子程序在虛擬機(jī)器人競賽中的應(yīng)用探究

吳偉超

摘要：隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬機(jī)器人已走進(jìn)了中小學(xué)課堂，給信息技術(shù)教學(xué)注入了新的活力。本文以智能快車虛擬機(jī)器人為例，簡述了如何應(yīng)用子程序高效地完成任務(wù)。

關(guān)鍵詞：子程序 虛擬機(jī)器人 智能快車

在2009年中小學(xué)電腦競賽中，廣州市增加了“3D仿真虛擬機(jī)器人”比賽項(xiàng)目。2010年，廣東省教育廳將虛擬機(jī)器人項(xiàng)目作為中小學(xué)電腦機(jī)器人競賽活動項(xiàng)目。近幾年，筆者輔導(dǎo)學(xué)生參加競賽，取得了不錯的成績。接下來，筆者以智能快遞虛擬機(jī)器人為例，結(jié)合小學(xué)生的特點(diǎn)，簡述了如何應(yīng)用子程序高效地完成任務(wù)。

一、子程序的含義

在程序設(shè)計(jì)和編寫過程中，不同位置需使用一段完全相同的程序，而為了節(jié)約內(nèi)存，避免多次出現(xiàn)同一段程序，人們將這段程序?qū)懗瑟?dú)立的程序片段，隨意調(diào)用這段程序，執(zhí)行完這段相同程序再返回原主程序繼續(xù)運(yùn)行，這樣獨(dú)立的程序段就稱為子程序，而調(diào)用子程序的程序則稱為主程序。由此可見，子程序的引入大大簡化了程序結(jié)構(gòu)，增加了程序的可讀性，避免了重復(fù)性工作，縮短了整個程序。

在虛擬機(jī)器人程序設(shè)計(jì)中，由于經(jīng)常用到一些重復(fù)的功能，這些功能相同的程序編成相同的代碼，所以子程序思想可以運(yùn)用到虛擬機(jī)器人程序設(shè)計(jì)中。在調(diào)用子程序時，我們要注意一個問題，即參數(shù)傳送問題。在調(diào)用子程序時，主程序應(yīng)先把有關(guān)參數(shù)放到某些約定的位置，當(dāng)子程序運(yùn)行時，我們可以從約定位置得到這些參數(shù)。另外，在虛擬機(jī)器人程序設(shè)計(jì)調(diào)用子程序時，我們要注意按規(guī)定的格式，在主程序中不能漏掉參數(shù)，否則程序就會出錯，不能執(zhí)行。

二、智能快車虛擬機(jī)器人競賽任務(wù)分析

在智能快車綜合任務(wù)分析中，對如何定義子程序，筆者與學(xué)生進(jìn)行了模塊的可視化編程，結(jié)合易時代3D仿真虛擬機(jī)器人軟件的任務(wù)地圖，把任務(wù)分解成可讓機(jī)器人完成直行、轉(zhuǎn)彎、避障、巡線、通過十字路口及收取快遞等子任務(wù)。下面，筆者以直行與轉(zhuǎn)彎為例，分別展示不同類型的子程序的結(jié)構(gòu)和調(diào)用方法：第一，直行結(jié)構(gòu)（讓機(jī)器人直行1秒），如圖1所示；第二，轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)（讓機(jī)器人以一定的速度、角度進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，在轉(zhuǎn)彎過程中用應(yīng)用指南針檢測地圖的角度，到達(dá)指定角度時直行出彎），如圖2所示。

從這兩個子程序的功能上不難看出，直行子程序運(yùn)行的結(jié)果是單一的，轉(zhuǎn)彎子程序運(yùn)行的結(jié)果會根據(jù)指定的不同角度達(dá)到不同的目的。通過參數(shù)的應(yīng)用，讓原來同一段的程序更加靈活多變，進(jìn)而簡化、優(yōu)化程序，所以我們要根據(jù)子程序的功能構(gòu)建子程序。如果功能是單一的，子程序就不需要參數(shù)，否則我們要根據(jù)情況增加對應(yīng)的參數(shù)。

三、應(yīng)用子程序注意的問題

使用易時代3D仿真虛擬機(jī)器人軟件定義子程序的過程中，我們要注意以下問題：首先，要確定子程序的命名，其命名不能使用與軟件內(nèi)部命令重復(fù)的單詞。如要實(shí)現(xiàn)停車3秒的功能，子程序不能用“Stop”進(jìn)行命名，否則會與內(nèi)部命令發(fā)生沖突，導(dǎo)致編譯失敗。其次，只能在新建時定義子程序的參數(shù)，所以在定義子程序前，我們要考慮好參數(shù)的問題。最后，我們必須清楚子程序的從屬關(guān)系。在多年的輔導(dǎo)中，筆者了解到學(xué)生在編寫子程序的過程中，一般會出現(xiàn)如圖3、圖4、圖5的情況：

