策略。简单列举下面三种:
1)、两个光敏传感器的位置是在黑线的外侧,如图

2)、两个光敏传感器的位置在黑线内侧,如图

3)、只用一个光敏传感器,如图

       我先分析第一种策略实现的算法,写出参考程序,然后让学生在仿真环境中调试。当学生都能够理解这种走法之后,我再指出完成同样的任务有不同的方法,并且给出了上面的两种不同策略,要求学生配置合适的机器人,并且自己写出程序。
       虽然我的这种教学方法使用真实的机器人和实际场地也能够作到,但在仿真软件中训练学生更容易、快捷理解这种思路。俗话说磨刀不误砍柴工,当学生深刻理解之后,让他们用真实的机器人来试也不迟。利用仿真软件进行机器人教学是能够取得好的效果的。
2005年12月
参考文献
① 《“智能机器人”引入课堂教学的思考》 张宗春  2004.12
②《小学信息技术课堂开展智能机器人教学的实践与研究》 施建林
http://www.hzjys.net/xkweb/itedu/ShowArticle.asp?ArticleID=122
③《程序设计教学的新载体──智能机器人》  沙有威    2002年3月17日
④卢燕林  《海龟机器人》   北京:中国物价出版社  2004年7月第三版
 

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