基于mBot機(jī)器人的創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)

苗永梅

摘 要：傳統(tǒng)教育習(xí)得的知識(shí)處于碎片化且缺乏現(xiàn)實(shí)性，隨著學(xué)習(xí)的深入困惑越來(lái)越深，表現(xiàn)為學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)沒(méi)興趣。創(chuàng)新教育可以彌補(bǔ)這一缺陷，強(qiáng)調(diào)學(xué)知識(shí)、用知識(shí)，從生活中學(xué)習(xí)的教育理念。該論文借助創(chuàng)新教育的最好載體機(jī)器人，模擬生活中的智能交通系統(tǒng)，學(xué)生在機(jī)器人的搭建和編程中學(xué)會(huì)創(chuàng)造性的思考問(wèn)題，培養(yǎng)動(dòng)手實(shí)際能力；同時(shí)以這個(gè)實(shí)例做為課程設(shè)計(jì)案例，在教學(xué)實(shí)例選擇、教學(xué)內(nèi)容安排、教學(xué)方式設(shè)計(jì)3個(gè)方面來(lái)體現(xiàn)創(chuàng)新教育理念。

關(guān)鍵詞：mBot機(jī)器人 創(chuàng)新教育 智能交通 Arduino

中圖分類(lèi)號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）05（a）-0210-02

1 mBot機(jī)器人介紹

mBot是一款為素質(zhì)教育而生的低門(mén)檻“機(jī)器人小車(chē)”，是實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科綜合素質(zhì)教育STEAM[1]的載體，借助mBot機(jī)器人開(kāi)展教育是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑[2]。mBot 機(jī)器人分為硬件和軟件兩個(gè)部分，硬件是標(biāo)準(zhǔn)化的電子零件，由mBot機(jī)械部分、mCore控制板兩部分組成，同時(shí)配有一個(gè)簡(jiǎn)易遙控器可供拼裝完成后直接“駕駛”；軟件部分使用基于Scratch2.0[3]開(kāi)發(fā)的圖形化編程軟件mBlock，通過(guò)藍(lán)牙直接實(shí)現(xiàn)操控mBot APP。mBlock根據(jù)需求編制一個(gè)程序，將其下載到mCore，由mCore控制mBot機(jī)器人完成動(dòng)作。

mBot機(jī)器人與智能玩具的區(qū)別在于它可以使用軟件mBlock進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，在其上加載一些傳感器可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。該次課程設(shè)計(jì)用3個(gè)mBot機(jī)器人模擬制作一個(gè)智能交通系統(tǒng)，用實(shí)例來(lái)講述創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)過(guò)程。

2 智能交通系統(tǒng)分析

課堂以智能交通系統(tǒng)為主題，激發(fā)學(xué)生討論，討論結(jié)果形成一個(gè)簡(jiǎn)單、完整的交通系統(tǒng)由3個(gè)部分組成智能汽車(chē)、智能紅綠燈、智能車(chē)庫(kù)。具體功能如下描述。

（1）智能汽車(chē)，用mBot機(jī)器人模擬汽車(chē)的行車(chē)過(guò)程，前進(jìn)、左右轉(zhuǎn)彎、倒車(chē)，同時(shí)用指示燈顏色和不同的聲音區(qū)分不同狀況，以給出警戒和提示；車(chē)上安裝超聲波傳感器，便于安全倒車(chē)；汽車(chē)的行駛過(guò)程用遙控器控制。

（2）智能紅綠燈，根據(jù)路段車(chē)流量設(shè)置紅綠燈間隔時(shí)間，綠燈結(jié)束后有3 s的黃燈閃爍；指示燈亮，并用LED數(shù)碼管顯示剩余時(shí)間。在mBot機(jī)器人的主控板mCore上安裝兩個(gè)設(shè)備，一個(gè)是LED燈作為紅綠燈使用；另一個(gè)是4位數(shù)碼管用來(lái)顯示紅綠燈時(shí)間，用RJ25接口線(xiàn)將兩設(shè)備與主控板連接。

（3）智能車(chē)庫(kù)，用超聲波傳感器來(lái)檢測(cè)有無(wú)車(chē)輛入庫(kù)，若有，則用舵機(jī)控制橫桿抬起，若無(wú)，則橫桿落下。若在超聲波出現(xiàn)故障時(shí)，則用機(jī)械遙感手動(dòng)控制橫桿起落。mCore主控板接3個(gè)設(shè)備：一是超聲波傳感器，用來(lái)檢測(cè)門(mén)前有無(wú)車(chē)輛；二是遙感，便于應(yīng)急時(shí)手動(dòng)控制；三是舵機(jī)，其上安裝橫桿，接收超聲波傳感器信號(hào)，控制橫桿起落。

3 課程設(shè)計(jì)

將智能交通系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)分基礎(chǔ)、應(yīng)用、創(chuàng)新3個(gè)階段來(lái)講述。

（1）智能汽車(chē)：對(duì)汽車(chē)的踩油門(mén)、松油門(mén)過(guò)程用鍵盤(pán)上的“按下、松開(kāi)上移鍵”命令來(lái)控制；脫機(jī)時(shí)，將“按下上移鍵、松開(kāi)上移鍵”命令用紅外遙控器上的上下箭頭代替，便于脫機(jī)控制。由于紅外線(xiàn)遙控器控制命令以判斷形式出現(xiàn)，須將其加入條件控制結(jié)構(gòu)。其它轉(zhuǎn)向功能與前進(jìn)類(lèi)似。

