構(gòu)建智能機(jī)器人課程，實(shí)現(xiàn)“流程設(shè)計(jì)”整合教學(xué)

王振強(qiáng)

為了適應(yīng)社會(huì)需求的多樣化和學(xué)生全面而個(gè)性的發(fā)展，普通高中各學(xué)科課程都在突出注意素質(zhì)培養(yǎng)、倡導(dǎo)體驗(yàn)參與、開發(fā)課程資源、拓展學(xué)用渠道等理念，這就要求教師不能滿足早期簡(jiǎn)單的教育模式，必須在教學(xué)中勇于改革創(chuàng)新，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新與實(shí)踐，培養(yǎng)他們分析問題、解決問題的能力。筆者在多年的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)利用好智能機(jī)器人這一平臺(tái)，不僅可以加深學(xué)生對(duì)高中《通用技術(shù)》《數(shù)學(xué)》《信息技術(shù)》中與“流程設(shè)計(jì)”模塊相關(guān)的內(nèi)容的理解，還能充分培養(yǎng)學(xué)生延展知識(shí)、解決問題的創(chuàng)新能力。

高中信息技術(shù)學(xué)科課程相關(guān)模塊內(nèi)容與問題

1.高中數(shù)學(xué)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容與問題

高中數(shù)學(xué)必修3第二章“算法初步”在講述算法、流程圖等概念時(shí)，基本是以學(xué)生熟悉的初中數(shù)學(xué)知識(shí)為背景，如1.l小節(jié)例2給出求解方程組的算法，1.4小節(jié)講述的“算法案例”中的案例——設(shè)計(jì)解決“韓信點(diǎn)兵——孫子問題”的算法等。數(shù)學(xué)課中，學(xué)生都比較熟悉這樣的編排，理解課程內(nèi)容、完成課后習(xí)題也沒有什么問題。但如果要學(xué)生把課堂上所學(xué)的算法思想應(yīng)用到實(shí)踐中，并用這種思想去分析問題、解決問題，似乎就缺少了一條有效溝通的途徑。實(shí)踐中，教師大多只是為了完成教學(xué)任務(wù)，很少注意也很難做到把學(xué)生所學(xué)的知識(shí)與實(shí)際溝通，因此也很難最大化地發(fā)揮教學(xué)效果。

2.高中通用技術(shù)相關(guān)內(nèi)容與問題

相對(duì)而言，普通高中通用技術(shù)《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》中相關(guān)模塊是比較貼近實(shí)際的。例如，筆者在第一小節(jié)以“回家拿鑰匙開門的過程”為例引入“流程”的概念，在以后的教學(xué)中也都是引用生活和生產(chǎn)實(shí)例來說明相關(guān)問題，如“流程設(shè)計(jì)舉例”中以“小鐵錘的加工設(shè)計(jì)”為例，“流程優(yōu)化”中以“校辦廠的機(jī)械設(shè)備修理流程”為例，“成本優(yōu)化”中以“某配送中心的配送線路圖”為例等，課后要求學(xué)生參與的綜合實(shí)踐題目是“可拆家具的組裝”“垃圾處理工作流程的改進(jìn)設(shè)計(jì)”等。學(xué)生根據(jù)平時(shí)的感官體驗(yàn)和生活經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蝮w會(huì)到這些問題，對(duì)書本上的內(nèi)容也不難理解。正是由于書上所舉的例子都是來源于生產(chǎn)生活，而這些例子在實(shí)際生活中的流程一般是固定的，即使有改進(jìn)的地方，也都是不影響大局的修修補(bǔ)補(bǔ)，所以學(xué)生很難體會(huì)到流程缺失以及在總體結(jié)構(gòu)上改變流程所引起的后果。況且通用技術(shù)課在高中教學(xué)中課時(shí)有限，因而大多數(shù)教師都沒有足夠的時(shí)間讓學(xué)生在實(shí)踐中檢驗(yàn)所學(xué)的知識(shí)。

3.高中信息技術(shù)相關(guān)內(nèi)容與問題

在信息技術(shù)中，學(xué)生根據(jù)所達(dá)成的目的將問題轉(zhuǎn)化成熟知的模型，從而確定算法，然后用某一種程序語言實(shí)現(xiàn)，并設(shè)計(jì)編寫程序在計(jì)算機(jī)上調(diào)試運(yùn)行，再進(jìn)一步觀察結(jié)果是否報(bào)錯(cuò)。學(xué)生對(duì)程序設(shè)計(jì)重要性的理解與感受大多限于計(jì)算機(jī)虛擬“游戲”的層面，而不能提升到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景中。雖然有熟悉的數(shù)學(xué)模型，有現(xiàn)實(shí)的背景，但是程序一發(fā)生變化，學(xué)生就容易脫離實(shí)際，不會(huì)處理，而且很多錯(cuò)誤的程序在執(zhí)行后會(huì)產(chǎn)生怎樣的結(jié)果學(xué)生也難以預(yù)料。

