淺析數(shù)學(xué)建模思想在小學(xué)機器人課程開發(fā)中的應(yīng)用

彭燕?尚傳福

[摘 要]數(shù)學(xué)建模思想融入小學(xué)機器人課程開發(fā)，具有很深遠的意義。它不僅有利于教學(xué)的展開，幫助學(xué)生知識的理解和掌握，更有利于開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)他們的邏輯思維能力以及動手能力。本文在真實的教案基礎(chǔ)上，介紹了建模思想在小學(xué)機器人教育中滲透的三個方面。

[關(guān)鍵詞]數(shù)學(xué)建模思想；小學(xué)機器人；課程開發(fā)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會的進步，機器人教育逐漸走進小學(xué)校園。尤其是經(jīng)濟發(fā)展比較好的城市，很多小學(xué)都開展了機器人教育，北京初一甚至將科學(xué)活動成績2015年納入中考分數(shù)，可見小學(xué)機器人教育成為小學(xué)必修課程是未來的一個趨勢。而小學(xué)階段是孩子們數(shù)學(xué)思維形成的奠基時期，孩子們的學(xué)習(xí)主要以直觀思維為主，不善于直接的抽象思維和逆向思維。他們所學(xué)的數(shù)學(xué)概念、公理、定理、公式等知識，主要從現(xiàn)實情境中抽象和概括出來的。所以，小學(xué)階段是培養(yǎng)學(xué)生模型思想的啟蒙時期，在小學(xué)教學(xué)中貫穿數(shù)學(xué)建模思想尤其重要。而機器人課程對于小學(xué)生來說比較抽象，不利于他們的理解。所以考慮將這兩者有效的結(jié)合，這樣滲透著數(shù)學(xué)建模思想的機器人教育的開展，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的建構(gòu)思想，幫助他們對機器人課程的學(xué)習(xí)，而且可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、動手能力、發(fā)散思維等。本文將引入一個機器人教育中螢火蟲教學(xué)的簡略教案（如表1所示），在此基礎(chǔ)上分析數(shù)學(xué)建模思想在小學(xué)機器人教育中的應(yīng)用。

簡單課堂實錄

1）組織教學(xué)：上課，師生問好；

2）課堂導(dǎo)入：一個螢火蟲的MV，學(xué)生自己分析螢火蟲的特點；

3）新課講授：（1）講授機器人的歷史，讓同學(xué)們討論見過哪些種類的機器人，舉手回答，最后老師展示多元化的機器人；（2）根據(jù)螢火蟲一閃一閃的特點，用程序?qū)崿F(xiàn)LED燈像螢火蟲一樣一閃一閃的；（3）直接使用軟件教學(xué)，老師手動教學(xué)，然后讓學(xué)生練習(xí)如何操作軟件；（4）啟動Arduino軟件，老師編寫螢火蟲程序，并上傳；（老師編程思想的分析，機器語言和人類語言的區(qū)別，形象的講解）（5）組裝螢火蟲，用USB線連接計算機和機器人，把LED燈模塊和機器人主控板的相應(yīng)端口用通信線連接起來，展示成果；（6）學(xué)生自主練習(xí)，并鼓勵同學(xué)勇于創(chuàng)新，如換燈的顏色、多個螢火蟲閃爍，并鼓勵同學(xué)們展示，對同學(xué)們的勇敢與創(chuàng)新給予表揚；（7）總結(jié)評價。

表1 螢火蟲的教學(xué)設(shè)計簡約方案

表1中的教案通過創(chuàng)設(shè)情境——引入問題——分析問題——編寫程序——解決問題——總結(jié)評價的順序來完成對機器人教育中螢火蟲部分的講解。整個過程看似和構(gòu)建模型無關(guān)，其實其中運用了很多數(shù)學(xué)建模的思想，具體滲透在以下三個方面：

