在C語言實驗課程中引入教育機器人的教學(xué)改革思考

尹 華 肖隨貴

[摘要]文章探討了在C語言程序設(shè)計課程教學(xué)中引入機器人實驗的必要性、意義及創(chuàng)新點,并討論了在C語言課程教學(xué)中開展機器人實驗應(yīng)注意的幾個問題。

[關(guān)鍵詞]C語言課程 教育機器人 實驗 教學(xué)改革

[作者簡介]尹華(1975- ),女,贛南師范學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院,講師,主要從事計算機教學(xué)與應(yīng)用研究;肖隨貴(1956- ),男,贛南師范學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院,教授,主要從事計算機教學(xué)與應(yīng)用研究。(江西贛州341000)

[課題項目]本文系贛南師范學(xué)院質(zhì)量工程項目課題“基于可編程控制機器人比賽的C語言系列課程創(chuàng)新實驗項目”的研究成果。

[中圖分類號]G424.21 [文獻標識碼]A [文章編號]1004-3985(2009)33-0182-02

一、“C語言程序設(shè)計”課程實驗現(xiàn)狀

目前,我國大部分高校的理工科專業(yè)都開設(shè)了“C語言程序設(shè)計”課程,而計算機科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)工程等專業(yè)還開設(shè)了“C語言課程設(shè)計”“面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(C++)”等課程。通過系統(tǒng)地學(xué)習(xí)“C語言程序設(shè)計”課程,學(xué)生掌握了如何使用計算機語言進行程序設(shè)計,以及程序設(shè)計的基本思想、基本方法和技巧,達到通過學(xué)習(xí)相關(guān)課程使學(xué)生能夠利用C語言解決實際問題的教學(xué)目標,并為后繼課程打下堅實的基礎(chǔ)。

“C語言程序設(shè)計”是一門實踐性很強的課程,實驗課時比重很大。例如,贛南師范學(xué)院的2008人才培養(yǎng)方案中C語言的實驗課時增至32學(xué)時,占總學(xué)時的1/2。在進行實驗教學(xué)中,大部分是驗證性實驗,最后是綜合性實驗。由于C語言的實驗環(huán)境是在字符方式下進行的,實驗過程比較枯燥,實驗結(jié)果的表示單調(diào),學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高,學(xué)習(xí)效果不佳,導(dǎo)致學(xué)生的綜合應(yīng)用能力不高,甚至影響到后繼課程的學(xué)習(xí)。因此,應(yīng)該采取哪些措施,通過實驗提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生的動手能力和解決實際問題的能力,是實驗教學(xué)改革的一項重要任務(wù)。為此,我們設(shè)計了一套能調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力的實驗項目。

二、在C語言教學(xué)實驗中引入教育機器人

近年來,可編程控制機器人和可編程控制機器人學(xué)發(fā)展非常迅速。教育機器人是將機器人應(yīng)用于教育領(lǐng)域,是由生產(chǎn)廠商專門開發(fā)的以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為目標的機器人成品、套裝或散件。它除了機器人機體本身之外,還有相應(yīng)的控制軟件和教學(xué)課本等。

從教育機器人的發(fā)展情況來看,硬件技術(shù)方面已經(jīng)非常成熟,設(shè)備的可靠性、靈活性、耐用性等性能都已得到社會的廣泛認可。教育機器人的硬件配件多樣,技術(shù)支持能力強,價格也相對便宜?？刂撇倏v機器人的關(guān)鍵問題之一是軟件設(shè)計,主要是通過C語言或VC++等程序設(shè)計語言進行程序設(shè)計,通過編程對機器人進行控制。這就給計算機專業(yè)的學(xué)生提供了廣闊的開發(fā)平臺,通過編程對機器人進行操縱,使其完成各種任務(wù),培養(yǎng)了學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。

用于實驗創(chuàng)新的教育機器人種類繁多,依據(jù)可編程控制機器人可以設(shè)計出各種機器人,創(chuàng)造空間巨大,例如使用AS-ROBEI機器人工程創(chuàng)新套件就能設(shè)計一百萬種機器人,如投球機器人、救火機器人、追光機器人等。

教育機器人已引起了國內(nèi)很多學(xué)校的關(guān)注和重視,在教學(xué)活動中紛紛引入教育機器人并取得了良好的效果。

三、在C語言教學(xué)實驗中引入教育機器人的意義及創(chuàng)新之處

“機器人是一種能夠通過程序控制,自主完成某類任務(wù)的機器系統(tǒng)”,在“C語言程序設(shè)計”教學(xué)中通過“程序控制”與機器人動作緊密聯(lián)系起來,應(yīng)用各種程序使機器人完成各種動作(如搬運、滅火等),使教學(xué)與實驗“動起來”“活起來”,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力,從而提高了教學(xué)質(zhì)量。

