基于Proteus仿真系統的智能機器人教學實踐

摘 要：機器人教育是培養學生創新與實踐能力的優秀平臺，但是在機器人教育的普及方面，受場地及實驗器材等原因制約，效果不理想。嘗試應用Proteus仿真系統，將程序設計的學習與智能機器人硬件系統建立聯系，在初中信息技術常規課堂中開展機器人教學實驗，嘗試通過機器人教學，解決信息技術教學中存在的一些問題。

關鍵詞：初中信息技術；機器人教學；機器人教育；仿真Proteus

近年來，機器人作為一個融合多學科內容的學習領域，在培養學生創新、實踐能力方面，得到了學校以及信息教師的重視，特別是2003年頒布的普通高中新課程標準將“簡易機器人制作”列入中小學選修內容，使得我國機器人教育在大眾化、普及化層面上躍上了一個新臺階。很多學校開展了機器人教學，并且在常規課堂中進行了智能機器人的教學嘗試。

一、機器人教育的價值

1.增加了信息技術教學的“技術”含量

基于機器人技術的教學內容，包括了數學、電子、程序、機械、自動控制等相關領域的內容，通過機器人技術的學習，可以讓學生了解硬件及軟件協調工作的基本原理，認識基本的電子元器件、簡單電路設計、程序設計、基本算法等方面知識，了解智能機器人處理信息的全過程，這樣的內容設置，有利于整合信息技術中的科技含量，普及機器人科學與技術知識，消除學生與現代科技的隔膜。

2.有利于培養學生的科學素養、創新精神、實踐能力

學生在機器人的學習過程中，通過完成任務，探究問題、激發創造的欲望，享受創造的樂趣。通過機器人培養學生的想象力、批判思維能力以及在實踐中不斷創新的能力。機器人制作強調心智與動作技能的結合，強調理論與實踐的統一。學生通過動手操作，能充分地提高自己的設計與制作能力、技術探究能力以及利用技術解決實際問題的能力。教育機器人是科學教育與現代信息化教育中重要的教學載體，對培養學生的創新精神、實踐能力及研究性學習能力發揮著十分重要的作用。

3.引導學生進入技術世界，增強其社會適應性

機器人課程引導學生關注社會，提高了學生學習技術的興趣與責任感，學生在學習中，能夠更深切地感受到信息時代技術發展給社會帶來的變化，感受到日常生活中技術的存在，更理性地看待技術，并利用技術更廣泛地參與社會生活，提高對未來社會的適應性。

二、對機器人教育的認識

彭紹東①教授認為機器人教育是指學習、利用機器人，優化教育效果及師生勞動方式的理論與實踐。智能機器人的本質是單片機技術，是指在程序控制下，控制外部電路以及機械裝置，并利用傳感器檢測外部數據，自動完成一定操作的智能設備。智能機器人技術融合了機械造型、電子傳感器、計算機軟硬件和人工智能等眾多先進技術，綜合了多學科的發展成果，代表了高新技術的發展前沿。作為信息技術與通用技術的交集，智能機器人教育已經成為促進學生動手與動腦相結合、培養學生創新精神和實踐能力的智能平臺，對學生理解技術、使用技術、應用技術解決實際問題等技術素養的提高具有奠基、引領的作用。

我校從2007年開始機器人教育，但是由于設備、場地等原因，只能有少數的同學參與到機器人項目的學習。2013～2014學年上學期，我在初二的三個班級中進行了“智能機器人教育走進常規課堂”的教學實驗，嘗試將智能機器人引入到信息技術的常規教學中，讓更多的學生接觸到智能機器人的內容。

三、虛擬技術為機器人教學提供支持

虛擬技術是利用計算機多媒體技術，通過計算機軟硬件的支持下生成一個逼真的、三維的、具有一定的視、聽、觸、嗅等多種感官參與的環境。在教學過程中，我們使用了Proteus仿真軟件，它是著名的EDA（Electronic Design Automation）工具，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真、PCB設計，是目前唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件合為一體的設計平臺，Proteus虛擬技術為程序設計與智能機器人的硬件控制系統架起了一座橋梁。在機器人教學中應用仿真軟件，有很多優點：

