水中機器人軟件在小學編程教學中的作用

過震

為貫徹落實《國務院關于印發新一代人工智能發展規劃的通知》精神，加快普及中小學編程教育，不斷激發中小學生編程興趣，努力培養中小學生勇于探索的創新精神和解決實際問題的實踐能力，信息技術教師必須充分認識到編程教育在大數據、云計算、人工智能中的重要作用。筆者所在學校開展的機器人編程教學在原有Scratch編程教學中加入了場景功能模塊，使學生能夠更直觀地用程序設計的思維去分析、解決生活中的實際問題。

隨著陸地資源的逐漸匱乏，人們開始對海洋進行開發和研究。作為開發海洋資源的重要工具之一，水中機器人可以代替人們在海洋中完成一些高難度高風險的水下探測及水下作業。下面，筆者結合KenFish機器人軟件淺談其在小學信息技術編程教學中的作用。

KenFish機器人軟件在編程中的教學目標與作用

①了解國際水中機器人的發展現狀和水中機器人發展的根本原因是為人類解決水下環境中所遇到的問題。了解中國是繼美、法、俄、日之后世界上第五個掌握大深度載人深潛技術的國家，消除小學生對水中機器人的神秘感，為進一步學習水中機器人有關知識打下認知基礎。

②掌握水中機器人程序調試及下載的方法，了解水中機器人基本結構（各種傳感器和驅動裝置的作用）、運動特點和控制方式。了解水中機器人是怎樣通過KenFish圖形仿真控制軟件進行圖形化編程的，進而培養科學高效的符合小學生編程的思維方式，提高編程邏輯思維能力，提高小學生在編程中分析問題和解決問題的能力。

③通過完成模擬場景任務，學生在水中巡檢機器魚的學習過程中應用仿生學技術模擬魚類的游動方式，在組裝調試水中巡檢機器魚過程中培養動手創造、團隊協作能力和與編程相關的思維能力。

普及中小學編程教育的核心是提高學生綜合應用編程語言的水平和能力，只有讓學生了解相關機器人的結構和功能、原理和使用方法，才能提高學生應用機器人的學習效能。

KenFish機器人軟件能有效激發小學生學習編程的興趣

程序是機器人的靈魂，讓小學生通過為機器人編寫程序來學習編程知識是程序設計學習的最好途徑。小學生的思維特點是以直觀形象思維為主，并逐步過渡到抽象邏輯思維，所以往往對學習傳統型編程語言感到枯燥乏味，也降低了對編程語言學習的興趣。但KenFish機器人軟件中的場景模擬任務，會極大地促進學生為機器人編寫程序的參與度。學生通過對場景模擬任務的分析與程序編寫，團隊合作分享交流，進而凸顯主體性，從而獲得成功的喜悅、建立成功的信心，激發程序設計學習的興趣。

KenFish機器人軟件采用的是圖形化編程界面（如下頁圖1），學生不僅不用面對一些單調乏味的編程語言，還可以利用其硬件設備即時檢驗編程的效果（如下頁圖2）。同時，KenFish機器人軟件采用了貼近生活的場景主題任務，為程序設計的學習增添了趣味性。因此，KenFish機器人軟件相比傳統的程序設計語言能夠大大提高小學生學習程序設計語言的興趣。

KenFish機器人軟件有助于強化圖形化編程思維

程序設計中最重要的是學習程序算法和編程思想。在小學階段，小學生學習編程重點應以體驗為主，通過游戲化教學、項目式教學等形式，理解程序設計的基本概念和結構，注重運用圖形化的編程思維去分析問題、解決問題。在使用水中機器人的程序設計教學中，KenFish機器人軟件能夠為程序設計教學營造良好的編程實踐環境，學生在編寫程序后，能從水中機器人的水中運動姿態得到即時反饋，再根據相關運動姿態反饋不斷修改坐標系和參數，從而完善程序。這樣，學生就在KenFish機器人軟件圖形化編程的人機交互過程中實現了對“編程思維”的不斷理解和強化。

