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虚实结合策略在机器人教学中的应用

更新时间:2011-12-4:  来源:毕业论文

摘要:在学校开展机器人活动就是为了培养学生良好的信息素养、创新精神和实践能力,本文从学校开展机器人活动的实践出发,提出了针对教学的各个阶段,将虚拟机器人和实体机器人两种教学平台相结合,通过发挥各自的优势来解决教学中的重难点问题的教学策略,并通过实例叙述了如何在教学中使用此策略以提高教学效率。
关键词:中学 机器人 教学

智能机器人技术代表了信息技术的发展前沿,综合了多学科的发展成果,集计算机技术、通信技术、传感技术、机械技术等于一体,涉及到信息技术的大部分内容,是开展教学的良好载体和教学内容。智能机器人作为一种全新的和开放的信息技术综合教育平台,可以让学生更全面、深入地接触信息技术、充分发挥想象力去设计、实现自己的创意, 提升信息素养。 所以,近年来,很多中小学校越来越看重机器人教育,纷纷将其引入课堂教学。
一、我校开展机器人教学活动概况
 基于以上原因,我校在2007年正式开展机器人教学活动,最初是以社团活动的形式开展的,然后作为校本课程在初一年级全面展开。机器人教学的总体目标主要是了解机器人的概念、硬件结构、功能及应用状况等知识, 培养学生对人工智能技术的兴趣;能进行机器人程序设计与编写,能拼装多种具有实用功能的机器人。通过教学,比赛从而达到培养学生的逻辑思维能力、分析问题和解决问题的能力、综合实践能力、创新能力、团队合作能力和求真务实的精神等目的。

二、“虚实结合”的机器人教学策略
为了能有效的提高机器人教学的质量和效率,笔者做了一些探索,在教学过程中采取了“虚实结合”的策略方法。“虚实”其实指的是两种完全不同形式的机器人,所谓“虚”指的是看得见摸不着的“虚拟机器人”,是一种可以在算机仿真环境中运行的2D或3 D仿真机器人,也可称其为软件机器人,而“实”指的是在现实生活中看的见摸得着的实体机器人。“虚实结合”的具体含义就是在教学中,根据充分利用两类机器人各自的特点,取长补短,开展教学活动。
整个教学过程总体上分为2个阶段,第一个阶段主要以实体机器人作为教学平台,第二阶段则以虚拟机器人为主,有时也会根据教学需要将两种形式的机器人教学相互穿插,互为补充,我校在教学中所使用的实体和虚拟机器人为杭州纳英特公司生产的教学型机器人和3D仿真虚拟机器人,下面就以这2种机器人为例谈谈如何在教学中实施此策略。