基礎(chǔ)功能完成汽車(chē)的機(jī)械行駛前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、又轉(zhuǎn)，同時(shí)配備相應(yīng)的指示燈；通過(guò)鍵盤(pán)上的4個(gè)方向箭頭完成在線(xiàn)控制，使用圖形化模塊如表1的在線(xiàn)命令。通過(guò)學(xué)習(xí)讓學(xué)生熟悉mBlock軟件界面，學(xué)會(huì)圖形化模塊的拖拽方法和技巧。教學(xué)內(nèi)容適合小學(xué)5、6年級(jí)學(xué)生。

應(yīng)用級(jí)在初級(jí)基礎(chǔ)上將控制方式改為遙控器控制，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)運(yùn)行，模塊指令如表1的脫機(jī)命令。由在線(xiàn)命令轉(zhuǎn)為脫機(jī)命令模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但加入了選擇判斷，使學(xué)生的思路更加條理，同時(shí)查看對(duì)應(yīng)模塊生成的arduino程序如表1的Arduino 代碼，熟悉arduino語(yǔ)法結(jié)構(gòu)。教學(xué)內(nèi)容適合中高年級(jí)學(xué)生。

創(chuàng)新能以初級(jí)為基礎(chǔ)，加上應(yīng)用級(jí)訓(xùn)練具有的邏輯思維能力和讀代碼能力，可以創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)不同功能，當(dāng)軟件給出的模塊結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足要求時(shí)，可以在arduino的編輯器IDE手寫(xiě)代碼來(lái)完成。高級(jí)階段，每個(gè)學(xué)生的作品不一樣，教學(xué)呈現(xiàn)個(gè)性化，適合大學(xué)生和電子類(lèi)愛(ài)好者。

（2）智能紅綠燈：定義一個(gè)變量time用來(lái)計(jì)時(shí)，將紅綠燈持續(xù)的時(shí)間設(shè)置為循環(huán)次數(shù)，每次延時(shí)1秒，將變量time值減1，用LED數(shù)碼管顯示變量time值，達(dá)到計(jì)時(shí)效果。假設(shè)綠燈持續(xù)時(shí)間為30 s。

教學(xué)內(nèi)容屬于中級(jí)，增加了循環(huán)結(jié)構(gòu)和變量設(shè)置，紅綠燈持續(xù)功能用循環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，顯示時(shí)間用變量賦值來(lái)完成。對(duì)中小學(xué)生，變量概念不易于理解，可用解應(yīng)用題時(shí)的設(shè)未知數(shù)知識(shí)點(diǎn)來(lái)變通。對(duì)這部分內(nèi)容的創(chuàng)新可以橫向拓展，由紅綠燈聯(lián)想到路燈、聲控?zé)?、跑馬燈、led顯示屏等。

（3）智能車(chē)庫(kù)：設(shè)置3個(gè)變量s、x、y、s用于存儲(chǔ)超聲波傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)，x存儲(chǔ)搖桿x軸移動(dòng)的距離，y存儲(chǔ)搖桿y軸移動(dòng)的距離；s小于10時(shí)，表示有車(chē)通過(guò)，橫桿抬起，否則，橫桿落下；x大于y表示橫向移動(dòng)，橫桿落下，y大于x表示縱向移動(dòng)，橫桿抬起。其執(zhí)行arduino程序如下，等待兩秒是保證車(chē)安全通過(guò)。

相比上面教學(xué)內(nèi)容增加兩個(gè)難點(diǎn)：一是邏輯關(guān)系復(fù)雜包含順序、選擇、循環(huán)結(jié)構(gòu)的嵌套，在理清邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)上才能駕馭；二是熟悉Arduino編程語(yǔ)言語(yǔ)法結(jié)構(gòu)，并用其將邏輯關(guān)系表達(dá)出來(lái)。創(chuàng)新應(yīng)用可在深度上挖掘，設(shè)計(jì)出更智能化的作品。

4 結(jié)語(yǔ)

創(chuàng)新教育是一種培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造與創(chuàng)新能力的新型教育方式，提倡在真實(shí)情境下學(xué)習(xí)、從生活中學(xué)習(xí)。該次創(chuàng)新教育課程設(shè)計(jì)內(nèi)容選自與學(xué)生接觸緊密的智能交通系統(tǒng)，以此為主題展開(kāi)討論，激發(fā)學(xué)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生活，樹(shù)立處處留心皆學(xué)問(wèn)的學(xué)習(xí)理念。

創(chuàng)新課程采用項(xiàng)目化的教學(xué)方式，由智能交通系統(tǒng)為中心，向外發(fā)散到智能汽車(chē)、智能紅綠燈、智能車(chē)庫(kù)，每個(gè)部分又引出更多的知識(shí)點(diǎn)（如，智能紅路燈引出路燈、流水燈、led燈等），豐富創(chuàng)新課程教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)知識(shí)有用性；創(chuàng)新課程教學(xué)目標(biāo)區(qū)別于傳統(tǒng)課程的知識(shí)堆砌[5]，強(qiáng)調(diào)知識(shí)的橫向縱向聯(lián)系。創(chuàng)新課程沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案，每個(gè)學(xué)生的想法都是智慧的萌芽，都會(huì)得到老師同學(xué)的認(rèn)可，找自己的存在感，參與意識(shí)更強(qiáng)烈；更容易保持學(xué)習(xí)的激情、增強(qiáng)學(xué)習(xí)信心，在學(xué)習(xí)的過(guò)程之中更容易生成新的創(chuàng)意。

創(chuàng)新課程是課堂教學(xué)的有效補(bǔ)充，將基礎(chǔ)教育獲得的碎片化知識(shí)整合，結(jié)合實(shí)際加以應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)知識(shí)的有用性，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新、實(shí)踐能力。

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