以水中機器人“石油管道巡檢”為例，水中部分放置了礁石模型若干，設置了漏油點若干和彎道若干，機器人需要具備轉彎循線能力、丁字管道和十字管道的判斷能力。在場景模擬任務下，仿魚水中機器人需要從管道起點出發，沿著白色管道行走，遇到漏油點進行識別，并執行修復動作（修復動作自行設定，如點亮LED燈進行提醒和控制舵機等，但不限于上述動作），然后繼續前進；遇到彎道時，水中機器人應該調整運動姿態通過彎道，然后繼續前進；水中機器人在游動和轉彎時應避免碰撞到礁石模型，最終水中機器人在水中管道末端觸動觸發機構，水中循檢任務完成。

學生需要先分析仿魚水中機器人巡線時會出現的情況，然后運用編程思維，通過編寫程序實現循檢任務。如果仿魚水中機器人起始運動姿態向左，仿魚水中機器人2號紅外避障傳感器檢測到障礙物且5號紅外避障傳感器沒有檢測到障礙物時，學生編寫重復循環語句執行：尾鰭舵機的運動姿態向右擺70度，擺動速度15檔，延時100毫秒；直到1號紅外避障傳感器檢測到障礙物且2號紅外避障傳感器也檢測到障礙物，然后修正尾鰭舵機的運動姿態向左擺70度，擺動速度15檔，延時100毫秒。如果仿魚水中機器人起始運動姿態向右，仿魚水中機器人5號紅外避障傳感器檢測到障礙物且2號紅外避障傳感器沒有檢測到障礙物時，學生編寫重復循環語句執行：尾鰭舵機的運動姿態向左擺70度，擺動速度15檔，延時100毫秒；直到5號紅外避障傳感器檢測到障礙物且4號紅外避障傳感器也檢測到障礙物，然后修正尾鰭舵機的運動姿態向右擺70度，擺動速度15檔，延時100毫秒。

仿魚水中機器人沿白色管道巡線的程序主要用到的是循環語句和邏輯語句，學生只有通過傳感器控制分析，才能充分考慮各種情況，在理解這些傳感器功能模塊基本結構及作用后，通過編程實現仿魚水中機器人巡線程序。因此，學生利用KenFish機器人軟件學習程序設計，其圖形化的編程界面能幫助其運用邏輯思維分析問題，其場景模擬任務能形象直觀地引導學生用編程思維解決問題，從而有助于培養小學生圖形化編程的思維。

KenFish機器人軟件有助于激發學生的創新思維

機器人課程特點主要體現在以下幾個方面：創新性、綜合性、開放性、發展性、實踐性。程序設計學習是一種培養創新思維的學習。在程序設計中，達到目標任務的編程方法是多種多樣的，學生可以充分發揮創新性，以不同的編程方法去實現。即使是一個簡單程序的實現，從分析、設計、調試到最終實現，都是一個創造性的過程。

KenFish機器人軟件在創新思維培養的設計上也有所體現。軟件提供了執行、傳感、邏輯、循環、數學、文本、列表、顏色、變量、函數等編輯功能，使整個程序設計具有開放性，這有助于培養小學生的發散思維，激發學生的創新思維。

例如，某競賽中的“石油管道巡檢”競賽主題，仿魚水中機器人在指定時間內沿著白色管道行走，遇到漏油點進行識別，并執行修復動作。在編程教學中，學生可以根據競賽的內容和規則，利用軟件的文本編輯功能編輯出場景模擬地圖，依據此地圖，考慮仿魚水中機器人以何種運動姿態，尾部舵機以何種搖擺速度和角度控制才能最快到達漏油點進行維修。

競賽規則中允許仿魚水中機器人離開白色管道行駛，大大增加了程序設計的開放性。競賽中，有的學生使用多組光電傳感器來完成任務，有的學生還想出了僅靠程序姿態手動調整進行巡管，充分體現了小學生編程中的創造性。因此，具有開放性特點的仿魚水中機器人軟件在程序設計教學中能夠激發學生的創新思維，讓學生創造性地運用編程知識去解決問題。

結束語

KenFish機器人軟件能夠激發小學生的編程興趣，符合小學生認知特點，把此款軟件應用到小學編程教學中，能夠提高學生學習程序設計的興趣，有助于激發學生的編程創新思維。因此，KenFish機器人軟件可成為小學編程教育的新載體和教學平臺。

參考文獻：

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