如何在機器人教學中應用機器人仿真軟件
點擊率:712  作者:robotlab 發表時間:2013-12-11 21:02:48

 近幾年來,全國許多學校相繼開展了智能機器人的教學和競賽活動。隨著活動的深入開展,也出現了許多問題,例如投入資金不足,參與活動學生人數不多等。如何讓機器人教學活動具有強的生命力,具有廣泛的學生基礎,這些都是值得我們思考和探索的問題。我想機器人教學活動開展一定時間之后,有一定物質基礎之后,應該把機器人教學引進課堂,讓更多學生接觸程序設計思想、智能機器人技術。機器人進課堂如果還以活動組模式來開展的話,需要學校很大的資金投入,這是不太可能的。在機器人數量不足情況下,可以采用仿真軟件進行課堂機器人教學。
       或許會有些看法認為利用仿真軟件進行機器人教學是紙上談兵,沒有實踐意義。實際上,仿真軟件機器人教學,使程序設計教學能更突出“算法”(解決問題的方法)的學習,使“算法”變得直觀而形象,大大提高了學生對學習的投入度,有利于學生思維能力、整體規劃的能力、解決問題的能力、連續運用推理的能力、合作溝通能力、動手能力、創新能力的提高。
       利用仿真軟件進行智能機器人課堂教學的優點:
       利用仿真軟件進行智能機器人課堂教學,更有利于學生理解體會程序是機器人的靈魂,可以使學生了解機器人是怎樣在程序指揮下進行工作的,提高學習計算機程序設計語言的興趣;在學習為機器人編寫程序的過程中,學到科學而高效的思維方式,提高邏輯思維能力、規劃能力,提高學生分析問題和解決問題的實際能力,并使計算機程序設計語言教學在現有的基礎上有重大突破。
       1、仿真軟件教學符合學生認知規律,從簡單到復雜、從局部到整體。
       現代教育心理學研究指出,學生的學習過程,不僅是一個接受知識的過程,而且也是一個發現問題、分析問題、解決問題的過程。這個過程一方面是暴露學生產生各種疑問、困難、障礙和矛盾的過程,另一方面是展示學生發展聰明才智、形成獨特個性與創新成果的過程。智能機器人的教學與以往的信息技術課教學有很大的不同,涉及軟件、硬件的知識較多,體驗的學習過程比較復雜,不同學段的學生對智能機器人的認識程度也不同,他們的思考方式、學習需求、學習優勢、學習風格也不一樣。學生的學習客觀上存在著個體差異,不同的學生在學習同一內容時,實際具備的認知基礎和情感準備以及學習能力傾向不同,決定了學生對同樣的內容和任務的學習速度和掌握程度及所需要的幫助不同。
        實踐過程中發現,因為智能機器人教學涉及軟件、硬件的知識較多,所以初步接觸的學生對于故障很難判斷出是程序有問題還是機器人機械方面有問題。在學生對智能機器人機械結構方面理解不夠深刻的情況下,仿真軟件就體現出它的優越性。學生濃厚的興趣是學習機器人的源動力,為了讓學生保持濃厚的興趣,對于初學者,教師可以先拋開機器人硬件方面的知識,降低難度,減少學生負擔,只要求學生在仿真軟件中完成一些比較簡單的活動,在沒有環境誤差下,引導學生先學好程序設計。這樣一步一個腳印,從簡單到復雜,從局部到整體,不知不覺中學生學到東西了,自然他就能保持興趣來學。
        2、仿真軟件沒有環境誤差的影響,學生更能深刻理解程序設計。
       目前在學校教育中使用的智能機器人雖說比較簡單,但已經集合了計算機、聲、光、電等多種技術,可以讓學生全面接觸傳感器、計算機軟硬件、人工智能、自動控制等高新科技知識,激發學生的興趣,培養學生的綜合思考與動手能力、團隊合作精神、創造能力和進取精神。歸結到具體的教學內容上,一樣的模塊配置,一樣的場地條件,卻能使不同的學生“做”出來的機器人判若兩“人”,這其間的關鍵就是左右著機器人動作的程序。從這個角度來看,所謂機器人競賽,實質上就是學生編程的競賽。在實際教學活動中,占用時間最多的也是機器人程序的編制和調試。機器人的結構模塊、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“神經中樞”,正是在這個“靈魂”的指揮下,機器人才會有多姿多彩的動作表現。
        對于初學程序設計的中小學生來說興趣是學習的動力,仿真軟件沒有環境誤差的影響,更有利于學生理解程序的結構。在上智能機器人走迷宮項目課程時,我在仿真軟件中先設計好一個迷宮場地如圖1,并且在仿真軟件中先配置好機器人。分析機器人走迷宮的一般方法:靠一邊墻壁走,是如何實現的。然后讓學生在仿真場地中調試程序,同一個場地,同樣的機器人配置,有些學生在斷壁處就往回走(如圖2)。仿真軟件中,機器人走的時候,可以讓它留下痕跡,有了這一痕跡學生就能夠容易的看出是程序中前進命令的速度太快,左轉彎角度太小導致的,修改了這兩個量就成功了。
