解密神奇的木牛流马 - - 机器人教学探

解密神奇的木牛流马

——机器人教学探讨

论文摘要：

我国的信息技术教育随着时代的步伐不断发展，教学内容日新月异，随着教改的进一步深入，机器人教育作为一块相对新鲜的事物必将进入中学课堂吸引学生的注意，在此，对最近几年本人在各种形式上的机器人教育做一些探讨。

关键词：人工智能 智能机器人 虚拟机器人

当今信息技术的发展日新月异，用神速来形容也不为过。在中学信息技术教育上，计算机对学生的吸引力早就没了小学时初见的神秘感，而教学内容相对单一、很多知识是在小学的内容上进一步加深，对有些学生来说可谓食之无味，弃之可惜。之所以形成这个局面跟过去的信息技术教学内容的载体的唯一性是比较相关的。

众所周知信息技术的基本内容包括：感测技术、通信技术、智能技术和控制技术。而其中智能技术又处于尖端前沿位置，它的典型代表——人工智能机器人，更是完善的包含了另外三种技术的运用，称之为信息技术皇冠上的珍珠也不为过。近年来，教学领域的智能机器人异军突起，不管是形式上还是内容上，给学生带来了很多的新鲜感，同时它包含的人工智能、程序设计、硬件知识等内容也是以往的教科书所没有的。运用合理，能够给学生的素质教育带来很大帮助，但同时，现有的教学环境下开展机器人教学还是存在很多的障碍，那么我们该如何引导学生进入这神秘的机器人世界呢。

一、 如何让学生接近机器人——创建机器人教学环境

我国中小学智能机器人教育方兴未艾，我们区自从开展机器人活动以来，范围不断扩大，在各类机器人竞赛中各个学校的成绩也不断提升，但是机器人在进入平常的信息技术课堂中去，还是相对较少，最主要的就是器材问题。机器人器材都比较昂贵，一般的实物机器人如中鸣、纳英特、乐高等品牌机器人实现基本

功能的套装器件也需3、4千元一台，如果要实现稍微复杂的功能如灭火、足球等项目一台机器人就需近万元，而且产品更新换代的速度也很快，一般一个学校最多只能购买几套，而且也不能经常更换，所以不可能面向全部学生。因此我们在实施过程中做到以点带面，全面开花。

首先以校外科技活动为动力，我们区每年均有机器人比赛、另外还有省科协和省电教馆举办的相应省市级比赛，获奖还有额外的奖励，在组织形式上成立兴趣小组或者社团，由成员中较优秀的学员参加各级各类机器人比赛。

其次，以信息技术课堂内容的方式出现在中学信息技术课上。我们区还购买了纳英特的3D虚拟仿真机器人系统，一个机房版可支持30套电脑，基本能实现正常教学。虽然它的一切操作都是在电脑上虚拟进行，比如机器人的组装、调试，但对于机器人的核心，程序的设计上不管是编程思想还是算法设计，跟实物机器人完全一致。在初三的信息技术教学内容中，有一部分选修的机器人知识，在这一阶段可以利用该软件进行大规模的教学。

二、 让学生学什么——机器人学习内容的选择

虽然以前的教材在初三部分有选修机器人的教学内容，但是不管是实物组装还是虚拟的编程软件都没有跟我们区内购买的机器人配套，所以讲解内容需要自己摸索、积累。根据学生的喜好和学习习惯，我们准备了分层的机器人教学内容。

1、智能机器人基础理论知识的学习：什么是机器人?机器人是怎么工作的？机器人从诞生到现在的发展历史、机器人在现实生活中有哪些应用。对大多数同学来说，这些是引领他们进入机器人世界的关键一步，如果老师准备充分、材料丰富，能够吸引学生，自然会有很多学生踏出研究机器人的第一步。

机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事，然而人们对机器人的幻想与追求却已有3000多年的历史。人类一直希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。从春秋战国时鲁班制作的木鸢，三国时诸葛亮的木牛流马，到如今充斥荧幕的变形金刚、终结者等等。这些信息很容易让学生认识到各种机器人的作用。教师总结概括智能机器人的概念和工作方式，消除学生对机器人的神秘感，为下一步学习智能机器人的有关知识打下基础。

2、智能机器人硬件结构的学习：机器人的硬件涉及到简单的机械制造、电

路原理、传感器技术和计算机硬件等等知识。这方面从我的经验来讲比较容易吸引学生，因为非常直观，机器人之所以叫“人”，就是因为它跟人有很多类似之处，和人一样它也有视觉、听觉、触觉、可以思考、行走等等，那么这些行为是怎么实现的，分别介绍对应机器人部件的结构和原理。通过对应的机器人和验证程序，能直观的让学生看到效果。比如：机器人行走靠的是它的马达和轮子，相当于人的腿；机器人通过声音传感器听到声音能做出动作，就相当于人的耳朵，机器人接受指令并且指挥各个部件的核心平台相当于人类的大脑等等，基本上每一个器件都能找出跟人对应的器官。

这里机器人的搭建也是一个重点，再复杂的机器人也是由基础的一个个部件组装而成，能亲手把一个个零件组装成一个完整的机器人能给学生带来很大的成就感。另外看似简单的组装也包含了很多科学原理，怎么样组装的机器人更稳定、更合理也是一个难点。

3、机器人的编程设计

所有的机器人教学内容中，重中之重就是程序的设计，要让学生真正的理解程序才是机器人的灵魂。如何根据具体任务设计解决思路，并且转化成具体的程序语言，通过下载程序把我们的思路教给智能机器人，从而完成任务。这里面我们就要学习智能机器人的编程方法。

