機(jī)器人仿真軟件在機(jī)器人教學(xué)中的應(yīng)用探索
近幾年來(lái)，全國(guó)許多學(xué)校相繼開展了智能機(jī)器人的教學(xué)和競(jìng)賽活動(dòng)。隨著活動(dòng)的深入開展，也出現(xiàn)了許多問(wèn)題，例如投入資金不足，參與活動(dòng)學(xué)生人數(shù)不多等。如何讓機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)具有強(qiáng)的生命力，具有廣泛的學(xué)生基礎(chǔ)，這些都是值得我們思考和探索的問(wèn)題。我想機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)開展一定時(shí)間之后，有一定物質(zhì)基礎(chǔ)之后，應(yīng)該把機(jī)器人教學(xué)引進(jìn)課堂，讓更多學(xué)生接觸程序設(shè)計(jì)思想、智能機(jī)器人技術(shù)。機(jī)器人進(jìn)課堂如果還以活動(dòng)組模式來(lái)開展的話，需要學(xué)校很大的資金投入，這是不太可能的。在機(jī)器人數(shù)量不足情況下，可以采用仿真軟件進(jìn)行課堂機(jī)器人教學(xué)。
或許會(huì)有些看法認(rèn)為利用仿真軟件進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)是紙上談兵，沒(méi)有實(shí)踐意義。實(shí)際上，仿真軟件機(jī)器人教學(xué)，使程序設(shè)計(jì)教學(xué)能更突出“算法”（解決問(wèn)題的方法）的學(xué)習(xí)，使“算法”變得直觀而形象，大大提高了學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的投入度，有利于學(xué)生思維能力、整體規(guī)劃的能力、解決問(wèn)題的能力、連續(xù)運(yùn)用推理的能力、合作溝通能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力的提高。
利用仿真軟件進(jìn)行智能機(jī)器人課堂教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)：
利用仿真軟件進(jìn)行智能機(jī)器人課堂教學(xué)，更有利于學(xué)生理解體會(huì)程序是機(jī)器人的靈魂，可以使學(xué)生了解機(jī)器人是怎樣在程序指揮下進(jìn)行工作的，提高學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的興趣；在學(xué)習(xí)為機(jī)器人編寫程序的過(guò)程中，學(xué)到科學(xué)而高效的思維方式，提高邏輯思維能力、規(guī)劃能力，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的實(shí)際能力，并使計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言教學(xué)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上有重大突破。
1、仿真軟件教學(xué)符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從局部到整體。
現(xiàn)代教育心理學(xué)研究指出，學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，不僅是一個(gè)接受知識(shí)的過(guò)程，而且也是一個(gè)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程一方面是暴露學(xué)生產(chǎn)生各種疑問(wèn)、困難、障礙和矛盾的過(guò)程，另一方面是展示學(xué)生發(fā)展聰明才智、形成獨(dú)特個(gè)性與創(chuàng)新成果的過(guò)程。智能機(jī)器人的教學(xué)與以往的信息技術(shù)課教學(xué)有很大的不同，涉及軟件、硬件的知識(shí)較多，體驗(yàn)的學(xué)習(xí)過(guò)程比較復(fù)雜，不同學(xué)段的學(xué)生對(duì)智能機(jī)器人的認(rèn)識(shí)程度也不同，他們的思考方式、學(xué)習(xí)需求、學(xué)習(xí)優(yōu)勢(shì)、學(xué)習(xí)風(fēng)格也不一樣。學(xué)生的學(xué)習(xí)客觀上存在著個(gè)體差異，不同的學(xué)生在學(xué)習(xí)同一內(nèi)容時(shí)，實(shí)際具備的認(rèn)知基礎(chǔ)和情感準(zhǔn)備以及學(xué)習(xí)能力傾向不同，決定了學(xué)生對(duì)同樣的內(nèi)容和任務(wù)的學(xué)習(xí)速度和掌握程度及所需要的幫助不同。