1.為學生提供了更多實驗、探究的機會

虛擬系統中所創設的實驗環境，可以更多地給學生提供嘗試、探索的機會，不用擔心會損壞設備、造成人員傷害，擺脫了對硬件設備的依賴，同時也避免了意外因素干擾影響實驗結果的不利現象，更符合學生自主建構的學習方式。

2.為程序設計與算法教學找到了更有生命力的契合點

信息技術學科需要加強程序與算法內容的教學。程序與算法是解決問題的一種方法、一種思維，在中學階段進行相應的教學，對培養學生的邏輯思維、創新能力是極為有益的。在機器人的教學過程中，通過仿真系統，將抽象的程序直觀化，提高了學生對程序設計學習的興趣。

四、教學實例分析——創意“心”型彩燈

任務：在下圖所示的仿真環境中，編程實現“心”型小燈創意閃爍。

教學目標：能夠獨立編程，實現“心型”小燈的創意閃爍。掌握程序的編譯方法；掌握仿真系統的調試，能夠理解“心”型小燈的電路原理。

教學重點：程序的編寫與調試是重點，難點是程序與電路之間關系的理解。

教學策略：為降低學生編程的難度，老師提供了程序的主體框架，學生可在此基礎上修改和補充；虛擬結合：將學生編譯生成的文件，下載到實際的電路中，進行演示，讓學生理解仿真系統與實物之間的關系；鼓勵學生嘗試，通過仿真效果檢驗所寫的程序是否正確。

教學過程：（略）

五、來自學生的教學反饋

學期末，我讓學生同時提交一份Word文檔，談一下這學期的課堂收獲與教學建議。在此，摘錄部分同學的反饋內容與大家分享。

馮××：我對這個學期的這門單片機課程很感興趣，它能用電腦中C語言控制現實中的電路，這讓我很感興趣。

耿××：這學期的微機課我收獲很大，學會了編程序，課余的時間也變得豐富起來，希望下學期有更精彩的內容。

王××：我覺得金老師的這個課很有意思。它不僅開啟了我們的物理電學思維，而且對我們今后的各科學習會有許多好處，回歸學生愛創造的天性。

魏××：老師，我想這一學期的信息課是我收獲最多的信息課，您帶我們走進了真正的科技世界，學習了真正的信息語言。希望老師能夠將仿真系統的課程要領繼續傳授給我們，很期待接下來更神奇的計算機語言！

于××：本學期教學內容很讓人感興趣，內容豐富，引人深思，不過希望老師能多進行指導，希望下學期還能繼續做這類程序。

趙××：希望期末過后展開興趣小組，在程序上可以教一些更難的、比較貼近生活的，興趣小組可以教一些自己動手做的。

周××：老師，我很喜歡你在課堂上所教的東西，很實用，我很愿意學您的課程。老師，下學期還要你教哦。

王××：學習單片機課程讓我體會到了一個全新的計算機世界?？吹阶约旱膭趧映晒?，甚是欣慰。希望在以后的學習過程中，能更深入地了解單片機技術，制作出自己的作品。

學生對這一學期的學習內容很感興趣，下一步需要做的工作是繼續完善相應校本教材的開發，調整教學內容與方法，和同學們一起收獲學習與創造的樂趣。

參考文獻：

[1]王改霞，樸姬順.國內機器人教育研究發展綜述[J].中國教育信息化，2012（12）：14-18.

[2]王益.融入STS教育理念的機器人教學探索[J].中國電化教育，2009（3）：90-92.

[3]葛文雙，傅鋼善，史婷.我國中小學機器人教育發展中的若干問題分析[J].中國教育信息化，2008（08）：4-7.

[4]鐘啟泉.國外“科學素養”說與理科課程改革[J].比較教育研究，1997（1）：16-21.

[5]彭紹東.論機器人教育（上）（下）[J].電化教育研究，2002（6）：3-7，2002（7）：16-19.

