數(shù)學(xué)建模思想在小學(xué)機(jī)器人教育中的應(yīng)用

姜春霄

（青島市市南區(qū)實(shí)驗(yàn)小學(xué)，山東青島266071）

數(shù)學(xué)建模思想在小學(xué)機(jī)器人教育中的應(yīng)用

姜春霄

（青島市市南區(qū)實(shí)驗(yàn)小學(xué)，山東青島266071）

在小學(xué)機(jī)器人教育中應(yīng)用數(shù)學(xué)建模思想，不僅有利于學(xué)生已有知識(shí)的正遷移，起到舉一反三的效果，更有利于培養(yǎng)學(xué)生透過現(xiàn)象揭示本質(zhì)的洞察能力，也有利于培養(yǎng)學(xué)生簡約、嚴(yán)密的思維品質(zhì)。文章介紹了建模思想在機(jī)器人學(xué)習(xí)中滲透的三個(gè)方面。

小學(xué)機(jī)器人教育；數(shù)學(xué)建模

為了更好的培養(yǎng)學(xué)生的思維能力與創(chuàng)新能力，機(jī)器人教育已成為部分地區(qū)小學(xué)信息技術(shù)課程的一部分。讓學(xué)生經(jīng)歷采集信息——處理信息——控制動(dòng)作的過程，領(lǐng)會(huì)編程的思想，是機(jī)器人教育的主要目標(biāo)。然而，機(jī)器人編程對(duì)于小學(xué)生來說較抽象、難度較大，實(shí)踐中，我們可以借助數(shù)學(xué)領(lǐng)域的建模思想來使機(jī)器人編程變得更容易一些。數(shù)學(xué)建模是指把現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)際問題加以提煉，抽象為數(shù)學(xué)模型，求出模型的解，驗(yàn)證模型的合理性，并用該數(shù)學(xué)模型所提供的解答來解釋現(xiàn)實(shí)問題。[1]建模思想在編程領(lǐng)域的應(yīng)用可以理解為把現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)際問題加以提煉，抽象為程序的模型，并用已有程序模型來解釋與解決實(shí)際問題。引導(dǎo)學(xué)生把編程思想與實(shí)際問題相結(jié)合，合理構(gòu)建程序模型，不僅有利于學(xué)生已有知識(shí)的正遷移，起到舉一反三的效果，更有利于培養(yǎng)學(xué)生透過現(xiàn)象揭示本質(zhì)的洞察能力，也有利于培養(yǎng)學(xué)生簡約、嚴(yán)密的思維品質(zhì)。建模思想在機(jī)器人學(xué)習(xí)中的滲透可以從以下三個(gè)方面入手。

第一、從生活入手，把自然語言轉(zhuǎn)化成程序語言

與數(shù)學(xué)建模相通，要用程序解決問題，首先需要學(xué)會(huì)把實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為程序問題，即從復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)現(xiàn)象當(dāng)中抽取問題的主要因素來分析和討論，當(dāng)學(xué)生能夠用程序的語言描述實(shí)際問題，程序建模就基本完成。有兩種方法可以培養(yǎng)學(xué)生建模的能力：第一種是讓學(xué)生把機(jī)器人想象成自己，自己完成某個(gè)任務(wù)所要經(jīng)歷的過程也是機(jī)器人要經(jīng)歷的過程；第二種是從最簡單的實(shí)際生活問題入手，一步步引導(dǎo)學(xué)生用程序語言描述問題，循序漸進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建模型的能力。比如，讓機(jī)器人唱一首曲子。學(xué)生說，我在唱曲的時(shí)候是一個(gè)音符一個(gè)音符唱出的，機(jī)器人也該這么做。如何編寫程序呢？學(xué)生說出把發(fā)不同音調(diào)的發(fā)音模塊連在一起，順序執(zhí)行就能演奏歌曲了。再比如，機(jī)器人走一個(gè)正四邊形。學(xué)生說：我在走正四邊形的時(shí)候需要 “前進(jìn)→轉(zhuǎn)彎→前進(jìn)→轉(zhuǎn)彎→前進(jìn)→轉(zhuǎn)彎→前進(jìn)→轉(zhuǎn)彎”。教師追問前進(jìn)多少？轉(zhuǎn)多少角度的彎？機(jī)器人需要用哪些模塊來實(shí)現(xiàn)？重復(fù)的過程怎么處理？再比如，開發(fā)一個(gè)簡單的紅綠燈系統(tǒng)，要求五分鐘紅燈過后是一分鐘的黃燈，接著是五分鐘的綠燈。教師提出這樣的問題：如何控制紅燈亮的時(shí)間？紅綠燈系統(tǒng)只執(zhí)行一次嗎？這樣步步引導(dǎo)學(xué)生用程序的語言表達(dá)實(shí)際過程，久而久之，學(xué)生就會(huì)形成用合理的程序語言來重新描述問題的習(xí)慣，建模的方法被應(yīng)用于編程的過程中，編寫程序不再神秘且越來越容易。

