從簡(jiǎn)單邁向復(fù)雜

☆王偉民

（浙江省上虞中學(xué)，浙江紹興 312300）

一、引言

為推動(dòng)普通高中辦學(xué)多樣化、特色化發(fā)展，從2013年開(kāi)始，浙江省教育廳開(kāi)展“普通高中特色示范學(xué)?！苯ㄔO(shè)評(píng)估，我校也開(kāi)始了特色學(xué)校的創(chuàng)建之路。在全校教師及校外力量的共同努力下，在不到1年的時(shí)間里，開(kāi)設(shè)了100多門(mén)校本選修課程，筆者開(kāi)設(shè)的《創(chuàng)意機(jī)器人》也名列其中。

在課程的開(kāi)設(shè)過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)目前高中生在機(jī)器人方面的基礎(chǔ)普遍較差，從連續(xù)兩年對(duì)高一選修本課程的學(xué)生（總?cè)藬?shù)為60）的調(diào)查結(jié)果來(lái)看，學(xué)過(guò)機(jī)器人的學(xué)生人數(shù)為零，學(xué)過(guò)編程的只有1人，學(xué)過(guò)電子小制作的也為零，可見(jiàn)機(jī)器人或與其相關(guān)的技術(shù)學(xué)科在小學(xué)階段和初中階段的普及教育還是一片空白，小學(xué)和初中雖然都有機(jī)器人的相關(guān)教材，但許多學(xué)校并不開(kāi)設(shè)課程，或僅作簡(jiǎn)單介紹。因此，現(xiàn)階段高中開(kāi)設(shè)機(jī)器人選修課時(shí)，教師仍需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)的普及教育。

這一現(xiàn)狀導(dǎo)致目前高中階段的機(jī)器人教學(xué)深度和難度不夠，教和學(xué)均停留在簡(jiǎn)單機(jī)器人的學(xué)習(xí)和制作上。但其實(shí)高中生的智力水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于小學(xué)生和初中生，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)涉及復(fù)雜編程；另外，大多數(shù)學(xué)校開(kāi)設(shè)這門(mén)課是希望從中挑選優(yōu)秀的學(xué)生去參加各類機(jī)器人比賽。從這兩方面考慮，教師有必要向?qū)W生介紹復(fù)雜編程的相關(guān)知識(shí)，因此，我們?cè)诿繉W(xué)期結(jié)束前均會(huì)安排2-3節(jié)課，引導(dǎo)學(xué)生從簡(jiǎn)單編程過(guò)渡到復(fù)雜編程，本文介紹的是其中一節(jié)課的相關(guān)情況，以期與同行交流。

二、復(fù)雜編程的意義

機(jī)器人項(xiàng)目一般有一定的復(fù)雜度，特別是高智能、多功能機(jī)器人，不光硬件復(fù)雜，其軟件部分也非常復(fù)雜。為了降低編程難度，便于多人合作編程，通常采用模塊化編程。對(duì)于高中生而言，掌握利用機(jī)器人解決一些較復(fù)雜問(wèn)題的策略和思路，不但可以鍛煉學(xué)生的思維能力、綜合應(yīng)用能力和面對(duì)復(fù)雜問(wèn)題時(shí)的決策能力，也有利于學(xué)生創(chuàng)意的發(fā)揮，從而能制作出功能更加新穎和強(qiáng)大的機(jī)器人。

三、復(fù)雜編程的實(shí)現(xiàn)

復(fù)雜編程相對(duì)于簡(jiǎn)單編程，不僅僅是代碼的長(zhǎng)度更長(zhǎng)，也不是一段段的簡(jiǎn)單程序的簡(jiǎn)單堆砌，復(fù)雜編程有著獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。在編程中，通常會(huì)用到函數(shù)和函數(shù)調(diào)用、復(fù)合條件的使用、程序嵌套、并行驅(qū)動(dòng)等知識(shí)，對(duì)于初次接觸復(fù)雜編程的初學(xué)者，建議從復(fù)合條件的使用入手。

