仿真虛擬機(jī)器人軟件在小學(xué)程序設(shè)計(jì)教學(xué)中的作用

王上飛

程序設(shè)計(jì)是中小學(xué)信息技術(shù)教育的重要內(nèi)容之一。基礎(chǔ)教育階段的程序設(shè)計(jì)教學(xué)主要是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生用程序設(shè)計(jì)的思想去分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。近年來(lái)，仿真虛擬機(jī)器人軟件不斷發(fā)展，其在原來(lái)實(shí)體機(jī)器人編程平臺(tái)的基礎(chǔ)上，加入了用計(jì)算機(jī)模擬的機(jī)器人、場(chǎng)景及機(jī)器人行為活動(dòng)的功能模塊，使人們?cè)诜抡嫣摂M平臺(tái)上可直觀地看到機(jī)器人程序的執(zhí)行效果。

易時(shí)代3D仿真虛擬機(jī)器人軟件是由廣州市教育信息中心規(guī)劃設(shè)計(jì)，廣州市財(cái)政投資，委托廣東南方數(shù)碼科技有限公司開(kāi)發(fā)的集機(jī)器人教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和競(jìng)賽管理于一體的虛擬機(jī)器人教育平臺(tái)，供廣州市所有中小學(xué)校免費(fèi)使用。該軟件具有較強(qiáng)的趣味性、互動(dòng)性、競(jìng)技性和娛樂(lè)性。筆者以廣州市易時(shí)代3D仿真虛擬機(jī)器人軟件為例，談?wù)劮抡嫣摂M機(jī)器人軟件在小學(xué)信息技術(shù)程序設(shè)計(jì)教學(xué)中的作用。

一、仿真虛擬機(jī)器人軟件能提高小學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的興趣

興趣是影響教學(xué)活動(dòng)的主要因素。人們一旦對(duì)某一事物產(chǎn)生濃厚的興趣，就會(huì)主動(dòng)地去求知，去探索，去實(shí)踐。一般程序設(shè)計(jì)內(nèi)容比較抽象，由于小學(xué)生的思維特點(diǎn)是以直觀形象思維為主，并逐步向抽象邏輯思維過(guò)渡。所以，小學(xué)生往往在學(xué)習(xí)傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)時(shí)感到枯燥、難懂，大大降低學(xué)習(xí)的興趣。

圖1 圖形化編程界面

圖2 五角星路徑效果

仿真虛擬機(jī)器人軟件采用的是圖形化編程界面和直觀的流程圖編程(如圖1所示)，學(xué)生不再是對(duì)著一些乏味的字母和符號(hào)。學(xué)生還可以利用仿真系統(tǒng)的仿真功能即時(shí)看到編程的效果(如圖2所示)。同時(shí)，仿真虛擬機(jī)器人軟件采用了生活化的情景主題任務(wù)，如2009年以“虛擬滅火”為主題，2010年以“虛擬火炬?zhèn)鬟f”為主題，2012年則以“虛擬校車”為主題，為程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)增添了趣味性。因此，仿真虛擬機(jī)器人軟件比起傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言能夠大大提高小學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的興趣。

二、仿真虛擬機(jī)器人軟件有助于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想的學(xué)習(xí)

學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)最重要的是學(xué)習(xí)算法和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的思想。尤其是小學(xué)生，小學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)放在理解程序設(shè)計(jì)的基本概念和基本結(jié)構(gòu)上，應(yīng)重算法輕語(yǔ)法，注重運(yùn)用算法思維和結(jié)構(gòu)化程序的思想去分析問(wèn)題、解決問(wèn)題。在使用仿真虛擬機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)教學(xué)中，仿真虛擬機(jī)器人軟件能夠?yàn)槌绦蛟O(shè)計(jì)教學(xué)營(yíng)造良好的程序?qū)嵺`環(huán)境，學(xué)生在設(shè)計(jì)程序后，能從虛擬機(jī)器人的行為中得到即時(shí)反饋，學(xué)生再根據(jù)這些反饋修改程序。這樣，學(xué)生就經(jīng)歷了一個(gè)“思考—實(shí)踐—再思考—再實(shí)踐”的反復(fù)的人機(jī)交互過(guò)程，直到目標(biāo)程序的實(shí)現(xiàn)。仿真虛擬機(jī)器人軟件在此過(guò)程中能夠幫助學(xué)生理解并形成程序設(shè)計(jì)的思想。