實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，因?yàn)橹悄軝C(jī)器人教學(xué)涉及軟件、硬件的知識(shí)較多，所以初步接觸的學(xué)生對(duì)于故障很難判斷出是程序有問(wèn)題還是機(jī)器人機(jī)械方面有問(wèn)題。在學(xué)生對(duì)智能機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)方面理解不夠深刻的情況下，仿真軟件就體現(xiàn)出它的優(yōu)越性。學(xué)生濃厚的興趣是學(xué)習(xí)機(jī)器人的源動(dòng)力，為了讓學(xué)生保持濃厚的興趣，對(duì)于初學(xué)者，教師可以先拋開機(jī)器人硬件方面的知識(shí)，降低難度，減少學(xué)生負(fù)擔(dān)，只要求學(xué)生在仿真軟件中完成一些比較簡(jiǎn)單的活動(dòng)，在沒(méi)有環(huán)境誤差下，引導(dǎo)學(xué)生先學(xué)好程序設(shè)計(jì)。這樣一步一個(gè)腳印，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從局部到整體，不知不覺中學(xué)生學(xué)到東西了，自然他就能保持興趣來(lái)學(xué)。
2、仿真軟件沒(méi)有環(huán)境誤差的影響，學(xué)生更能深刻理解程序設(shè)計(jì)。
目前在學(xué)校教育中使用的智能機(jī)器人雖說(shuō)比較簡(jiǎn)單，但已經(jīng)集合了計(jì)算機(jī)、聲、光、電等多種技術(shù)，可以讓學(xué)生全面接觸傳感器、計(jì)算機(jī)軟硬件、人工智能、自動(dòng)控制等高新科技知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的綜合思考與動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)合作精神、創(chuàng)造能力和進(jìn)取精神。歸結(jié)到具體的教學(xué)內(nèi)容上，一樣的模塊配置，一樣的場(chǎng)地條件，卻能使不同的學(xué)生“做”出來(lái)的機(jī)器人判若兩“人”，這其間的關(guān)鍵就是左右著機(jī)器人動(dòng)作的程序。從這個(gè)角度來(lái)看，所謂機(jī)器人競(jìng)賽，實(shí)質(zhì)上就是學(xué)生編程的競(jìng)賽。在實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中，占用時(shí)間**多的也是機(jī)器人程序的編制和調(diào)試。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模塊、傳感器、接口等硬件只是“骨骼”，程序才是它的“靈魂”，是它的“大腦”和“神經(jīng)中樞”，正是在這個(gè)“靈魂”的指揮下，機(jī)器人才會(huì)有多姿多彩的動(dòng)作表現(xiàn)。
對(duì)于初學(xué)程序設(shè)計(jì)的中小學(xué)生來(lái)說(shuō)興趣是學(xué)習(xí)的動(dòng)力，仿真軟件沒(méi)有環(huán)境誤差的影響，更有利于學(xué)生理解程序的結(jié)構(gòu)。在上智能機(jī)器人走迷宮項(xiàng)目課程時(shí)，我在仿真軟件中先設(shè)計(jì)好一個(gè)迷宮場(chǎng)地如圖1，并且在仿真軟件中先配置好機(jī)器人。分析機(jī)器人走迷宮的一般方法：靠一邊墻壁走，是如何實(shí)現(xiàn)的。然后讓學(xué)生在仿真場(chǎng)地中調(diào)試程序，同一個(gè)場(chǎng)地，同樣的機(jī)器人配置，有些學(xué)生在斷壁處就往回走（如圖2）。仿真軟件中，機(jī)器人走的時(shí)候，可以讓它留下痕跡，有了這一痕跡學(xué)生就能夠容易的看出是程序中前進(jìn)命令的速度太快，左轉(zhuǎn)彎角度太小導(dǎo)致的，修改了這兩個(gè)量就成功了。
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