圖3是建立主程序“109”后定義一個子程序“GO”直行，學(xué)生一般不會出現(xiàn)什么問題。圖4是建立主程序“109”后定義一個子程序“GO”直行，馬上再定義另一個子程序“L”左轉(zhuǎn)，學(xué)生很容易出現(xiàn)子程序的從屬關(guān)系混亂。本來，“GO”和“L”都應(yīng)該是“109”的子程序，因?yàn)檐浖镄陆ǖ淖映绦颉癓”是當(dāng)前窗口程序的子程序，如果剛才是編寫“GO”這個子程序，現(xiàn)在新建的子程序“L”就變成了“GO”的子程序。由于從屬關(guān)系的錯誤，子程序“L”就不會在主程序“109”里出現(xiàn)。圖5里的從屬關(guān)系就更加復(fù)雜了。為此，在定義子程序的過程中，教師應(yīng)要求學(xué)生定義完一個子程序，必須保存、關(guān)閉，然后再定義另一個子程序，以保證子程序跟主程序的正確從屬關(guān)系。不僅如此，每定義一個子程序，學(xué)生都應(yīng)在主程序中引用并進(jìn)行編譯，如果有誤，只要檢驗(yàn)最新定義的子程序即可，從而快速有效地校正程序。

四、應(yīng)用子程序?qū)嵗治?/p>

下面，筆者以2017年廣州市賽小學(xué)智能快遞地圖為例（如圖6所示），說說如何應(yīng)用子程序快速、高效完成任務(wù)。

第一，任務(wù)分析。圖中有快遞8件，根據(jù)布局可設(shè)計(jì)以下三種方案：方案一，成功收取快遞①～⑥，并送達(dá)終點(diǎn)，可以得12000分+時間分；方案二，在方案①的基礎(chǔ)上增加收取余下的⑦⑧兩個快遞，全部收取并送終點(diǎn)可以得到16000分+時間分；方案三，備用方案，當(dāng)實(shí)行方案二因時間不夠未能完成任務(wù)時，在方案一的基礎(chǔ)上增加收?、咭粋€快遞，若成功，則得14000分+時間分。根據(jù)三個方案做出流程草圖，在編寫流程圖時，教師需要標(biāo)注子程序參數(shù)的參考數(shù)值（如表1所示）。另外，地圖中沒有障礙物，可以不用定義避障的子程序。

第二，根據(jù)分析，首先快速建立機(jī)器人模型，傳感器配備光電傳感器、遠(yuǎn)紅外傳感器、指南針，然后在桌面建立主程序，定義直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、巡線、抓取快遞等5個子程序。其中，直行和巡線不需要預(yù)設(shè)參數(shù)，左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和抓取快遞都設(shè)置了一個參數(shù)。在定義子程序時，我們要注意根據(jù)任務(wù)，把相同作用的程序（動作）劃分為一個個子程序，尤其在劃分的時候要考慮可執(zhí)行性強(qiáng)、兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)，這樣子程序應(yīng)用起來才快捷方便。

第三，根據(jù)方案一的流程圖進(jìn)行主程序的編程。由于應(yīng)用子程序進(jìn)行編程的流程是線性的，所以第一步要巡線行走，引用巡線的子程序；第二步需要左轉(zhuǎn)彎，引用左轉(zhuǎn)彎的子程序……（如表1所示）

在編寫程序的過程中，教師應(yīng)要求學(xué)生每完成一個子程序的引用時，都要畫“√”進(jìn)行記錄，以免錯漏。通過對照流程圖，一步一步應(yīng)用已有的子程序進(jìn)行編程，便于學(xué)生理解和運(yùn)用。

第四，方案的檢驗(yàn)與優(yōu)化。已經(jīng)編寫好的程序經(jīng)過編譯就可以在仿真處進(jìn)行驗(yàn)證，由于易時代3D仿真虛擬機(jī)器人軟件引入了物理引擎和隨機(jī)參數(shù)，所以仿真的結(jié)果會有微小的變化。又因?yàn)槲锢硪娴膽T性作用，在優(yōu)化程序的時候必須按順序修改，不可以更改后面參數(shù)再修改前面的參數(shù)。這樣一來，在慣性的作用下，后面的參數(shù)可能就無效了。在仿真檢驗(yàn)中，方案一順利通過后，教師可要求學(xué)生做好備份，然后用方案一的拷貝文件修改成方案二，如果成功，就以方案二做備份后進(jìn)行最后優(yōu)化并上交；如果方案二因時間不足，學(xué)生可以利用方案一進(jìn)行備份，嘗試修改成方案三，修改成功，則以方案三備份優(yōu)化并上交；如果方案二和方案三都無法完成，那至少保證有方案一可以上交得分。

五、結(jié)語

在程序的編寫過程中，子程序的引入大大簡化了程序結(jié)構(gòu)，增加了程序的可讀性，避免了重復(fù)性工作，縮短了整個程序，并增強(qiáng)了程序的可移植性。一些常用的運(yùn)算程序?qū)懗勺映绦蛐问?，可以隨時引用、參考。因?yàn)樽映绦虻膽?yīng)用，學(xué)生可以從程序的順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)、重復(fù)結(jié)構(gòu)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的思維方式回歸到只有順序結(jié)構(gòu)的線性思維方式，方便學(xué)生學(xué)習(xí)和理解，從而有效提高任務(wù)的完成度。但是，子程序的應(yīng)用也有不足的地方，如定義了的子程序功能單一，雖然參數(shù)的預(yù)設(shè)可以優(yōu)化這方面的短板，但如果參數(shù)過多，在引用時也容易出現(xiàn)錯漏。

參考文獻(xiàn)：

[1]張嘉志，王同聚.讓機(jī)器人走近學(xué)生——3D仿真虛擬機(jī)器人：普及機(jī)器人教育的新途徑[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2010，（6）.

[2]龍麗嫦.虛擬機(jī)器人：讓信息技術(shù)教育更豐盈[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2012，（18）.

（作者單位：廣州市南沙區(qū)金隆小學(xué)）