三、“虚实结合”教学策略的实施及考虑因素
1.通过实体机器人让学生获得感性认识,顺利开展教学
可能对于大多数学生来说,对于机器人的认识都来自电影电视,在他们的思维中那些有胳膊有腿的人形机器人才是真正的机器人,学生们都很有兴趣接触机器人,不过对于什么是机器人并没有本质上的认识,对机器人还是较陌生的。因此在教学的最初阶段,最理想的状况就是有活生生的机器人“站”在学生的面前,让机器人和学生能面对面的“交流”。这个时候,就该实体机器人登台表演了。
首先向学生展示搭建好的各种形态的教学机器人实物,让学生仔细观察机器人的结构和组成,尤其是机器人身上安装的各种大大小小的传感器 ,并把机器人的各个部分和人的各个部分做一个类比,这样学生记忆中的机器人就变得非常鲜活了。然后让学生观看各种教学机器人的表演:如走轨迹、机器人灭火、机器人踢足球等活动,并让学生自己动手去操纵,最后观看现实生活中各种行业机器人活动的视频。通过实体机器人这一系列的表演活动,使学生对什么是机器人有一个非常直观和感性的认识,消除了对机器人的神秘感,学生知道了只要符合机器人定义的,不管什么形状,都叫机器人,同时也能较为全面的了解机器人在社会各领域中的应用,感受到机器人离自己其实并不远,就在生活中,甚至就在我们的课堂里,从而顺利的进入下一阶段的学习。
2. 以实体机器人为主培养学生的动手实践能力和创新精神
在初中开展机器人教学的一个重要目标就是培养学生的动手能力,想象能力,解决现实生活问题的能力。
虽然在虚拟机器人平台中(如纳英特公司的3D机器人平台)也可以根据具体的任务来完成机器人搭建、场地搭建、程序设计、调试等一列活动,从而达到培养学生动手能力,观察能力,程序设计能力,解决问题的能力等目标,但就培养动手实践能力和创新精神、全局观等方面来来讲,实体机器人平台比虚拟机器人平台更能够胜任,原因有如下几点:
(1)实体机器人能更有效的完成现实生活中的任务。在现有的虚拟机器人平台中,机器人结构件和传感器的种类很少、结构件和传感器组装模式单一,机器人只能在2维平面内运动,能模拟的环境也非常简单,由于这些原因,所以对于现实生活中稍微复杂一点的任务,虚拟机器人平台是无法来模拟环境并完成任务的,更不用说去实践那些创新项目了,而实体机器人却没有上述问题的困扰。毕业论文http://www.lwfree.cn/
(2)实体机器人更能培养动手能力。在虚拟平台中,搭建机器人很容易,像玩游戏,只要用鼠标点击被安装部件和机器人主体上相对应的螺丝孔,这个部件就会自动的被放置到机器人的身上,这种搭建方式对使用者来说虽然很方便,节省很多时间,但对于培养学生的动手能力,却是起不到什么作用的。因为在搭建实体机器人的时候,即使是拧一枚螺丝这么小的事,你可能都要考虑一下,是用长一点的螺丝好呢,还是选择短一点的,更何况在搭建一些复杂结构的机器人的时候,要组装大大小小的结构件,形状功能各异的传感器,连接各种粗细长短的导线时,要考虑的因素就更多了,不仅需要知识,还需要经验,技巧,这个对学生来说,是一种真正的锻炼和考验,这些都是虚拟机器人平台所不能给予的。
(3)实体机器人更有利于培养学生的系统观。虚拟平台中的仿真环境是一个理想的环境。在这个环境中开展活动的时候,很多因素都不用考虑,比如不同地面的摩擦系数、不同颜色墙壁对光的放射、环境光源等,而在真实环境中,学生用实体机器人开展活动的时候,这些因素都是必须考虑的,只有系统的考虑各种因素,权衡利弊,才能很好的完成任务。所以同样的一个任务,在仿真平台中很容易完成,而用实体机器人却要花费多更多的调试时间去完成。比如走轨迹活动,虚拟机器人即使前进速度设置为100(全功率),在仿真环境中也能顺利沿着轨迹走,不需考虑过多的因素,而实体机器人以此速度前进则会因为速度过快来不及转弯而偏离轨迹,要顺利完成走轨迹任务,学生必须把场地的摩擦、机器人的前进速度、和机器人的转弯速度等条件结合起来考虑,经过多次调试才可能达到一个比较好的效果。因此,如果只是为了开展活动的便利而让学生一直在一个理想化的环境中开展活动,则不利于学生全面系统的思考问题和解决复杂问题的能力的培养,所以只要条件允许,在教学活动中,笔者都让学生借助实体机器人去设计并完成任务。
3.借助虚拟机器人教学平台提高教学效率
俗话说:尺有所短,寸有所长,虚拟机器人虽有很多不足,但也有其独特的优势,在教学活动中,如果能充分发挥虚拟机器人的特长,就能提高教学效率和教学质量,下面,笔者将从4个方面来阐述如何利用虚拟机器人平台的优势来进行教学的。
(1)消除外界因素的干扰,让学生专注于程序设计的学习
在机器人教学诸多的教学内容中,程序设计一直是一项重点的学习内容,因为程序就是机器人的灵魂。在这个学习阶段,主要以虚拟机器人平台为主,理由是实体机器人的一些特点会对学习程序设计本身产生很多干扰,比如:由于工艺的原因,实体机器人左右2个电机的转速都有差异,因此,即使在程序中设定左右电机的转速是一样的,但机器人却不能笔直行走,在前进过程中会向某一边偏移,导致任务失败,又比如,学生先后两次让机器人去执行同样一个程序,机器人第一次非常顺利完成任务,而第二次由于受电池电压不稳,或者环境光线等因素的影响,却失败了。在学习程序设计时,学生原本因把注意力放到建模、确定算法、编写流程图等上面来的,而现在,当实体机器人执行任务失败时,学生不仅检查自己的程序是否有问题,还要考虑这些外来的干扰因素,这样不仅会浪费更多的时间,还会导致注意力转移,学习重心偏移和学习效率降低。而虚拟平台中,一切状态都是理想的,不存在这些干扰因素,所以学生只要考虑程序本身就可以了,大大提高了学习效率。2192

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