以上幾個(gè)學(xué)科的教學(xué)問題在引入了可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)際操作的智能機(jī)器人這一平臺(tái)后，教學(xué)效果得到了明顯的改善。就“流程設(shè)計(jì)”而言，要觀察改變某一個(gè)流程前后的執(zhí)行結(jié)果，用通用技術(shù)中的實(shí)際案例通常比較慢（有些要幾天甚至幾個(gè)月），信息技術(shù)和數(shù)學(xué)中相應(yīng)例子的流程變化雖然快速，能在課堂上短時(shí)間內(nèi)完成，但不夠直觀，也不一定符合實(shí)際情況，學(xué)生也無法深入地掌握。而智能機(jī)器人的流程設(shè)計(jì)在一定程度上可以克服以上弊病，極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)程序（流程）設(shè)計(jì)的積極性和實(shí)際效果，值得教師在教學(xué)中大力研究、探索、推廣。

高中智能機(jī)器人課程內(nèi)容與目標(biāo)

1.智能機(jī)器人學(xué)習(xí)原理

智能機(jī)器人的學(xué)習(xí)是以解決具體問題的學(xué)習(xí)方式進(jìn)行的。學(xué)生運(yùn)用已有的知識(shí)，成功地尋找達(dá)到目標(biāo)的手段或途徑，在解決具體問題的過程中達(dá)到學(xué)習(xí)目的。機(jī)器人由數(shù)百種零散的零件所組成，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多采用標(biāo)準(zhǔn)件、通用件，在機(jī)器人組裝設(shè)計(jì)時(shí)教師可以給學(xué)生發(fā)揮想象的空間。學(xué)生根據(jù)要完成的具體任務(wù)，用這些零件拼裝成造型各異的機(jī)器人，拼裝出來的機(jī)器人身體要靈活，探測(cè)靈敏度要高，還要結(jié)實(shí)能經(jīng)得起碰撞。機(jī)器人的形狀沒有固定模式，這樣可以促使學(xué)生充分調(diào)動(dòng)創(chuàng)造性思維。機(jī)器人拼裝好后，學(xué)生使用機(jī)器人所選用的LOGO、Qbasic、VB、C/C++、匯編等程序語言，以及可視化的模塊化編程平臺(tái)進(jìn)行編程，編譯完成的程序可以下載到機(jī)器人相關(guān)核心處理器中。當(dāng)機(jī)器人脫離計(jì)算機(jī)后，就可以根據(jù)程序指令以及周圍環(huán)境的不同來行動(dòng)，實(shí)現(xiàn)完全智能化。當(dāng)然，如果機(jī)器人沒有按照預(yù)先設(shè)定的程序完成預(yù)定任務(wù)，就需在計(jì)算機(jī)上修改原程序，再通過機(jī)器人下載后進(jìn)行測(cè)試，直到機(jī)器人完全按要求完成任務(wù)為止，其具體原理如圖1所示。

2.高中智能機(jī)器人課程目標(biāo)

用計(jì)算機(jī)編寫的程序可以是代碼的形式也可以是框圖的形式，編程就像設(shè)計(jì)流程圖一樣，學(xué)生易于接受，并在短時(shí)間內(nèi)就能學(xué)會(huì)。在此過程中，學(xué)生可以：①理解機(jī)器人的本質(zhì)與基本工作原理，拓展知識(shí)面，從而更深層次地理解現(xiàn)代社會(huì)中的倫理道德。②理解程序設(shè)計(jì)中的算法思想，學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的基本方法和技巧，體會(huì)用計(jì)算機(jī)解決問題的一般過程。③通過設(shè)計(jì)、組裝具有不同功能、結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)，了解機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、感覺系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等基本結(jié)構(gòu)原理。④通過競(jìng)賽、展示等活動(dòng)，了解機(jī)器人的功能、應(yīng)用領(lǐng)域、應(yīng)用方法，培養(yǎng)團(tuán)結(jié)協(xié)作意識(shí)、競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，獲得成功的體驗(yàn)。