程序设计对于学生来说是一个最大的难点，绝大多数学生以前没有接触过这方面的知识，而且学习内容跟大家平常的学科有很大的不同，很多学生会感到一头雾水，无从下手。80年代初我国开展信息技术教育之初就是以程序设计为主要教学内容，直接介绍简单程序设计语言，各种基本程序结构和算法，各种运算结果一般只能在屏幕上显示，很难看到程序设计应用的效果，而对大多数初学程序设计的中小学生来说兴趣才是最大的学习动力，这方面智能机器人有其独特的优势，不管是实物机器人还是3D虚拟仿真机器人，我们编写的程序直接改变着机器人的各种行为，一目了然，非常直观。一旦成功学生就会获得成功的喜悦、建立成功的信心，从而取得进一步学习机器人编程的兴趣。同时通过学习机器人编程，不但能学到科学的思维方式，还能提高学生的规划能力，分析问题和解决问题的能力。在这里我们最初让学生学习的是相对比较好理解的图形编程界面，深入以后学习C语言等纯文字编程语言，学生在学习编程的过程中要能够学会程

序设计的三种基本结构即顺序结构、选择结构和循环结构的功能、对应机器人器件的特定语言以及各种机器人设计过程中常见问题的基本算法。

4、应用具体的机器人项目：利用机器人各个部件组装复杂的机器人，通过编程完成具体的任务如迷宫灭火、机器人越野、机器人投篮等活动。这是一个比较大型的问题，在解决过程中学生要熟悉机器人各种器件的功能、结构和工作原理，并根据机器人要完成的任务来编写程序，通过编程序来控制各类传感器，使机器人能够从外部环境中获得各种信息，然后做出相应的反应，按照预先设定的方法使机器人完成规定的任务。以迷宫灭火机器人为例，机器人要能判断地形、声音、颜色、亮度，自动在迷宫中按照一定规律寻找火焰并作出灭火动作。组装后通过编程给没有生命的机器人硬件赋予听话、行走、避障、观察、转动等类人的行为。学生在学习的过程中始终感受着失败的遗憾和成功的喜悦，必然形成学习的动力和兴趣。

三、怎么样让学生学机器人——机器人教学的活动设计

机器人从搭建到编程都必须要求学生共同参与，一起动手，因此机器人教学是将“建构主义学习理论”作为教学理念，以学生动手为主的教学过程。整个过程在做中学，是科学与技术相结合最好的体现，真正做到了理论联系实际。

在最初的机器人初步知识了解过程中，老师可以通过资料的展示介绍、也可以让学生通过各种途径自己收集信息，接触机器人。随着进一步的了解，学生开始自己动手组装检验各种传感器的机器人，组装过程中老师需要仔细介绍相关的电路知识，培养学生的动手能力和协作创造能力。

在程序设计的教学上我们可以充分发挥3D虚拟仿真系统的优势——机器人的理想状态，因为实物机器人实际操作中有很多意外因素，在程序准确的前提下机器人也不一定能正常工作，刚接触的机器人的学生可能很难解决，而虚拟的则基本没有这个问题。同时虚拟环境下的图形编程界面更适合中学阶段学生的理解，着重介绍各种程序的基本结构和机器人中常用的算法结构。

在有了一定的基础后，可以尝试让学生完成相对简单的任务，各种问题也可以让学生自行设计，比如迷宫的设置，并不一定要购买打造很正规的场地，可以简单的利用桌椅书本构建小型迷宫，检验机器人运行状态。

然后通过完成各种比较复杂项目或者比赛任务，对机器人进行具体调试，强调学生综合能力的运用，这种任务比较复杂，一般是要多人小组协作，这里又能

培养学生创新意识和团队精神，具体问题具体分析，解决问题的规划能力，把一个复杂的问题分步简化，老师只是在涉及到比较复杂的算法或者程序语言上加以指导。而且同一个问题我们可以在实物和虚拟机器人上同时测试，因为虚拟机器人相对数量较多，学生可以有更多的机会接触机器人的程序设计。

最后，机器人是一个整合了多学科知识的综合产物，学生在制作机器人解决问题的过程中需要大量的综合各学科、涉及各领域的知识，老师有时也会有很多的疏漏，而这些知识仅靠初中生现有的知识水平是远远不够的，而网络正是融合了知识量大、覆盖面广等优点，与中学机器人教学可谓相得益彰。因此，也可以把网络运用到初中机器人教学过程中，帮助学生在做中学，提升了学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。

四、机器人教学中的学生评价

机器人从组装到编程调试的过程中，经常会出现意想不到的问题，有些问题并不是学生错误操作或者编程问题造成，而是机器人器材本身特性决定，甚至是编程软件的缺陷造成，这些问题可能是连老师都没遇到过的，因此学生在完成任务过程中遇到的一切问题，包括学生自己分析问题的着眼点、解决问题的切入点、编程时的独辟蹊径老师都要随时关注，学生在调试过程碰到的问题，是个人失误还是特殊情况，都要与老师及时沟通。从这些反馈信息中可以发现和鼓励学生的潜能，对学生的进步、创意要及时给予评价和鼓励。

在去年的3D虚拟机器人比赛，正是在市比赛中学生发现了编程软件里的一些缺陷使得我们能及时更改策略，在省赛中避免了程序不稳定的状况。

很多发达国家都看好机器人教育对未来社会的作用和影响，他们在中小学的信息技术教育中都不同程度地对学生进行智能机器人知识的教育。我国中小学智能机器人教育方兴未艾，在不久的将来一定会进一步深入中小学课堂，如何更好的开展机器人课堂教育，对学生的技能教育、科技的社会化都具有重要的意义。

参考文献：

《中小学信息技术教育的新载体──智能机器人》 《智能机器人课堂教育的探讨》 《智能机器人学科教学的探讨》 《解秘机器人的前世今生》

顾国和中学 虞哲敏

Yzm79620@sina.com

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7z93.html