我校選用的是雍異教育機(jī)器人，采用C51語(yǔ)言，它是在標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言的基礎(chǔ)上根據(jù)51單片機(jī)的特性進(jìn)行了適當(dāng)改造而成的，和標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言高度相似。

我們知道，智能機(jī)器人必須要用到傳感器，在編程時(shí)，通常采用IF語(yǔ)句或WHILE語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器狀態(tài)的判斷，簡(jiǎn)單的機(jī)器人可能只用到了一個(gè)傳感器，相應(yīng)的IF語(yǔ)句或WHILE語(yǔ)句的（）內(nèi)的條件也比較簡(jiǎn)單，屬于單一條件。

復(fù)雜的智能機(jī)器人，通常要用到多個(gè)傳感器，相應(yīng)地IF語(yǔ)句或WHILE語(yǔ)句的（）內(nèi)的條件也會(huì)變得更加復(fù)雜，不再是單一條件，而是復(fù)合條件。復(fù)合條件通常是由多個(gè)單一條件用與、或邏輯運(yùn)算符連接而成的。

在C語(yǔ)言中，&&表示“與”，||表示“或”。

||是“或”運(yùn)算符，當(dāng)條件1或條件2至少有一個(gè)滿足時(shí)，執(zhí)行循環(huán)體語(yǔ)句，然后返回，再次判斷……

當(dāng)“爸爸給買(mǎi)玩具娃娃”或“媽媽給買(mǎi)小紅裙”時(shí)，小女孩不斷地笑……顯然小女孩微笑的條件是寬松的，只要能得到小紅裙或者玩具娃娃中的任何一件，她就心滿意足了。

前面例子中的||變成了這里的&&，其他沒(méi)有變，顯然小女孩微笑的要求更高了，兩樣?xùn)|西都得到才會(huì)笑。

四、一個(gè)復(fù)雜項(xiàng)目實(shí)例

在實(shí)際教學(xué)中，建議通過(guò)一個(gè)具體的項(xiàng)目來(lái)引導(dǎo)學(xué)生了解復(fù)雜編程的相關(guān)知識(shí)。

針對(duì)使用的這款機(jī)器人的硬件條件，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)名為“各就各位”的項(xiàng)目。地面上有一條黑色的起跑線，小車(chē)離該線有一段距離，其前進(jìn)方向與起跑線不垂直，編程讓小車(chē)前進(jìn)到起跑線，并讓其前進(jìn)方向與起跑線垂直，并停車(chē)。這個(gè)任務(wù)類似于運(yùn)動(dòng)員起步時(shí)在起跑線上各就各位，做好起跑準(zhǔn)備。

學(xué)生明確任務(wù)后，往往不知道從何下手，這時(shí)教師需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行思路引導(dǎo)，可以讓學(xué)生在單片機(jī)內(nèi)編曲寫(xiě)一個(gè)停車(chē)程序，然后給小車(chē)通電，用手移動(dòng)小車(chē)前進(jìn)，我們先假設(shè)夾角小于90°（如圖1）。

當(dāng)小車(chē)運(yùn)動(dòng)到黑線時(shí)，裝在車(chē)頭左側(cè)的光電開(kāi)關(guān)指示燈狀態(tài)發(fā)生變化，只要我們將該光電開(kāi)關(guān)的輸出通過(guò)一根電線接到單片機(jī)的任一IO腳上，單片機(jī)就能知道小車(chē)左側(cè)已經(jīng)到黑線位置，然后思考這個(gè)時(shí)候小車(chē)還能繼續(xù)前進(jìn)嗎？如果繼續(xù)前進(jìn)，小車(chē)車(chē)頭的左邊就到黑線前面，學(xué)生自然就想到左輪應(yīng)該停止，小車(chē)的右邊還沒(méi)有到黑線，右輪要繼續(xù)前進(jìn)，這個(gè)時(shí)候小車(chē)應(yīng)該是左轉(zhuǎn)彎，當(dāng)裝在車(chē)頭右側(cè)的光電開(kāi)關(guān)指示燈狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，小車(chē)右邊也到達(dá)黑線，此時(shí)停車(chē)即可。

