智能機(jī)器人中學(xué)教學(xué)研究

摘 要:隨著智能機(jī)器人技術(shù)課程的開設(shè)在各中小學(xué)越來越普遍，如何提高學(xué)生興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，提高教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新及開發(fā)能力是教學(xué)的重點(diǎn)。本文主要對(duì)智能機(jī)器人在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)器人；中學(xué)；教學(xué)方法

1前言

智能機(jī)器人，它代表了高技術(shù)的發(fā)展前沿，是當(dāng)代科技中的前沿和尖端，綜合了多學(xué)科的發(fā)展成果，集計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、傳感技術(shù)、機(jī)械技術(shù)等于一體，是開展教學(xué)的良好載體和教學(xué)內(nèi)容。上海二期課改對(duì)勞技教學(xué)的要求從技能本位轉(zhuǎn)向技術(shù)能力和共同能力的協(xié)調(diào)發(fā)展，強(qiáng)調(diào)從知識(shí)與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀三個(gè)維度制定教學(xué)目標(biāo)。無疑，開展適當(dāng)?shù)闹悄軝C(jī)器人教學(xué)既對(duì)上述內(nèi)容的實(shí)現(xiàn)大有裨益，同時(shí)也是“應(yīng)試教育”向“素質(zhì)教育”轉(zhuǎn)軌的重大舉措;是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新意識(shí)的重要組成部分。我市自2000年起就在部分中小學(xué)開設(shè)了智能機(jī)器人相關(guān)課程以及社團(tuán)活動(dòng)，并且在多年的實(shí)踐探索中積極參與各級(jí)競(jìng)賽，取得一系列比較喜人的成績(jī)。本文主要分析了智能機(jī)器人在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用。

2在“杠桿”教學(xué)中的應(yīng)用

“杠桿”在中學(xué)物理中屬于較難學(xué)習(xí)的內(nèi)容之一，雖然也有相應(yīng)的探究實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生理解相關(guān)知識(shí)，但是由于這部分內(nèi)容靈活度較高，可供實(shí)踐的例證較少，所以掌握起來較為困難。但在智能機(jī)器人領(lǐng)域，杠桿的應(yīng)用卻極為廣泛，智能機(jī)器人的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、能量傳輸系統(tǒng)都離不開杠桿的作用。學(xué)生在構(gòu)建智能機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的過程中必然會(huì)使用到杠桿的相關(guān)知識(shí)，甚至為了能更好地應(yīng)用、發(fā)揮結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)，不得不對(duì)杠桿原理作深入的研究，這種出于應(yīng)用的研究要遠(yuǎn)比書本知識(shí)來得直觀、深刻，并且還充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。例如，智能機(jī)器人的機(jī)械臂（圖1）。如何讓機(jī)械臂更好地抓取物體是一個(gè)讓學(xué)生很費(fèi)腦筋的問題，教師不妨將圖1所示的2個(gè)模型在講授“杠桿原理”時(shí)拿出來讓學(xué)生討論：圖1-a智能機(jī)器人的手臂是個(gè)什么類型的杠桿（費(fèi)力杠桿）？它有什么特點(diǎn)？適合抓取什么類型的物體？圖1-b智能機(jī)器人的手臂是什么類型的杠桿（省力杠桿）它又有什么特點(diǎn)？適合抓取什么類型的物體？這兩個(gè)機(jī)械臂如何控制抓取的幅度而不至于損壞？它們又有什么缺點(diǎn)？應(yīng)該如何改進(jìn)？學(xué)生能回答出以上問題，杠桿的相關(guān)知識(shí)就已經(jīng)不知不覺地印入他們的腦海中了。這其中沒有“填鴨式”的說教，沒有枯燥的例題計(jì)算，有的只是對(duì)現(xiàn)實(shí)問題的思考和相關(guān)知識(shí)的應(yīng)用。