以機(jī)器人簡(jiǎn)單巡線為例，在仿真虛擬環(huán)境下，機(jī)器人需要沿著白色引導(dǎo)線行走。實(shí)現(xiàn)方式是在機(jī)器人的前方左右各放一個(gè)光電傳感器，通過(guò)判斷光感的光值來(lái)決定執(zhí)行相應(yīng)程序，沿著白線行走。學(xué)生需要先分析機(jī)器人巡線時(shí)會(huì)出現(xiàn)幾種情況，再運(yùn)用算法思維解決，最后通過(guò)編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)。如圖3所示，車巡線時(shí)會(huì)出現(xiàn)4種情況，如果車右邊的光感器返回大于0的值，則右邊傳感器檢測(cè)到白線，在這種情況下有兩種可能性，一是車子方向向左偏了，二是車子到了十字路口，如何區(qū)分這兩種情況呢？我們可以通過(guò)第二個(gè)光電傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)判斷。如果第二個(gè)傳感器返回大于0的值，說(shuō)明車兩邊都?jí)壕€，來(lái)到十字路口了，則可以決定車是直走還是轉(zhuǎn)彎。如果第二個(gè)傳感器返回的是小于0的值，說(shuō)明車左偏，則需要對(duì)車向右偏轉(zhuǎn)校正角度后再執(zhí)行直走程序。

圖3

如果左邊的光感器返回不大于0的值，在這種情況下有兩種可能性，車子方向向左偏了或者在線上正常行走。如何區(qū)分這兩種情況，我們需要車右邊光感器的數(shù)據(jù)，如果右邊的光感器返回大于0的值，則是右邊壓線了，也就是車子偏左，我們需要對(duì)車向右偏轉(zhuǎn)校正角度后再執(zhí)行直走程序。如果左右兩個(gè)光感器返回值都不大于0，則說(shuō)明車是在線上行走的，執(zhí)行直走程序。

結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)是順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)。這個(gè)虛擬機(jī)器人簡(jiǎn)單巡線的程序主要用到的是循環(huán)結(jié)構(gòu)和選擇結(jié)構(gòu)，學(xué)生只有通過(guò)一步一步的邏輯分析，才能充分考慮各種情況，只有在理解這些程序設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)作用后，才能通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)器人巡線程序。因此，學(xué)生利用仿真虛擬機(jī)器人軟件學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)，其圖形化的編程界面能幫助學(xué)生運(yùn)用邏輯思維分析問(wèn)題，其仿真虛擬的環(huán)境能形象直觀地引導(dǎo)學(xué)生用算法思維解決問(wèn)題，從而有助于培養(yǎng)小學(xué)生結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的思想。

三、仿真虛擬機(jī)器人軟件有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維

創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的動(dòng)力。《中小學(xué)信息技術(shù)課程指導(dǎo)綱要(試行)》明確指出：“努力創(chuàng)造條件，積極利用信息技術(shù)開(kāi)展各類學(xué)科教學(xué)，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。”程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)就是一種培養(yǎng)創(chuàng)新思維的學(xué)習(xí)。在程序設(shè)計(jì)中，達(dá)到目標(biāo)任務(wù)的編程方法是多樣的，學(xué)生可以充分發(fā)揮創(chuàng)造性，以不同的編程方法去實(shí)現(xiàn)。即使是一個(gè)簡(jiǎn)單程序的實(shí)現(xiàn)，從分析、設(shè)計(jì)、調(diào)試到最終實(shí)現(xiàn)，都是一個(gè)創(chuàng)造性的過(guò)程。