作者簡介：金書輝，男，1971年4月出生，博士，就職學校：吉林省長春市東北師大附中，研究方向：教育技術。

摘 要：機器人教育是培養學生創新與實踐能力的優秀平臺，但是在機器人教育的普及方面，受場地及實驗器材等原因制約，效果不理想。嘗試應用Proteus仿真系統，將程序設計的學習與智能機器人硬件系統建立聯系，在初中信息技術常規課堂中開展機器人教學實驗，嘗試通過機器人教學，解決信息技術教學中存在的一些問題。

關鍵詞：初中信息技術；機器人教學；機器人教育；仿真Proteus

近年來，機器人作為一個融合多學科內容的學習領域，在培養學生創新、實踐能力方面，得到了學校以及信息教師的重視，特別是2003年頒布的普通高中新課程標準將“簡易機器人制作”列入中小學選修內容，使得我國機器人教育在大眾化、普及化層面上躍上了一個新臺階。很多學校開展了機器人教學，并且在常規課堂中進行了智能機器人的教學嘗試。

一、機器人教育的價值

1.增加了信息技術教學的“技術”含量

基于機器人技術的教學內容，包括了數學、電子、程序、機械、自動控制等相關領域的內容，通過機器人技術的學習，可以讓學生了解硬件及軟件協調工作的基本原理，認識基本的電子元器件、簡單電路設計、程序設計、基本算法等方面知識，了解智能機器人處理信息的全過程，這樣的內容設置，有利于整合信息技術中的科技含量，普及機器人科學與技術知識，消除學生與現代科技的隔膜。

2.有利于培養學生的科學素養、創新精神、實踐能力

學生在機器人的學習過程中，通過完成任務，探究問題、激發創造的欲望，享受創造的樂趣。通過機器人培養學生的想象力、批判思維能力以及在實踐中不斷創新的能力。機器人制作強調心智與動作技能的結合，強調理論與實踐的統一。學生通過動手操作，能充分地提高自己的設計與制作能力、技術探究能力以及利用技術解決實際問題的能力。教育機器人是科學教育與現代信息化教育中重要的教學載體，對培養學生的創新精神、實踐能力及研究性學習能力發揮著十分重要的作用。

3.引導學生進入技術世界，增強其社會適應性

機器人課程引導學生關注社會，提高了學生學習技術的興趣與責任感，學生在學習中，能夠更深切地感受到信息時代技術發展給社會帶來的變化，感受到日常生活中技術的存在，更理性地看待技術，并利用技術更廣泛地參與社會生活，提高對未來社會的適應性。

二、對機器人教育的認識

彭紹東①教授認為機器人教育是指學習、利用機器人，優化教育效果及師生勞動方式的理論與實踐。智能機器人的本質是單片機技術，是指在程序控制下，控制外部電路以及機械裝置，并利用傳感器檢測外部數據，自動完成一定操作的智能設備。智能機器人技術融合了機械造型、電子傳感器、計算機軟硬件和人工智能等眾多先進技術，綜合了多學科的發展成果，代表了高新技術的發展前沿。作為信息技術與通用技術的交集，智能機器人教育已經成為促進學生動手與動腦相結合、培養學生創新精神和實踐能力的智能平臺，對學生理解技術、使用技術、應用技術解決實際問題等技術素養的提高具有奠基、引領的作用。

我校從2007年開始機器人教育，但是由于設備、場地等原因，只能有少數的同學參與到機器人項目的學習。2013～2014學年上學期，我在初二的三個班級中進行了“智能機器人教育走進常規課堂”的教學實驗，嘗試將智能機器人引入到信息技術的常規教學中，讓更多的學生接觸到智能機器人的內容。

三、虛擬技術為機器人教學提供支持

虛擬技術是利用計算機多媒體技術，通過計算機軟硬件的支持下生成一個逼真的、三維的、具有一定的視、聽、觸、嗅等多種感官參與的環境。在教學過程中，我們使用了Proteus仿真軟件，它是著名的EDA（Electronic Design Automation）工具，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真、PCB設計，是目前唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件合為一體的設計平臺，Proteus虛擬技術為程序設計與智能機器人的硬件控制系統架起了一座橋梁。在機器人教學中應用仿真軟件，有很多優點：

