仿真虛擬機器人軟件在小學(xué)程序設(shè)計教學(xué)中的作用

王上飛

程序設(shè)計是中小學(xué)信息技術(shù)教育的重要內(nèi)容之一。基礎(chǔ)教育階段的程序設(shè)計教學(xué)主要是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計的興趣，培養(yǎng)學(xué)生用程序設(shè)計的思想去分析問題、解決問題的能力。近年來，仿真虛擬機器人軟件不斷發(fā)展，其在原來實體機器人編程平臺的基礎(chǔ)上，加入了用計算機模擬的機器人、場景及機器人行為活動的功能模塊，使人們在仿真虛擬平臺上可直觀地看到機器人程序的執(zhí)行效果。

易時代3D仿真虛擬機器人軟件是由廣州市教育信息中心規(guī)劃設(shè)計，廣州市財政投資，委托廣東南方數(shù)碼科技有限公司開發(fā)的集機器人教學(xué)、實驗和競賽管理于一體的虛擬機器人教育平臺，供廣州市所有中小學(xué)校免費使用。該軟件具有較強的趣味性、互動性、競技性和娛樂性。筆者以廣州市易時代3D仿真虛擬機器人軟件為例，談?wù)劮抡嫣摂M機器人軟件在小學(xué)信息技術(shù)程序設(shè)計教學(xué)中的作用。

一、仿真虛擬機器人軟件能提高小學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計的興趣

興趣是影響教學(xué)活動的主要因素。人們一旦對某一事物產(chǎn)生濃厚的興趣，就會主動地去求知，去探索，去實踐。一般程序設(shè)計內(nèi)容比較抽象，由于小學(xué)生的思維特點是以直觀形象思維為主，并逐步向抽象邏輯思維過渡。所以，小學(xué)生往往在學(xué)習(xí)傳統(tǒng)的程序設(shè)計時感到枯燥、難懂，大大降低學(xué)習(xí)的興趣。

圖1 圖形化編程界面

圖2 五角星路徑效果

仿真虛擬機器人軟件采用的是圖形化編程界面和直觀的流程圖編程(如圖1所示)，學(xué)生不再是對著一些乏味的字母和符號。學(xué)生還可以利用仿真系統(tǒng)的仿真功能即時看到編程的效果(如圖2所示)。同時，仿真虛擬機器人軟件采用了生活化的情景主題任務(wù)，如2009年以“虛擬滅火”為主題，2010年以“虛擬火炬?zhèn)鬟f”為主題，2012年則以“虛擬校車”為主題，為程序設(shè)計的學(xué)習(xí)增添了趣味性。因此，仿真虛擬機器人軟件比起傳統(tǒng)的程序設(shè)計語言能夠大大提高小學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計的興趣。

二、仿真虛擬機器人軟件有助于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想的學(xué)習(xí)

學(xué)習(xí)程序設(shè)計最重要的是學(xué)習(xí)算法和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的思想。尤其是小學(xué)生，小學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計重點應(yīng)放在理解程序設(shè)計的基本概念和基本結(jié)構(gòu)上，應(yīng)重算法輕語法，注重運用算法思維和結(jié)構(gòu)化程序的思想去分析問題、解決問題。在使用仿真虛擬機器人的程序設(shè)計教學(xué)中，仿真虛擬機器人軟件能夠為程序設(shè)計教學(xué)營造良好的程序?qū)嵺`環(huán)境，學(xué)生在設(shè)計程序后，能從虛擬機器人的行為中得到即時反饋，學(xué)生再根據(jù)這些反饋修改程序。這樣，學(xué)生就經(jīng)歷了一個“思考—實踐—再思考—再實踐”的反復(fù)的人機交互過程，直到目標(biāo)程序的實現(xiàn)。仿真虛擬機器人軟件在此過程中能夠幫助學(xué)生理解并形成程序設(shè)計的思想。

以機器人簡單巡線為例，在仿真虛擬環(huán)境下，機器人需要沿著白色引導(dǎo)線行走。實現(xiàn)方式是在機器人的前方左右各放一個光電傳感器，通過判斷光感的光值來決定執(zhí)行相應(yīng)程序，沿著白線行走。學(xué)生需要先分析機器人巡線時會出現(xiàn)幾種情況，再運用算法思維解決，最后通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)。如圖3所示，車巡線時會出現(xiàn)4種情況，如果車右邊的光感器返回大于0的值，則右邊傳感器檢測到白線，在這種情況下有兩種可能性，一是車子方向向左偏了，二是車子到了十字路口，如何區(qū)分這兩種情況呢？我們可以通過第二個光電傳感器的數(shù)據(jù)來判斷。如果第二個傳感器返回大于0的值，說明車兩邊都壓線，來到十字路口了，則可以決定車是直走還是轉(zhuǎn)彎。如果第二個傳感器返回的是小于0的值，說明車左偏，則需要對車向右偏轉(zhuǎn)校正角度后再執(zhí)行直走程序。