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圖1 智能機(jī)器人的機(jī)械臂

3在“摩擦力”教學(xué)中的應(yīng)用

要想讓智能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)起來需要腿或者輪胎。而輪胎由于其靈活度高、組裝方便被廣泛采用。但是面對(duì)不同的任務(wù)，選擇合適的輪胎顯得尤為重要。僅以樂高智能機(jī)器人為例，在基本套裝內(nèi)提供了多種輪胎，這就要求學(xué)生根據(jù)不同的場(chǎng)地來選擇，而選擇的方法就是要靠物理學(xué)中摩擦力的知識(shí)。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，摩擦力是公認(rèn)的最為抽象、最不好理解的內(nèi)容。在引入智能機(jī)器人后，由于有了具體的例證，這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)就變得簡(jiǎn)單多了。

圖2所示為樂高智能機(jī)器人的3種輪胎，左邊是第1種軟性薄輪胎，中間是第2種質(zhì)地較為堅(jiān)硬的厚輪胎，右邊第3種是履帶。一般來說，在要求智能機(jī)器人靈活性的情況下，第1種軟性輪胎可以在摩擦力很小時(shí)工作良好，它與接觸面間是以滾動(dòng)摩擦為主，其摩擦力遠(yuǎn)小于同條件下的滑動(dòng)摩擦力。在要求智能機(jī)器人抓地性能良好的情況下，如遇到大量轉(zhuǎn)向、簡(jiǎn)單障礙時(shí)，因?yàn)橐幂^大摩擦力，所以就應(yīng)該選擇第2種輪胎，通過增加靜摩擦或者滑動(dòng)摩擦來換取更好的牽引效果。如果場(chǎng)地復(fù)雜或者有較大角度的斜面，那么第3種履帶則是最佳選擇，不僅摩擦力大而且與地面接觸面大，能較好地通過各種障礙。

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圖2 樂高機(jī)器人輪胎

在筆者帶領(lǐng)學(xué)生參加青少年智能機(jī)器人足球比賽的過程中，由于場(chǎng)地過于光滑，一度出現(xiàn)輪胎打滑的現(xiàn)象，學(xué)生利用中場(chǎng)休整的機(jī)會(huì)，用隨身攜帶的簡(jiǎn)易工具迅速在輪胎上刻出一些紋路，果然收到了良好效果。事后在談到原因時(shí)，學(xué)生自豪地告訴筆者，是利用了物理學(xué)中學(xué)到的在壓力一定時(shí)，滑動(dòng)摩擦力與表面粗糙程度有關(guān)的知識(shí)。

4在“功率”教學(xué)中的應(yīng)用

馬達(dá)是智能機(jī)器人的主要?jiǎng)恿υ矗梢裕ㄏ罗D(zhuǎn)第120頁）（上接第118頁）使智能機(jī)器人執(zhí)行移動(dòng)、載重、控制手臂、抓取物體、抽氣等其他需要?jiǎng)恿υ吹膭?dòng)作。學(xué)生在初次接觸智能機(jī)器人馬達(dá)時(shí)可能并不會(huì)在意馬達(dá)的功率問題，但隨著研究的深入，學(xué)生會(huì)深刻地意識(shí)到智能機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度很快時(shí)負(fù)載就會(huì)變小，而負(fù)載增大時(shí)速度就必然變慢。教師這時(shí)就可以適時(shí)提出功率的問題：功率等于牽引力和速度的乘積。一臺(tái)馬達(dá)的輸出功率恒定，速度越大牽引力越小。所以當(dāng)需要較快速度時(shí)，要選擇大齒輪驅(qū)動(dòng)小齒輪，犧牲牽引力來獲得速度；當(dāng)需要較大牽引力時(shí)，要選擇小齒輪驅(qū)動(dòng)大齒輪來獲得牽引力。

5在“電流”教學(xué)中的應(yīng)用

在一場(chǎng)智能機(jī)器人比賽中，競(jìng)賽規(guī)則強(qiáng)調(diào)在全場(chǎng)比賽中不得更換電池，所以能否讓智能機(jī)器人的電源支撐足夠長(zhǎng)的時(shí)間成為考驗(yàn)學(xué)生智慧的難題。學(xué)生要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)放的電池電量迅速計(jì)算輸出電流和工作時(shí)間，這樣，物理公式Q＝It在這里就派上了用場(chǎng)。在電池上會(huì)標(biāo)明電池電量為2800mAh，而全場(chǎng)比賽時(shí)間為30min，也就是0.5h，那么，代入公式自然會(huì)算出可輸出電流為5600mA，也就是5.6A。考慮到實(shí)際智能機(jī)器人的輸出效率，而電源同時(shí)要給RCX供電，則將馬達(dá)輸出電流調(diào)整為0.3A左右較為合適，所以選擇的馬達(dá)應(yīng)該為中速馬達(dá)。