1.為學生提供了更多實驗、探究的機會

虛擬系統中所創設的實驗環境，可以更多地給學生提供嘗試、探索的機會，不用擔心會損壞設備、造成人員傷害，擺脫了對硬件設備的依賴，同時也避免了意外因素干擾影響實驗結果的不利現象，更符合學生自主建構的學習方式。

2.為程序設計與算法教學找到了更有生命力的契合點

信息技術學科需要加強程序與算法內容的教學。程序與算法是解決問題的一種方法、一種思維，在中學階段進行相應的教學，對培養學生的邏輯思維、創新能力是極為有益的。在機器人的教學過程中，通過仿真系統，將抽象的程序直觀化，提高了學生對程序設計學習的興趣。

四、教學實例分析——創意“心”型彩燈

任務：在下圖所示的仿真環境中，編程實現“心”型小燈創意閃爍。

教學目標：能夠獨立編程，實現“心型”小燈的創意閃爍。掌握程序的編譯方法；掌握仿真系統的調試，能夠理解“心”型小燈的電路原理。

教學重點：程序的編寫與調試是重點，難點是程序與電路之間關系的理解。

教學策略：為降低學生編程的難度，老師提供了程序的主體框架，學生可在此基礎上修改和補充；虛擬結合：將學生編譯生成的文件，下載到實際的電路中，進行演示，讓學生理解仿真系統與實物之間的關系；鼓勵學生嘗試，通過仿真效果檢驗所寫的程序是否正確。

教學過程：（略）

五、來自學生的教學反饋

學期末，我讓學生同時提交一份Word文檔，談一下這學期的課堂收獲與教學建議。在此，摘錄部分同學的反饋內容與大家分享。

馮××：我對這個學期的這門單片機課程很感興趣，它能用電腦中C語言控制現實中的電路，這讓我很感興趣。

耿××：這學期的微機課我收獲很大，學會了編程序，課余的時間也變得豐富起來，希望下學期有更精彩的內容。

王××：我覺得金老師的這個課很有意思。它不僅開啟了我們的物理電學思維，而且對我們今后的各科學習會有許多好處，回歸學生愛創造的天性。

魏××：老師，我想這一學期的信息課是我收獲最多的信息課，您帶我們走進了真正的科技世界，學習了真正的信息語言。希望老師能夠將仿真系統的課程要領繼續傳授給我們，很期待接下來更神奇的計算機語言！

于××：本學期教學內容很讓人感興趣，內容豐富，引人深思，不過希望老師能多進行指導，希望下學期還能繼續做這類程序。

趙××：希望期末過后展開興趣小組，在程序上可以教一些更難的、比較貼近生活的，興趣小組可以教一些自己動手做的。

周××：老師，我很喜歡你在課堂上所教的東西，很實用，我很愿意學您的課程。老師，下學期還要你教哦。

王××：學習單片機課程讓我體會到了一個全新的計算機世界?？吹阶约旱膭趧映晒?，甚是欣慰。希望在以后的學習過程中，能更深入地了解單片機技術，制作出自己的作品。

學生對這一學期的學習內容很感興趣，下一步需要做的工作是繼續完善相應校本教材的開發，調整教學內容與方法，和同學們一起收獲學習與創造的樂趣。

參考文獻：

[1]王改霞，樸姬順.國內機器人教育研究發展綜述[J].中國教育信息化，2012（12）：14-18.

[2]王益.融入STS教育理念的機器人教學探索[J].中國電化教育，2009（3）：90-92.

[3]葛文雙，傅鋼善，史婷.我國中小學機器人教育發展中的若干問題分析[J].中國教育信息化，2008（08）：4-7.

[4]鐘啟泉.國外“科學素養”說與理科課程改革[J].比較教育研究，1997（1）：16-21.

[5]彭紹東.論機器人教育（上）（下）[J].電化教育研究，2002（6）：3-7，2002（7）：16-19.

