構建智能機器人課程，實現“流程設計”整合教學

王振強

為了適應社會需求的多樣化和學生全面而個性的發展，普通高中各學科課程都在突出注意素質培養、倡導體驗參與、開發課程資源、拓展學用渠道等理念，這就要求教師不能滿足早期簡單的教育模式，必須在教學中勇于改革創新，進而引導學生創新與實踐，培養他們分析問題、解決問題的能力。筆者在多年的教學實踐中發現利用好智能機器人這一平臺，不僅可以加深學生對高中《通用技術》《數學》《信息技術》中與“流程設計”模塊相關的內容的理解，還能充分培養學生延展知識、解決問題的創新能力。

高中信息技術學科課程相關模塊內容與問題

1.高中數學相關教學內容與問題

高中數學必修3第二章“算法初步”在講述算法、流程圖等概念時，基本是以學生熟悉的初中數學知識為背景，如1.l小節例2給出求解方程組的算法，1.4小節講述的“算法案例”中的案例——設計解決“韓信點兵——孫子問題”的算法等。數學課中，學生都比較熟悉這樣的編排，理解課程內容、完成課后習題也沒有什么問題。但如果要學生把課堂上所學的算法思想應用到實踐中，并用這種思想去分析問題、解決問題，似乎就缺少了一條有效溝通的途徑。實踐中，教師大多只是為了完成教學任務，很少注意也很難做到把學生所學的知識與實際溝通，因此也很難最大化地發揮教學效果。

2.高中通用技術相關內容與問題

相對而言，普通高中通用技術《技術與設計2》中相關模塊是比較貼近實際的。例如，筆者在第一小節以“回家拿鑰匙開門的過程”為例引入“流程”的概念，在以后的教學中也都是引用生活和生產實例來說明相關問題，如“流程設計舉例”中以“小鐵錘的加工設計”為例，“流程優化”中以“校辦廠的機械設備修理流程”為例，“成本優化”中以“某配送中心的配送線路圖”為例等，課后要求學生參與的綜合實踐題目是“可拆家具的組裝”“垃圾處理工作流程的改進設計”等。學生根據平時的感官體驗和生活經驗能夠體會到這些問題，對書本上的內容也不難理解。正是由于書上所舉的例子都是來源于生產生活，而這些例子在實際生活中的流程一般是固定的，即使有改進的地方，也都是不影響大局的修修補補，所以學生很難體會到流程缺失以及在總體結構上改變流程所引起的后果。況且通用技術課在高中教學中課時有限，因而大多數教師都沒有足夠的時間讓學生在實踐中檢驗所學的知識。

3.高中信息技術相關內容與問題

在信息技術中，學生根據所達成的目的將問題轉化成熟知的模型，從而確定算法，然后用某一種程序語言實現，并設計編寫程序在計算機上調試運行，再進一步觀察結果是否報錯。學生對程序設計重要性的理解與感受大多限于計算機虛擬“游戲”的層面，而不能提升到現實應用場景中。雖然有熟悉的數學模型，有現實的背景，但是程序一發生變化，學生就容易脫離實際，不會處理，而且很多錯誤的程序在執行后會產生怎樣的結果學生也難以預料。

以上幾個學科的教學問題在引入了可在短時間內實際操作的智能機器人這一平臺后，教學效果得到了明顯的改善。就“流程設計”而言，要觀察改變某一個流程前后的執行結果，用通用技術中的實際案例通常比較慢（有些要幾天甚至幾個月），信息技術和數學中相應例子的流程變化雖然快速，能在課堂上短時間內完成，但不夠直觀，也不一定符合實際情況，學生也無法深入地掌握。而智能機器人的流程設計在一定程度上可以克服以上弊病，極大地提高學生學習程序（流程）設計的積極性和實際效果，值得教師在教學中大力研究、探索、推廣。

高中智能機器人課程內容與目標

1.智能機器人學習原理

智能機器人的學習是以解決具體問題的學習方式進行的。學生運用已有的知識，成功地尋找達到目標的手段或途徑，在解決具體問題的過程中達到學習目的。機器人由數百種零散的零件所組成，結構設計大多采用標準件、通用件，在機器人組裝設計時教師可以給學生發揮想象的空間。學生根據要完成的具體任務，用這些零件拼裝成造型各異的機器人，拼裝出來的機器人身體要靈活，探測靈敏度要高，還要結實能經得起碰撞。機器人的形狀沒有固定模式，這樣可以促使學生充分調動創造性思維。機器人拼裝好后，學生使用機器人所選用的LOGO、Qbasic、VB、C/C++、匯編等程序語言，以及可視化的模塊化編程平臺進行編程，編譯完成的程序可以下載到機器人相關核心處理器中。當機器人脫離計算機后，就可以根據程序指令以及周圍環境的不同來行動，實現完全智能化。當然，如果機器人沒有按照預先設定的程序完成預定任務，就需在計算機上修改原程序，再通過機器人下載后進行測試，直到機器人完全按要求完成任務為止，其具體原理如圖1所示。