圖3

如果左邊的光感器返回不大于0的值，在這種情況下有兩種可能性，車子方向向左偏了或者在線上正常行走。如何區(qū)分這兩種情況，我們需要車右邊光感器的數(shù)據(jù)，如果右邊的光感器返回大于0的值，則是右邊壓線了，也就是車子偏左，我們需要對車向右偏轉(zhuǎn)校正角度后再執(zhí)行直走程序。如果左右兩個光感器返回值都不大于0，則說明車是在線上行走的，執(zhí)行直走程序。

結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)是順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)。這個虛擬機器人簡單巡線的程序主要用到的是循環(huán)結(jié)構(gòu)和選擇結(jié)構(gòu)，學(xué)生只有通過一步一步的邏輯分析，才能充分考慮各種情況，只有在理解這些程序設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)作用后，才能通過編程實現(xiàn)虛擬機器人巡線程序。因此，學(xué)生利用仿真虛擬機器人軟件學(xué)習(xí)程序設(shè)計，其圖形化的編程界面能幫助學(xué)生運用邏輯思維分析問題，其仿真虛擬的環(huán)境能形象直觀地引導(dǎo)學(xué)生用算法思維解決問題，從而有助于培養(yǎng)小學(xué)生結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的思想。

三、仿真虛擬機器人軟件有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維

創(chuàng)新是一個民族進步的動力?！吨行W(xué)信息技術(shù)課程指導(dǎo)綱要(試行)》明確指出：“努力創(chuàng)造條件，積極利用信息技術(shù)開展各類學(xué)科教學(xué)，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力?！背绦蛟O(shè)計學(xué)習(xí)就是一種培養(yǎng)創(chuàng)新思維的學(xué)習(xí)。在程序設(shè)計中，達到目標(biāo)任務(wù)的編程方法是多樣的，學(xué)生可以充分發(fā)揮創(chuàng)造性，以不同的編程方法去實現(xiàn)。即使是一個簡單程序的實現(xiàn)，從分析、設(shè)計、調(diào)試到最終實現(xiàn)，都是一個創(chuàng)造性的過程。

仿真虛擬機器人軟件在創(chuàng)新思維培養(yǎng)的設(shè)計上也有所體現(xiàn)。它提供了地圖編輯功能、虛擬機器人的編輯功能，使整個程序設(shè)計具有開放性。這有助于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。例如2012年廣州市易時代3D虛擬機器人競賽，競賽的主題是智能校車接送學(xué)生，競賽的內(nèi)容是使校車(虛擬機器人)在指定時間內(nèi)從起點行駛到指定的車站接送“學(xué)生”，然后送往學(xué)校完成整個任務(wù)。任務(wù)包括：沿道路行駛，躲過道路上的障礙物，到指定(一個或多個)車站接“學(xué)生”，回到學(xué)校。在教學(xué)中，我們可以根據(jù)競賽的內(nèi)容和規(guī)則，利用軟件的地圖編輯功能編輯出模擬競賽的地圖(如圖4所示)，供學(xué)生訓(xùn)練。學(xué)生看到地圖后，首先需要考慮虛擬機器人行走哪條路線才能最快到達終點。

圖4

經(jīng)過分析，可以走的線路有：第一，從第一個路口向右越過第一個路障后轉(zhuǎn)到車站1，然后經(jīng)過兩個路口轉(zhuǎn)向到達車站2，再經(jīng)過兩個路口轉(zhuǎn)向到達廢車，越過廢車后到達終點。第二，從第一個路口向右越過第一個路障后轉(zhuǎn)到車站1，然后經(jīng)過兩個路口轉(zhuǎn)向到達車站2，再直行一個路口到達路障，越過路障后右轉(zhuǎn)到達終點。第三，直行兩個路口到車站2，然后右轉(zhuǎn)兩個路口直行一個路口到達車站1，再掉頭直行兩個路口到達廢車，越過廢車后到達終點。

由于競賽規(guī)則還允許校車(虛擬機器人)離開白色軌跡線行駛，大大增加了程序設(shè)計的開放性，所以在競賽中，有的學(xué)生使用光電傳感器和超聲波來完成任務(wù)，有的學(xué)生使用指南針和GPS來完成任務(wù)，有的學(xué)生還想出了利用倒車的功能提高效率，充分體現(xiàn)了學(xué)生的創(chuàng)造性。因此，具有開放性特點的仿真虛擬機器人軟件在程序設(shè)計教學(xué)中能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，讓學(xué)生創(chuàng)造性地運用程序設(shè)計知識去解決問題。

四、結(jié)束語

仿真虛擬機器人軟件能夠引起小學(xué)生興趣，符合小學(xué)生認(rèn)知特點，把仿真虛擬機器人軟件應(yīng)用到小學(xué)程序設(shè)計教學(xué)中，能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計的興趣，有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。因此，仿真虛擬機器人軟件可成為小學(xué)信息技術(shù)程序設(shè)計教學(xué)的新載體。

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