顯然，學(xué)生要用到小車(chē)車(chē)頭左右2個(gè)光電開(kāi)關(guān)，將它們的輸出腳用2根導(dǎo)線連到單片機(jī)的任何2個(gè)IO腳上即可。

圖1

有了思路，我們還需要將它轉(zhuǎn)換成C語(yǔ)言語(yǔ)句。利用已學(xué)知識(shí)，學(xué)生很容易寫(xiě)出下面的程序：

實(shí)際運(yùn)行后，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)大致能對(duì)齊，但不是對(duì)得非常齊，原因是左輪停止、右輪前進(jìn)時(shí)，小車(chē)左側(cè)會(huì)有少許滑動(dòng)。如果要求準(zhǔn)確對(duì)齊，可以在程序中加入更精確的調(diào)整語(yǔ)句，程序修改如下：

程序運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)對(duì)得非常齊了。

程序可以順利運(yùn)行了，但演示時(shí)必須保證夾角小于90°，如果取消這一限制，即小車(chē)與黑線的夾角為任何角度時(shí)，小車(chē)都能前進(jìn)到黑線前，并與黑線對(duì)齊成90°角，還需要進(jìn)一步動(dòng)腦筋。

如果事先知道夾角小于90°，必定是左邊的傳感器狀態(tài)先發(fā)生改變，所以，學(xué)生應(yīng)先判斷左邊的傳感器狀態(tài)是否改變；如果事先知道夾角大于90°，必定是右邊的傳感器狀態(tài)先發(fā)生改變，應(yīng)先判斷右邊的傳感器狀態(tài)是否改變。但這個(gè)夾角事先是不知道的，它可能小于90°，可能大于90°，也等于90°，該如何判斷傳感器的狀態(tài)呢？

這種情況下，需要用到前面講過(guò)的復(fù)合條件和與或的知識(shí)。傳感器判斷語(yǔ)句寫(xiě)成下面的形式：

里面的條件是一個(gè)復(fù)合條件，兩個(gè)傳感器，如果都檢測(cè)到白紙，說(shuō)明沒(méi)有到達(dá)黑線位置，所以不作任何處理，繼續(xù)前進(jìn)；當(dāng)其中一個(gè)傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，說(shuō)明小車(chē)的左邊或右邊到了黑線位置，此時(shí)，已到黑線的一側(cè)要停止前進(jìn)，沒(méi)有到黑線的一側(cè)要繼續(xù)前進(jìn)。有的學(xué)生在這里又會(huì)被難住，因?yàn)橄鹊胶诰€的可能是左側(cè)也可能是右側(cè)，可以通過(guò)一個(gè)IF語(yǔ)句判斷當(dāng)前是左側(cè)傳感器探測(cè)到黑線還是右側(cè)傳感器探測(cè)到黑線，再用分支語(yǔ)句分情況處理。

最后，我們寫(xiě)出各就各位的完整版程序如下：

五、小結(jié)

通過(guò)對(duì)學(xué)生循序漸進(jìn)的思路引導(dǎo)，幾乎所有學(xué)生都能編寫(xiě)出這個(gè)復(fù)雜程序，更重要的是學(xué)生知道了一個(gè)道理，即使是最復(fù)雜的程序也是由簡(jiǎn)單程序組合而來(lái)或者變形而來(lái)的，只要不畏懼困難，肯動(dòng)腦，同時(shí)掌握一定的復(fù)雜編程知識(shí)和技巧，更復(fù)雜的程序也是可以寫(xiě)出來(lái)的。當(dāng)學(xué)生在心理上克服了對(duì)復(fù)雜程序的恐懼感，就會(huì)變得更加自信，對(duì)于他們將來(lái)進(jìn)入大學(xué)完成較高難度的學(xué)習(xí)和研究也有很大益處。

[1]謝作如.Arduino創(chuàng)意機(jī)器人[J].浙江教育資源網(wǎng),2015.

[2]孫丹江.如何在中小學(xué)開(kāi)展機(jī)器人普及課程—以我校機(jī)器人普及課程的開(kāi)設(shè)為例[J].中國(guó)信息技術(shù)教育,2012.