作者簡介：金書輝，男，1971年4月出生，博士，就職學校：吉林省長春市東北師大附中，研究方向：教育技術。

摘 要：機器人教育是培養學生創新與實踐能力的優秀平臺，但是在機器人教育的普及方面，受場地及實驗器材等原因制約，效果不理想。嘗試應用Proteus仿真系統，將程序設計的學習與智能機器人硬件系統建立聯系，在初中信息技術常規課堂中開展機器人教學實驗，嘗試通過機器人教學，解決信息技術教學中存在的一些問題。

關鍵詞：初中信息技術；機器人教學；機器人教育；仿真Proteus

近年來，機器人作為一個融合多學科內容的學習領域，在培養學生創新、實踐能力方面，得到了學校以及信息教師的重視，特別是2003年頒布的普通高中新課程標準將“簡易機器人制作”列入中小學選修內容，使得我國機器人教育在大眾化、普及化層面上躍上了一個新臺階。很多學校開展了機器人教學，并且在常規課堂中進行了智能機器人的教學嘗試。

一、機器人教育的價值

1.增加了信息技術教學的“技術”含量

基于機器人技術的教學內容，包括了數學、電子、程序、機械、自動控制等相關領域的內容，通過機器人技術的學習，可以讓學生了解硬件及軟件協調工作的基本原理，認識基本的電子元器件、簡單電路設計、程序設計、基本算法等方面知識，了解智能機器人處理信息的全過程，這樣的內容設置，有利于整合信息技術中的科技含量，普及機器人科學與技術知識，消除學生與現代科技的隔膜。

2.有利于培養學生的科學素養、創新精神、實踐能力

學生在機器人的學習過程中，通過完成任務，探究問題、激發創造的欲望，享受創造的樂趣。通過機器人培養學生的想象力、批判思維能力以及在實踐中不斷創新的能力。機器人制作強調心智與動作技能的結合，強調理論與實踐的統一。學生通過動手操作，能充分地提高自己的設計與制作能力、技術探究能力以及利用技術解決實際問題的能力。教育機器人是科學教育與現代信息化教育中重要的教學載體，對培養學生的創新精神、實踐能力及研究性學習能力發揮著十分重要的作用。

3.引導學生進入技術世界，增強其社會適應性

機器人課程引導學生關注社會，提高了學生學習技術的興趣與責任感，學生在學習中，能夠更深切地感受到信息時代技術發展給社會帶來的變化，感受到日常生活中技術的存在，更理性地看待技術，并利用技術更廣泛地參與社會生活，提高對未來社會的適應性。

二、對機器人教育的認識

彭紹東①教授認為機器人教育是指學習、利用機器人，優化教育效果及師生勞動方式的理論與實踐。智能機器人的本質是單片機技術，是指在程序控制下，控制外部電路以及機械裝置，并利用傳感器檢測外部數據，自動完成一定操作的智能設備。智能機器人技術融合了機械造型、電子傳感器、計算機軟硬件和人工智能等眾多先進技術，綜合了多學科的發展成果，代表了高新技術的發展前沿。作為信息技術與通用技術的交集，智能機器人教育已經成為促進學生動手與動腦相結合、培養學生創新精神和實踐能力的智能平臺，對學生理解技術、使用技術、應用技術解決實際問題等技術素養的提高具有奠基、引領的作用。

我校從2007年開始機器人教育，但是由于設備、場地等原因，只能有少數的同學參與到機器人項目的學習。2013～2014學年上學期，我在初二的三個班級中進行了“智能機器人教育走進常規課堂”的教學實驗，嘗試將智能機器人引入到信息技術的常規教學中，讓更多的學生接觸到智能機器人的內容。

三、虛擬技術為機器人教學提供支持

虛擬技術是利用計算機多媒體技術，通過計算機軟硬件的支持下生成一個逼真的、三維的、具有一定的視、聽、觸、嗅等多種感官參與的環境。在教學過程中，我們使用了Proteus仿真軟件，它是著名的EDA（Electronic Design Automation）工具，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真、PCB設計，是目前唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件合為一體的設計平臺，Proteus虛擬技術為程序設計與智能機器人的硬件控制系統架起了一座橋梁。在機器人教學中應用仿真軟件，有很多優點：