同樣是靠左墻壁走的策略,看了運行痕跡之后有學生對程序進行了改進,程序如下:
to  mg
if :pin5=0 then rt 90 wait 80
if :pin6=0 then rt 7 wait 4 fd 4 wait 5 else lt 6 wait 5 fd 6 wait 5
mg
end
        他認為走折線要比走曲線快,就進行修改。實際上是一樣的,但這也是一種進步。
        同樣是這種策略,在程序設計上,有的同學有不同的想法。他認為:在仿真環境中,機器人能夠保持直線前進,能夠轉一個非常準確的角度。他提出自己的算法,
①當前避障發現沒有墻壁時,向前走;
②當前避障發現有墻壁時,向右轉90度;
③當左避障發現沒有墻壁時,向左轉。
    程序如下:
   to mg
   if :pin5=0 then rt 90
   if :pin5=1 then fd 3
   if :pin6=1 then lt 5
   mg
   end
       雖然他這一種方法在實際場地中很難實現,但這也是他的發現。
       在學生能夠理解程序情況下,再教學生如何在仿真軟件中配置自己的機器人,配置完之后要求學生還是用已經調試成功的程序,來指揮這機器人走迷宮。很多同學就不成功了,學生不難體會出智能機器人走迷宮還要受到硬件方面的影響。智能機器人仿真軟件教學,能夠從易到難、循序漸進,引導學生掌握程序結構。學生也能夠體會出智能機器人要能完成動作,受到硬件和程序兩方面的影響。
        3、優化教與學的效果。
        優化教與學效果是指以較少的教育投入(包括人力、物力、財力、時間等)取得較大的教育效果(主要指學生的知識獲得、技能形成、情感培養等)。因為我們施教的對象是全體學生,總有個別同學會粗手粗腳,如果電機或電子器件的接線焊接不牢,容易松落,那必將影響教學的順利進行,如有些機器人的驅動機械機構是塑料做的齒輪很容易壞,有些機器人電機或傳感器的接線不能很好的固定,學生在上課的時候不小心稍拉一下就脫焊。如果學生編寫好的程序下載到一臺機械結構有問題的機器人上調整,肯定不能夠準確地理解程序的功能。仿真軟件避免了出現這類問題,可以先讓學生在仿真環境中,把程序調試好,準確理解程序的功能。這樣子可以避免學生和老師少走彎路,提高教學效果。實踐過程,確實存在有些學生因為不理解他所寫程序的功能,而亂弄機器人機械機構的情況。 
       智能機器人仿真軟件教學能夠方便、快速的配置機器人,以及調整傳感器的位置,能更有效的訓練學生邏輯思維能力、規劃能力,提高學生分析問題和解決問題的能力。解決問題的不同策略,能夠很快的在仿真軟件中實現。比如在上智能機器人走規定圖形課程時,可以有很多中策略。簡單列舉下面三種:
1)、兩個光敏傳感器的位置是在黑線的外側,如圖

2)、兩個光敏傳感器的位置在黑線內側,如圖

3)、只用一個光敏傳感器,如圖

       我先分析第一種策略實現的算法,寫出參考程序,然后讓學生在仿真環境中調試。當學生都能夠理解這種走法之后,我再指出完成同樣的任務有不同的方法,并且給出了上面的兩種不同策略,要求學生配置合適的機器人,并且自己寫出程序。
       雖然我的這種教學方法使用真實的機器人和實際場地也能夠作到,但在仿真軟件中訓練學生更容易、快捷理解這種思路。俗話說磨刀不誤砍柴工,當學生深刻理解之后,讓他們用真實的機器人來試也不遲。利用仿真軟件進行機器人教學是能夠取得好的效果的。
2005年12月
參考文獻
① 《“智能機器人”引入課堂教學的思考》 張宗春  2004.12
②《小學信息技術課堂開展智能機器人教學的實踐與研究》 施建林
http://www.hzjys.net/xkweb/itedu/ShowArticle.asp?ArticleID=122
③《程序設計教學的新載體──智能機器人》  沙有威    2002年3月17日
④盧燕林  《海龜機器人》   北京:中國物價出版社  2004年7月第三版  

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