另外，電流分為直流電（DC）和交流電（AC）兩種。家里使用的就是交流電，而電池是一種最常用的直流電源，樂高的電動(dòng)組件包括馬達(dá)都使用直流電源。而直流電源有正負(fù)極，它表示電流的流動(dòng)方向：從負(fù)極流向正極。如果將馬達(dá)與電池間的導(dǎo)線變換方向，其旋轉(zhuǎn)方向也會(huì)隨之改變。每個(gè)馬達(dá)都有額定電壓，當(dāng)然電壓低于額定電壓時(shí)馬達(dá)也能工作，只是會(huì)轉(zhuǎn)得慢點(diǎn)；但如果超過額定電壓，馬達(dá)就有可能燒掉。

電流還有其他特性：電流的變化是根據(jù)馬達(dá)的工作狀態(tài)改變的：負(fù)載越高，電流越大。當(dāng)馬達(dá)與RCX連接使用時(shí)，如果有力阻礙它旋轉(zhuǎn)時(shí)，就必須停止馬達(dá)。因?yàn)轳R達(dá)會(huì)把電流不斷地轉(zhuǎn)變成內(nèi)能，從而使馬達(dá)的溫度迅速升高，這是典型的非純電阻電路的性質(zhì)，對(duì)馬達(dá)會(huì)造成嚴(yán)重危害。

6在“電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)”教學(xué)中的應(yīng)用

在學(xué)習(xí)了電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)時(shí)，細(xì)心的學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)兩者的內(nèi)部構(gòu)造完全一樣，只不過外界提供電源時(shí)線圈會(huì)在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，而外界提供轉(zhuǎn)動(dòng)力時(shí)會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。那么，如果先轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的線圈，電動(dòng)機(jī)能否發(fā)電呢？此時(shí)，教師可以拿出兩個(gè)相同的電動(dòng)機(jī)彼此連接上，用手將其中一個(gè)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，學(xué)生會(huì)驚奇地發(fā)現(xiàn)另一個(gè)電動(dòng)機(jī)也開始旋轉(zhuǎn)。這充分說明電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的構(gòu)造相同，區(qū)別在于能量的轉(zhuǎn)化方向：電動(dòng)機(jī)是電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，發(fā)電機(jī)是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。筆者在教學(xué)過程中演示該實(shí)驗(yàn)時(shí)，從學(xué)生驚異的表情中知道學(xué)生不僅已將該知識(shí)點(diǎn)記住，而且印象非常深刻。可見，物理知識(shí)和智能機(jī)器人的聯(lián)系非常緊密。

7結(jié)論

除此之外，智能機(jī)器人在物理課堂教學(xué)中的應(yīng)用還有很多，例如，能量的轉(zhuǎn)化，角速度和線速度，加速度，力的合成與分解，等等。只要教師充分挖掘，智能機(jī)器人的應(yīng)用幾乎是無限的。學(xué)生在接觸和學(xué)習(xí)智能機(jī)器人的過程中，實(shí)際上是在智能機(jī)器人研究探索中對(duì)其他學(xué)科知識(shí)的拓展。隨著智能機(jī)器人課程在各中學(xué)變得越來越普遍，如何結(jié)合智能機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展做好智能機(jī)器人的教學(xué)工作是許多智能機(jī)器人教育工作者關(guān)心的問題。筆者通過對(duì)智能機(jī)器人教學(xué)課程進(jìn)行深入地理論研究，結(jié)合本市智能機(jī)器人教學(xué)的實(shí)際情況，對(duì)以“未來之星”智能機(jī)器人為平臺(tái)的智能機(jī)器人教學(xué)課程進(jìn)行了研究和探索，并在實(shí)際教學(xué)工作中進(jìn)行了實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。

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