第二、提煉方法，建立并應(yīng)用解決問題的模型庫

在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，針對(duì)不同的問題類型，有與之對(duì)應(yīng)的基本關(guān)系式，比如體積公式V=abc、路程速度公式S=vt等等，這些關(guān)系式使學(xué)生能在解析問題之后快速找到與之對(duì)應(yīng)的解決方法。在機(jī)器人教育中，應(yīng)借助具體的編程實(shí)例，把重點(diǎn)放在總結(jié)和提煉在實(shí)際問題中用到的編程方法，構(gòu)建解決問題的模型庫。比如，假設(shè)機(jī)器人要躲避障礙物，那么就需要不斷地判斷前方是否有障礙物，要用永遠(yuǎn)循環(huán)，而走正方形需要走出四條相同的邊，所以要用多次循環(huán)，由多個(gè)這樣的實(shí)例讓學(xué)生理解需要重復(fù)做的事件要用循環(huán)程序結(jié)構(gòu)；再比如，在鬧鐘程序中，如果光線符合天亮的條件，機(jī)器人要奏響音樂，反之，機(jī)器人要繼續(xù)判斷是否天亮。通過此類實(shí)例，學(xué)生歸納得出條件判斷的事件用分支結(jié)構(gòu)，符合條件后要做的事情填在“是”的分支，不符合條件要做的事情填在“否”的分支；比如演奏歌曲等一般的程序用順序結(jié)構(gòu)。如此，構(gòu)建解決問題的基本模型庫，便于學(xué)生在遇到實(shí)際問題時(shí)選擇使用。

第三、設(shè)置圖形化模塊，解決問題

在數(shù)學(xué)中，把現(xiàn)實(shí)問題抽象為模型后，需要用模型解答現(xiàn)實(shí)問題。對(duì)于機(jī)器人操作來說，在確定了程序的基本模型之后，最后要編寫程序達(dá)成目標(biāo)。我市小學(xué)機(jī)器人教育中采用的是VJC能力風(fēng)暴智能機(jī)器人開發(fā)系統(tǒng)，該軟件采用圖形化交互式C語言，每一種功能用一個(gè)模塊（圖標(biāo)）表示，學(xué)生需要把對(duì)應(yīng)的模塊拖放在程序流程線上連接起來，并對(duì)模塊進(jìn)行設(shè)置，完成編程。這種簡單而又功能強(qiáng)大的平臺(tái)為學(xué)生提供可視化的、情境化的工具，方便學(xué)生的思考與操作。在這個(gè)過程中，對(duì)模塊的設(shè)置是重點(diǎn)操作，如果注重歸納總結(jié)，同樣有規(guī)律可循，可以降低學(xué)生操作的難度。比如，在VJC系統(tǒng)中單擊右鍵設(shè)置模塊，傳感器模塊一般包含著條件判斷，執(zhí)行模塊庫中的直行模塊和轉(zhuǎn)向模塊都可以設(shè)置速度和時(shí)間。轉(zhuǎn)向模塊統(tǒng)一把速度設(shè)置為100，時(shí)間為1秒時(shí)，機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)360°，時(shí)間為0.5秒時(shí)，機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)180°，以此類推等等。完成程序后，可進(jìn)入VJC仿真系統(tǒng)，檢驗(yàn)程序的可行性。

總之，機(jī)器人教育使信息技術(shù)課跳出“軟件培訓(xùn)”的模式，給學(xué)生更多自主創(chuàng)新的機(jī)會(huì)，有利于培養(yǎng)學(xué)生良好的思維品質(zhì)，是信息技術(shù)課程中不可缺少的一道亮麗風(fēng)景線。本文是基于實(shí)踐的討論，數(shù)學(xué)建模思想在機(jī)器人編程中的應(yīng)用效果還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證與探索。每一名新時(shí)代的信息技術(shù)教師，都擔(dān)負(fù)著深入探討各種教學(xué)方法的使命和責(zé)任。

[1]袁黎霞，鄭學(xué)良.數(shù)學(xué)建模與數(shù)學(xué)教學(xué)改革[J]，臺(tái)州學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，6.

（編輯：郭桂真）

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1673-8454（2012）10-0065-02