1.為學生提供了更多實驗、探究的機會

虛擬系統中所創設的實驗環境，可以更多地給學生提供嘗試、探索的機會，不用擔心會損壞設備、造成人員傷害，擺脫了對硬件設備的依賴，同時也避免了意外因素干擾影響實驗結果的不利現象，更符合學生自主建構的學習方式。

2.為程序設計與算法教學找到了更有生命力的契合點

信息技術學科需要加強程序與算法內容的教學。程序與算法是解決問題的一種方法、一種思維，在中學階段進行相應的教學，對培養學生的邏輯思維、創新能力是極為有益的。在機器人的教學過程中，通過仿真系統，將抽象的程序直觀化，提高了學生對程序設計學習的興趣。

四、教學實例分析——創意“心”型彩燈

任務：在下圖所示的仿真環境中，編程實現“心”型小燈創意閃爍。

教學目標：能夠獨立編程，實現“心型”小燈的創意閃爍。掌握程序的編譯方法；掌握仿真系統的調試，能夠理解“心”型小燈的電路原理。

教學重點：程序的編寫與調試是重點，難點是程序與電路之間關系的理解。

教學策略：為降低學生編程的難度，老師提供了程序的主體框架，學生可在此基礎上修改和補充；虛擬結合：將學生編譯生成的文件，下載到實際的電路中，進行演示，讓學生理解仿真系統與實物之間的關系；鼓勵學生嘗試，通過仿真效果檢驗所寫的程序是否正確。

教學過程：（略）

五、來自學生的教學反饋

學期末，我讓學生同時提交一份Word文檔，談一下這學期的課堂收獲與教學建議。在此，摘錄部分同學的反饋內容與大家分享。

馮××：我對這個學期的這門單片機課程很感興趣，它能用電腦中C語言控制現實中的電路，這讓我很感興趣。

耿××：這學期的微機課我收獲很大，學會了編程序，課余的時間也變得豐富起來，希望下學期有更精彩的內容。

王××：我覺得金老師的這個課很有意思。它不僅開啟了我們的物理電學思維，而且對我們今后的各科學習會有許多好處，回歸學生愛創造的天性。

魏××：老師，我想這一學期的信息課是我收獲最多的信息課，您帶我們走進了真正的科技世界，學習了真正的信息語言。希望老師能夠將仿真系統的課程要領繼續傳授給我們，很期待接下來更神奇的計算機語言！

于××：本學期教學內容很讓人感興趣，內容豐富，引人深思，不過希望老師能多進行指導，希望下學期還能繼續做這類程序。

趙××：希望期末過后展開興趣小組，在程序上可以教一些更難的、比較貼近生活的，興趣小組可以教一些自己動手做的。

周××：老師，我很喜歡你在課堂上所教的東西，很實用，我很愿意學您的課程。老師，下學期還要你教哦。

王××：學習單片機課程讓我體會到了一個全新的計算機世界?？吹阶约旱膭趧映晒?，甚是欣慰。希望在以后的學習過程中，能更深入地了解單片機技術，制作出自己的作品。

學生對這一學期的學習內容很感興趣，下一步需要做的工作是繼續完善相應校本教材的開發，調整教學內容與方法，和同學們一起收獲學習與創造的樂趣。

參考文獻：

[1]王改霞，樸姬順.國內機器人教育研究發展綜述[J].中國教育信息化，2012（12）：14-18.

[2]王益.融入STS教育理念的機器人教學探索[J].中國電化教育，2009（3）：90-92.

[3]葛文雙，傅鋼善，史婷.我國中小學機器人教育發展中的若干問題分析[J].中國教育信息化，2008（08）：4-7.

[4]鐘啟泉.國外“科學素養”說與理科課程改革[J].比較教育研究，1997（1）：16-21.

[5]彭紹東.論機器人教育（上）（下）[J].電化教育研究，2002（6）：3-7，2002（7）：16-19.

作者簡介：金書輝，男，1971年4月出生，博士，就職學校：吉林省長春市東北師大附中，研究方向：教育技術。