高中智能機(jī)器人教學(xué)探索

現(xiàn)在用于教育領(lǐng)域的智能機(jī)器人有很多，如西覓亞公司代理的樂高（LEGO）機(jī)器人、上海未來伙伴機(jī)器人有限公司能力風(fēng)暴教育機(jī)器人、廣州中鳴科技有限公司電腦機(jī)器人等。各地區(qū)習(xí)慣使用的機(jī)器人各不相同，但其設(shè)計(jì)思想和操作方法大同小異，下面筆者以廣州中鳴科技有限公司的模塊式循跡機(jī)器人為例對(duì)其進(jìn)行探討。

如果要組裝一個(gè)能自主沿著黑線行走的典型作品“循跡智能車”，則需要以下步驟。

1.規(guī)劃

組裝一個(gè)可以轉(zhuǎn)彎行走的路徑模型，可以探測(cè)前進(jìn)道路上有無黑線（能否反光），根據(jù)預(yù)定程序發(fā)出指令，控制電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。

2.組裝

①組裝車身；②安裝車輪；③安裝萬向輪；④安裝雙光反射傳感器；⑤安裝電池盒和控制電路主板；⑥連接控制電路。圖2為機(jī)器人簡(jiǎn)圖。

3.編程

安裝完成后，就可以用套件中提供的開發(fā)環(huán)境進(jìn)行控制程序的設(shè)計(jì)了。程序由“程序開始”通過流程線連接若干命令到“程序結(jié)束”構(gòu)成一個(gè)控制程序。用鼠標(biāo)點(diǎn)擊選中的命令，不要松開鼠標(biāo)，將其拖到流程線附近，此時(shí)流程線會(huì)變成紅色，松開鼠標(biāo)左鍵，該命令就插在流程線中。學(xué)生可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)將各個(gè)命令塊逐個(gè)拖到流程線中，就構(gòu)成了一個(gè)完整的程序。對(duì)程序較了解的學(xué)生還可以采用代碼的界面來完成程序的編寫。循跡智能車部分程序如圖3所示。圖中每個(gè)模塊都可以從左邊列表中拖出，經(jīng)過簡(jiǎn)單修改就能達(dá)成要求。最后，通過專用數(shù)據(jù)線把程序下載到控制器的RCU主處理器上就可以了。

4.調(diào)試

將程序下載到循跡智能小車后，看看小車是否能循跡前進(jìn)，如果不成功，則檢查控制電路板連接是否正常、程序設(shè)計(jì)是否正確，直至工作正常為止。

小車的組裝過程要求學(xué)生熟悉套件中各部件的結(jié)構(gòu)、作用，只有這樣才能正確地確定設(shè)計(jì)方向，選擇必要的零件；連接電路要求學(xué)生熟悉傳感器的作用，熟悉控制電路主板接口和傳感器的關(guān)系；程序設(shè)計(jì)部分能充分反映學(xué)生對(duì)算法（或流程設(shè)計(jì)）的掌握程度。由于程序設(shè)計(jì)的開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)了圖形化，所以學(xué)生在熟練掌握了基本操作后，可以在數(shù)分鐘內(nèi)對(duì)程序進(jìn)行修改。由機(jī)器體現(xiàn)出修改前后的變化，能使學(xué)生直觀地掌握流程設(shè)計(jì)（算法）的思想，并使其在解決問題的過程中得到歷練。

總結(jié)

社會(huì)不斷發(fā)展，科技不斷進(jìn)步，如果教師仍然停留在陳舊的教育理念上，認(rèn)為教師是課程的實(shí)施者、執(zhí)行者，只想準(zhǔn)確無誤地領(lǐng)會(huì)課程設(shè)計(jì)者的思想，忠實(shí)地、無條件地履行既定的課程方案，這就忽視了自身在課程開發(fā)中的主觀能動(dòng)作用，缺乏創(chuàng)新精神，無法完成對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，教師應(yīng)努力把教材作為課程資源來使用，根據(jù)自身實(shí)際創(chuàng)造性地使用教材，整合相關(guān)課程資源，利用現(xiàn)代科技手段開發(fā)教學(xué)資源，特別是以機(jī)器人為主的智能化設(shè)備，可以為高中多學(xué)科提供不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)形式，而這些先進(jìn)技術(shù)都是學(xué)生未來必須要掌握的。教師要把它們?nèi)诤系綄W(xué)科教學(xué)中，讓學(xué)生感受到課堂的魅力，體驗(yàn)到技術(shù)及創(chuàng)新的價(jià)值。