2.高中智能機器人課程目標

用計算機編寫的程序可以是代碼的形式也可以是框圖的形式，編程就像設計流程圖一樣，學生易于接受，并在短時間內就能學會。在此過程中，學生可以：①理解機器人的本質與基本工作原理，拓展知識面，從而更深層次地理解現代社會中的倫理道德。②理解程序設計中的算法思想，學習程序設計的基本方法和技巧，體會用計算機解決問題的一般過程。③通過設計、組裝具有不同功能、結構的機器人系統，了解機器人的機械結構、驅動系統、控制系統、感覺系統、通訊系統等基本結構原理。④通過競賽、展示等活動，了解機器人的功能、應用領域、應用方法，培養團結協作意識、競爭意識，獲得成功的體驗。

高中智能機器人教學探索

現在用于教育領域的智能機器人有很多，如西覓亞公司代理的樂高（LEGO）機器人、上海未來伙伴機器人有限公司能力風暴教育機器人、廣州中鳴科技有限公司電腦機器人等。各地區習慣使用的機器人各不相同，但其設計思想和操作方法大同小異，下面筆者以廣州中鳴科技有限公司的模塊式循跡機器人為例對其進行探討。

如果要組裝一個能自主沿著黑線行走的典型作品“循跡智能車”，則需要以下步驟。

1.規劃

組裝一個可以轉彎行走的路徑模型，可以探測前進道路上有無黑線（能否反光），根據預定程序發出指令，控制電機轉向和轉速。

2.組裝

①組裝車身；②安裝車輪；③安裝萬向輪；④安裝雙光反射傳感器；⑤安裝電池盒和控制電路主板；⑥連接控制電路。圖2為機器人簡圖。

3.編程

安裝完成后，就可以用套件中提供的開發環境進行控制程序的設計了。程序由“程序開始”通過流程線連接若干命令到“程序結束”構成一個控制程序。用鼠標點擊選中的命令，不要松開鼠標，將其拖到流程線附近，此時流程線會變成紅色，松開鼠標左鍵，該命令就插在流程線中。學生可以根據自己的設計將各個命令塊逐個拖到流程線中，就構成了一個完整的程序。對程序較了解的學生還可以采用代碼的界面來完成程序的編寫。循跡智能車部分程序如圖3所示。圖中每個模塊都可以從左邊列表中拖出，經過簡單修改就能達成要求。最后，通過專用數據線把程序下載到控制器的RCU主處理器上就可以了。

4.調試

將程序下載到循跡智能小車后，看看小車是否能循跡前進，如果不成功，則檢查控制電路板連接是否正常、程序設計是否正確，直至工作正常為止。

小車的組裝過程要求學生熟悉套件中各部件的結構、作用，只有這樣才能正確地確定設計方向，選擇必要的零件；連接電路要求學生熟悉傳感器的作用，熟悉控制電路主板接口和傳感器的關系；程序設計部分能充分反映學生對算法（或流程設計）的掌握程度。由于程序設計的開發環境實現了圖形化，所以學生在熟練掌握了基本操作后，可以在數分鐘內對程序進行修改。由機器體現出修改前后的變化，能使學生直觀地掌握流程設計（算法）的思想，并使其在解決問題的過程中得到歷練。

總結

社會不斷發展，科技不斷進步，如果教師仍然停留在陳舊的教育理念上，認為教師是課程的實施者、執行者，只想準確無誤地領會課程設計者的思想，忠實地、無條件地履行既定的課程方案，這就忽視了自身在課程開發中的主觀能動作用，缺乏創新精神，無法完成對學生創新意識、創新能力的培養。因此，教師應努力把教材作為課程資源來使用，根據自身實際創造性地使用教材，整合相關課程資源，利用現代科技手段開發教學資源，特別是以機器人為主的智能化設備，可以為高中多學科提供不同的學習內容與學習形式，而這些先進技術都是學生未來必須要掌握的。教師要把它們融合到學科教學中，讓學生感受到課堂的魅力，體驗到技術及創新的價值。