在C語言教學(xué)中引入機器人實驗有如下幾點創(chuàng)新之處:(1)教育理念創(chuàng)新。通過引入可編程控制機器人,改變了傳統(tǒng)的實驗教學(xué)理念。一是實驗中,教師引導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計與控制機器人,學(xué)生體驗到學(xué)習(xí)的快樂;二是精心設(shè)計機器人實驗,對學(xué)生實行個性化教育;三是通過教育機器人的實驗,發(fā)展學(xué)生的多種能力,如分析能力、創(chuàng)造能力和實踐能力等。(2)實驗手段創(chuàng)新。創(chuàng)建可編程控制機器人實驗室,構(gòu)造開放的實驗平臺。(3)實驗內(nèi)容創(chuàng)新。在可編程控制機器人的開發(fā)平臺上,充分發(fā)揮學(xué)生的想象力,設(shè)計制造各種各樣的機器人,提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

在C語言教學(xué)活動中,通過引入機器人編程,并將其貫徹到整個教學(xué)與實驗過程中,能夠獲得非常好的效果,具體表現(xiàn)為:(1)可以促進對C語言系列課程(如“C語言程序設(shè)計”“C課程設(shè)計”“C++”等)的改革創(chuàng)新,設(shè)計與開發(fā)創(chuàng)新性實驗項目;(2)趣味性機器人實驗,寓教于樂,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情;(3)構(gòu)建創(chuàng)新實驗跨越多個平臺,幫助學(xué)生學(xué)習(xí)各種相關(guān)知識,鍛煉學(xué)生的動手能力;(4)利用第二課堂培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神,組織學(xué)生參加各種機器人賽事,使學(xué)生的各種能力得到提高。

四、C語言課程開展機器人實驗應(yīng)注意的幾個問題

在C語言教學(xué)中引進機器人實驗是對傳統(tǒng)教學(xué)與實驗的深化與改革。在具體實施過程中,需要注意以下幾方面的問題:

1.教育機器人的選型。在教學(xué)實驗活動中,應(yīng)根據(jù)專業(yè)特點、培養(yǎng)目標、實驗經(jīng)費選擇合適的機器人機型,以保證實驗的順利進行。目前,國內(nèi)教育機器人的生產(chǎn)廠商及品牌有很多,可供選擇的空間較大。在選擇機器人時應(yīng)注意的是:首先,硬件要結(jié)構(gòu)緊湊,簡潔實用,軟件使用C語言編程,提供字符界面或圖形化界面編程,糾錯能力強,功能強大;其次,結(jié)構(gòu)要牢固,抗壓抗摔,有較好的碰撞能力,功能較大;再次,所選機器人能滿足教學(xué)和競賽的需要;第四,有良好的售后服務(wù)體系,配套教學(xué)資源豐富。

2.實驗室的設(shè)計。傳統(tǒng)的計算機實驗室環(huán)境較為較嚴肅、生硬和呆板。實驗室的設(shè)計應(yīng)該從教學(xué)和比賽的多個角度進行綜合考慮,設(shè)計應(yīng)遵循以下原則:(1)以人為本,營造一個有創(chuàng)新氛圍的全新學(xué)習(xí)空間;(2)課桌四周有充分的活動空間和比賽空間;(3)力求體現(xiàn)學(xué)校特色,提升學(xué)校形象。

在機房空間較大的情況下可將機房與場地連在一起,便于管理;當機房面積較小時可將機房和場地分開,但距離不宜太遠。場地建設(shè)依據(jù)活動的需要,因地制宜。一般來說,對于非比賽需要的場地,可以采用簡易材料搭建,可讓學(xué)生參與搭建過程。搭建過程應(yīng)考慮搭建的場地是否適合機器人行進的路線,以及編程設(shè)計能否滿足要求。學(xué)生參與搭建的過程中,分析、設(shè)計能力以及解決實際問題的能力都得到了提升。若是競賽場地,則需要按競賽規(guī)則和標準進行建設(shè)。

實驗室建成后,應(yīng)滿足學(xué)生的系統(tǒng)化訓(xùn)練。學(xué)生可以利用該平臺,動手組裝和調(diào)試機器人,搭建檢測電路,編寫控制軟件,獲得全方位的、系統(tǒng)化的基礎(chǔ)工程訓(xùn)練。針對計算機專業(yè)的高年級學(xué)生能進行創(chuàng)新訓(xùn)練。學(xué)生可以利用該平臺,進行一些較深入的學(xué)習(xí)和研究,可以在該平臺進行如人工智能,圖像處理,語音識別,機器人自主導(dǎo)航,面向?qū)ο缶幊?軟件工程,遺傳算法等方面的研究及驗證。