仿真虛擬機(jī)器人軟件在創(chuàng)新思維培養(yǎng)的設(shè)計(jì)上也有所體現(xiàn)。它提供了地圖編輯功能、虛擬機(jī)器人的編輯功能，使整個(gè)程序設(shè)計(jì)具有開(kāi)放性。這有助于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。例如2012年廣州市易時(shí)代3D虛擬機(jī)器人競(jìng)賽，競(jìng)賽的主題是智能校車接送學(xué)生，競(jìng)賽的內(nèi)容是使校車(虛擬機(jī)器人)在指定時(shí)間內(nèi)從起點(diǎn)行駛到指定的車站接送“學(xué)生”，然后送往學(xué)校完成整個(gè)任務(wù)。任務(wù)包括：沿道路行駛，躲過(guò)道路上的障礙物，到指定(一個(gè)或多個(gè))車站接“學(xué)生”，回到學(xué)校。在教學(xué)中，我們可以根據(jù)競(jìng)賽的內(nèi)容和規(guī)則，利用軟件的地圖編輯功能編輯出模擬競(jìng)賽的地圖(如圖4所示)，供學(xué)生訓(xùn)練。學(xué)生看到地圖后，首先需要考慮虛擬機(jī)器人行走哪條路線才能最快到達(dá)終點(diǎn)。

圖4

經(jīng)過(guò)分析，可以走的線路有：第一，從第一個(gè)路口向右越過(guò)第一個(gè)路障后轉(zhuǎn)到車站1，然后經(jīng)過(guò)兩個(gè)路口轉(zhuǎn)向到達(dá)車站2，再經(jīng)過(guò)兩個(gè)路口轉(zhuǎn)向到達(dá)廢車，越過(guò)廢車后到達(dá)終點(diǎn)。第二，從第一個(gè)路口向右越過(guò)第一個(gè)路障后轉(zhuǎn)到車站1，然后經(jīng)過(guò)兩個(gè)路口轉(zhuǎn)向到達(dá)車站2，再直行一個(gè)路口到達(dá)路障，越過(guò)路障后右轉(zhuǎn)到達(dá)終點(diǎn)。第三，直行兩個(gè)路口到車站2，然后右轉(zhuǎn)兩個(gè)路口直行一個(gè)路口到達(dá)車站1，再掉頭直行兩個(gè)路口到達(dá)廢車，越過(guò)廢車后到達(dá)終點(diǎn)。

由于競(jìng)賽規(guī)則還允許校車(虛擬機(jī)器人)離開(kāi)白色軌跡線行駛，大大增加了程序設(shè)計(jì)的開(kāi)放性，所以在競(jìng)賽中，有的學(xué)生使用光電傳感器和超聲波來(lái)完成任務(wù)，有的學(xué)生使用指南針和GPS來(lái)完成任務(wù)，有的學(xué)生還想出了利用倒車的功能提高效率，充分體現(xiàn)了學(xué)生的創(chuàng)造性。因此，具有開(kāi)放性特點(diǎn)的仿真虛擬機(jī)器人軟件在程序設(shè)計(jì)教學(xué)中能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，讓學(xué)生創(chuàng)造性地運(yùn)用程序設(shè)計(jì)知識(shí)去解決問(wèn)題。

四、結(jié)束語(yǔ)

仿真虛擬機(jī)器人軟件能夠引起小學(xué)生興趣，符合小學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，把仿真虛擬機(jī)器人軟件應(yīng)用到小學(xué)程序設(shè)計(jì)教學(xué)中，能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的興趣，有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。因此，仿真虛擬機(jī)器人軟件可成為小學(xué)信息技術(shù)程序設(shè)計(jì)教學(xué)的新載體。

[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):95-96.

[2] 范利華.借助機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)培養(yǎng)小學(xué)生編程能力[J].研究探索,2011(5):15-19.

[3] 陶興榮.機(jī)器人教育可促進(jìn)程序設(shè)計(jì)教學(xué)[J].教育與信息化,2011(2):9-11.