虛擬機器人教學實踐與思考

摘要：人工智能已成為時代的熱詞，很多重復性、危險性、機械化的勞動都已經(jīng)被機器代替。本文從搭建虛擬機器人入手，通過給學生布置任務，讓學生給機器設計程序，指揮虛擬機器人按照自己的意愿行進，從而培養(yǎng)學生的動手能力、創(chuàng)新能力。

關鍵詞： 虛擬機器人；蘿卜圈；搭建；編程

今年市上又組織機器人大賽，所以我們成立了“虛擬機器人興趣小組”，并將其作為校本課程進行授課。作為學校機器人活動小組的輔導教師，我把這幾個月的機器人教學實踐、教學案例、教學體會總結出來與大家分享。

一、學校要開設機器人課程必須具備一定的環(huán)境基礎、條件及氛圍。

1、對于機器人課程的開設，學校首先具備相應的硬件設施：（1）高性能的計算機；（2）互聯(lián)網(wǎng)及本校校園網(wǎng)的建成。2、還要具備一定的基礎和氛圍：（1）學生在小學接觸過機器人，有一定的基礎知識；（2）參加活動的學生對機器人有著濃厚的興趣；（3）富有經(jīng)驗的師資力量。滿足了這些條件，機器人課程開設的才能得心應手。

【學生侯牧東小記：】

我有幸加入虛擬機器人興趣小組，坐在桌前的我心中感慨萬千。記得當初因為對機器人的好奇、對電腦軟件的喜愛和對自己能力提升的渴望，我多次去科技館觀看機器人的各種活動，在電腦上暢游機器人的虛擬世界，屢次被父母認為是不務正業(yè)，不上心學習。這次終于有機會可以名正言順地走入虛擬機器人的世界，可以無所顧及地學習虛擬機器人了，心里無比喜悅，期待課程的開始。

二、完成虛擬機器人的任務，首先從搭建入手

機器人的組裝非常重要，這影響著機器人的性能，機器人的行駛速度。控制器、驅動、安裝塊、傳感器和其它五大類，它們是搭建機器人的根本。搭建機器人看似簡單，結果卻出現(xiàn)了很多問題，尤其是在固定馬達上，位置十分重要，關系重心問題，以至于后來影響速度和偏轉角度。通過引導學生不斷嘗試、不斷摸索，引導學生聽取組員、伙伴的意見，最終讓學生在每一次體驗中都有新發(fā)現(xiàn)，就是在不斷地解決問題中，學生有了自己的成長，也激發(fā)了學生繼續(xù)學習的興趣。

【學生張軍偉小記：】

今天我們開始學習機器人搭建，看見那么多的模型，我欣喜若狂，我可以隨心所欲搭建自己喜歡的機器人了，小時候玩過的極品飛車也讓我很得意，不過那都是別人設計好的?，F(xiàn)在，我可以自己設計，自己玩了，我很高興。老師說最終我們完成的是《汽車總動員》，今天先搭建簡單的機器人，在老師講解和演示完后，我迫不及待地開始嘗試，由于小學我接觸過虛擬機器人，所以對機器人的搭建我并不陌生，我把自己能夠想象的機器人都搭建了一遍，雖然搭建中也出現(xiàn)了很多的問題，不過我發(fā)現(xiàn)問題越多，我掌握的就越牢靠，今天我不僅得到了老師的表揚，我還幫助老師解決了幾個小問題，幫助我的伙伴們解決了他們的疑難雜癥，心里美滋滋的。

三、搭建好機器人，著手程序的設計與編寫

機器人控制程序實際上是可視化的程序，沒有我們想象的那么復雜。不過在這方面，學生的探索性要更強一些，程序設計采用的是可視化編程語言，關鍵在于參數(shù)的設置，在實驗中發(fā)現(xiàn)，即便參數(shù)正確，有會有不能完成任務時，要考慮任務的性質(zhì)，要進行不斷地調(diào)試。同時能源消耗也很關鍵，隨著任務的執(zhí)行，機器人的油量會隨之消耗，影響到馬達的功率，出現(xiàn)偏差。能量的補充也是很重要的環(huán)節(jié)。

四、走進汽車總動員

汽車總動員是一個綜合考察，不僅對模型有要求，且對每個子程序也有很高的要求。最終衡量汽車總動員成功的標志是高分，得分的高低是由機器人行駛的速度，在路途中抓取得分物來確定。所以能否正常行駛且能獲高分，控制器的重量、大小就很重要了。

【老師小記：】

轉彎環(huán)節(jié)是很重要的，機器人從起點到終點會有多次轉彎，轉彎出現(xiàn)故障會影響整個局面。機器人搭建在左右兩邊分別加有一定角度的紅外線感應器，方便得分；選擇較重的控制器，可解決提速漂移；在尾部安裝一個安裝快，解決起步抬頭。在比賽中，能量補充程序是相對最復雜不穩(wěn)定的一塊。選用小的電機，它耗電少，可以不加油，但是不能解決提速，而且不好調(diào)整程序。路程如果長，中間能量耗盡，不能及時地加油，就會中途停止；還有就是可以為機器人增加一個尾巴（機械臂）加大得分的范圍減少車身范圍，可用左右紅外的差值來判斷尾巴轉向得分。這個可以吃掉除直角以外所有得分物；直角得分，可用記時定位或前方設置高距離感應器（超出圍欄的高度）來判斷是否到直角，到達目標后，減速慢行得分，然后停止，后退轉向。轉向可參照加油站的做法，也可用指南針。還有一種是按加油站分，相對復雜些，在很多項目中都有可能遇到加油的問題，故可選擇這個方法，雖然復雜，但容易控制，保持穩(wěn)定；最后就是動態(tài)走中間，將走中間程序分段，比如當距離左-距離右〉100時小轉彎，當距離左-距離右〉300大轉彎，這樣可以有效提高彎道的速度。

五、汽車總動員活動接近尾聲，給學生帶來了無窮的樂趣

這個活動的目的是讓學生認識和了解各種各樣的機器人，還有觀測學生對機器人興趣的持續(xù)性，鍛煉學生的思維和實踐能力。在這個活動中，學生們表現(xiàn)得異常熱烈。他們其中有的人設計了飛碟，有的人設計了飛機，還有的人設計了機器狗模樣的機器人，每個小組之間存在著無形的競爭，看誰率先到達目的地，誰率先得高分，他們就很得意，也讓其他組的好奇，同時也激發(fā)了他們你追我趕的勁頭。

【老師小記：】

在小組合作學習時，教師應減少對學生的干預和控制，讓學生自主設計、自我控制。針對學生的一點成功，一點進步，一個創(chuàng)意，都給予肯定，隨時讓學生有成功的自豪感。例如在學生學習《魔幻尋寶》一節(jié)時，在引導學生完成任務時，要側重于以下幾個問題解決：1、當走黑線時如何設置距離傳感器變量的值？2、如何應用兩個距離傳感器？要考慮哪幾種情況？3、你用了幾個距離傳感器，你的程序是怎樣編寫的？4、電機的速度受哪些因素的影響？怎樣來調(diào)節(jié)？5、機器人實踐中要綜合考慮哪些因素？圍繞這些問題考察學生對知識的掌握和實踐的體會。

參考文獻

[1]浙江省精品課程《創(chuàng)意與制作之虛擬機器人》

作者簡介：呂秀琴（1977—），女，漢族，寧夏，中教一級，大學本科，寧夏石嘴山市實驗中學，研究方向：人工智能的體驗與應用。