3.實驗教學(xué)計劃與實驗項目的設(shè)計與制定。在設(shè)計制定相關(guān)實驗項目時,應(yīng)充分考慮人才培養(yǎng)目標、學(xué)生的特點以及學(xué)生的要求等因素,實驗項目應(yīng)緊密結(jié)合“C語言程序設(shè)計”等課程的知識點(如順序、分支、循環(huán)、數(shù)據(jù)與函數(shù)等),將教學(xué)要求與機器人實驗有機的結(jié)合在一起,使學(xué)生能夠通過實驗熟練地掌握相關(guān)知識和技能,并能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

實驗教學(xué)計劃與實驗項目的制定擬分四個階段逐步進行。

第一階段:以典型的智能機器人為對象,掌握基本程序的編制,電機的控制方法,以及最簡系統(tǒng)的組裝、編程、調(diào)試的方法,能夠?qū)崿F(xiàn)基本系統(tǒng)的各種控制,實現(xiàn)機器人的自主漫游等一些經(jīng)典控制項目,從而使學(xué)生對機構(gòu)設(shè)計、軟件編制以及優(yōu)化有一定的認識。

第二階段:在第一階段的基礎(chǔ)上增加標準傳感器,學(xué)生可以通過對典型傳感器的學(xué)習(xí),熟練掌握完整智能控制系統(tǒng)的編程與應(yīng)用方法,為其他各種傳感器與功能模塊的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

第三階段:在前兩個階段的基礎(chǔ)上增加各種擴展傳感器、創(chuàng)新模塊套件及執(zhí)行機構(gòu),學(xué)生熟練應(yīng)用不同傳感器,獨立設(shè)計方案以及試驗環(huán)境來實現(xiàn)不同功能。通過這個環(huán)節(jié),一方面學(xué)生可以進一步了解不同傳感器及執(zhí)行機構(gòu)的工作原理與應(yīng)用方法,另一方面通過設(shè)計實驗來培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。

第四階段:通過對智能小機器人的學(xué)習(xí)發(fā)展到可以使用其他各種高級機器人,以點帶面,舉一反三地推廣到其他各種高級機器人控制系統(tǒng)的應(yīng)用,并且逐漸增加難度,體現(xiàn)由淺入深、層層深入的原則。

4.教師角色轉(zhuǎn)變及培訓(xùn)。教師必須熟練掌握機器人實驗的要領(lǐng),指導(dǎo)學(xué)生進行實驗。教師應(yīng)在教育觀念上進行轉(zhuǎn)變,教師不是教學(xué)的控制者,不是知識的灌輸者,而應(yīng)成為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者、幫助者,充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。教師應(yīng)在指導(dǎo)學(xué)生實驗的過程中,引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)會與掌握機器人實驗中所涉及的機械、電子、計算機等多種學(xué)科的知識,引導(dǎo)學(xué)生主動對知識進行學(xué)習(xí)與探索,不斷提高自己的各種能力。以情驅(qū)“動”、任務(wù)驅(qū)“動”、協(xié)作互“動”都是為發(fā)展學(xué)生的教學(xué)目標服務(wù)。

5.虛擬機器人與實體機器人并用。虛擬機器人其實是廠商提供的一套仿真系統(tǒng)軟件,用以模擬機器人運行。它是一個虛擬機器人的程序編輯平臺和運行平臺的集成環(huán)境。在實驗經(jīng)費和實驗機器不足的情況下,使用虛擬機器人進行前期的教學(xué)和演示,能收到較好的教學(xué)效果,并且有助于學(xué)生學(xué)習(xí)編程語言、感官系統(tǒng)、仿真技術(shù)等知識。

在機器人仿真系統(tǒng)中檢驗程序的效果直觀,容易分析程序設(shè)計中出現(xiàn)的問題。先通過仿真軟件發(fā)現(xiàn)問題,問題解決后再到機器人上實踐,這種做法有時候比直接利用機器人實踐的效果要好。

目前,很多機器人仿真系統(tǒng)都支持C語言編程,如VJC仿真軟件、NSTRSS 3D仿真系統(tǒng)、AI-CODE仿真系統(tǒng)等。下面以AI-CODE仿真系統(tǒng)為例,作一簡要介紹。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖所示。

這套系統(tǒng)主要用于算法與程序設(shè)計,它是一個通用平臺,支持多種語言(如C,C++,Java等),可以滿足教學(xué)多樣性的需要。它分為初級、中級和高級三個階段,既可以通過圖形化編方式(流程圖式的編程方式)進行程序設(shè)計,也可以利用代碼編輯器(CodeCanvas)轉(zhuǎn)換到C、C++、java 等常用語言下的代碼編程。所有設(shè)計的代碼都可以在AIRobot 環(huán)境下以虛擬機器人的形式進行競技、演示等各種交互,仿真能力很強。在仿真系統(tǒng)調(diào)試通過以后,再移植于實體機器人中運行,讓機器人在真實環(huán)境中工作,以檢驗實際效果。

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