一、清晰“問題”，抓住問題本質(zhì)，忽略次要因素

和數(shù)學(xué)建模相通，我們拿到一個機器人課程，首先要對這堂課所要學(xué)習(xí)的問題進行研究，聯(lián)系生活實際，根據(jù)問題的特征，結(jié)合研究的目的，找出解決這個問題的關(guān)鍵所在。比如上面的課堂導(dǎo)入過程是放一個螢火蟲的MV，學(xué)生自己分析螢火蟲的特點。這個過程的主要目的讓同學(xué)們找出螢火蟲的特點，結(jié)合最后要完成的螢火蟲的制作任務(wù)，學(xué)生們會注意觀察螢火蟲的最大特點是它的一閃一閃的燈，并且注意閃燈之間的間隔時間是多長更接近螢火蟲的頻率。它無異于我們數(shù)學(xué)建模思想中的分析簡化問題，找出問題的實質(zhì)過程。通過這樣的分析，模型假設(shè)時，我們可以只抓影響問題實質(zhì)的關(guān)鍵因素，忽略其次要因素，使后面模型求解結(jié)果的信度和效度更高。

二、將現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)化為程序問題

將現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)化為程序問題，最后實現(xiàn)機器人功能，需要借助數(shù)學(xué)知識，通過程序中中已有的數(shù)學(xué)語言、符號描述對象的內(nèi)在規(guī)律，來搭建積木程序，并做相應(yīng)的常量和變量的設(shè)定。如上面教案中所寫，要同學(xué)們根據(jù)螢火蟲一閃一閃的特點，用程序?qū)崿F(xiàn)LED燈像螢火蟲一樣一閃一閃的，即是將中心問題用數(shù)學(xué)語言把控制燈閃的條件和結(jié)論表示出來，在程序中設(shè)置相應(yīng)的變量和時間間隔，從而實現(xiàn)問題的轉(zhuǎn)化。這是很簡單的程序轉(zhuǎn)化，然而機器人程序功能所能實現(xiàn)的遠遠不止于此，他可以實現(xiàn)更為復(fù)雜的功能，比如，他可以通過條件判斷來實現(xiàn)躲避障礙物，來制作鬧鐘等。

三、結(jié)果的檢驗與課程的完善

同數(shù)學(xué)建模一樣，我們所編輯的程序最終是要回到問題本身來驗證結(jié)果的。小學(xué)機器人教育也一樣，我們在完成程序的編輯之后，要組裝好機器人，用USB線連接計算機和機器人，把要實現(xiàn)的模塊和機器人主控板的相應(yīng)端口用通信線連接起來，將編寫的程序上傳到機器人中，觀察機器人是否實現(xiàn)了預(yù)期的功能，還沒有完善的地方，可以修改程序重新上傳。

結(jié)合以上三點，我們可以了解到創(chuàng)設(shè)問題情境是為了吸引學(xué)生們的注意，引起學(xué)生們的興趣；引入問題是明確我們所要解決的問題；分析問題的過程是在構(gòu)建模型，找出限制因素，已知信息和各個條件之間的聯(lián)系；編寫程序就是將我們頭腦中構(gòu)建出的模型通過軟件的功能鍵編寫出來；解決問題的過程運用了我們數(shù)學(xué)建模中的假設(shè)檢驗思想，通過不斷地檢驗，不斷地改善達到解決問題的目的；這樣的一堂課下來，不僅培養(yǎng)了學(xué)生實際操作能力，創(chuàng)新能力，也提升了學(xué)生們的建構(gòu)思維能力。

參考文獻：

[1]邊勁松.小學(xué)開展機器人教育的研究.東北師范大學(xué)，2008.

[2]陳修臻.數(shù)學(xué)建模思想在小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究.山東師范大學(xué)，2015.

作者簡介：彭燕（1993-），女，重慶奉節(jié)人，本科學(xué)生，研究方向：創(chuàng)客教育。

尚傳福（1979-），男，山東萊蕪人，副教授，研究方向：項目管理、創(chuàng)客與機器人教育。

重慶市統(tǒng)籌城鄉(xiāng)教師教育研究中心工作室研究項目，項目編號：JDGZS201502