機器人創(chuàng )新課程設計探析論文
1mBot機器人介紹
mBot是一款為素質(zhì)教育而生的低門(mén)檻“機器人小車(chē)”，是實(shí)現跨學(xué)科綜合素質(zhì)教育STEAM[1]的載體，借助mBot機器人開(kāi)展教育是培養學(xué)生創(chuàng )新能力的有效途徑[2]。mBot機器人分為硬件和軟件兩個(gè)部分，硬件是標準化的電子零件，由mBot機械部分、mCore控制板兩部分組成，同時(shí)配有一個(gè)簡(jiǎn)易遙控器可供拼裝完成后直接“駕駛”；軟件部分使用基于Scratch2.0[3]開(kāi)發(fā)的圖形化編程軟件mBlock，通過(guò)藍牙直接實(shí)現操控mBotAPP。mBlock根據需求編制一個(gè)程序，將其下載到mCore，由mCore控制mBot機器人完成動(dòng)作。mBot機器人與智能玩具的區別在于它可以使用軟件mBlock進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，在其上加載一些傳感器可以實(shí)現不同的功能。該次課程設計用3個(gè)mBot機器人模擬制作一個(gè)智能交通系統,用實(shí)例來(lái)講述創(chuàng )新課程設計過(guò)程。
2智能交通系統分析
課堂以智能交通系統為主題，激發(fā)學(xué)生討論，討論結果形成一個(gè)簡(jiǎn)單、完整的交通系統由3個(gè)部分組成智能汽車(chē)、智能紅綠燈、智能車(chē)庫。具體功能如下描述。(1)智能汽車(chē)，用mBot機器人模擬汽車(chē)的行車(chē)過(guò)程，前進(jìn)、左右轉彎、倒車(chē)，同時(shí)用指示燈顏色和不同的聲音區分不同狀況，以給出警戒和提示；車(chē)上安裝超聲波傳感器，便于安全倒車(chē)；汽車(chē)的行駛過(guò)程用遙控器控制。(2)智能紅綠燈，根據路段車(chē)流量設置紅綠燈間隔時(shí)間，綠燈結束后有3s的黃燈閃爍；指示燈亮，并用LED數碼管顯示剩余時(shí)間。在mBot機器人的主控板mCore上安裝兩個(gè)設備，一個(gè)是LED燈作為紅綠燈使用；另一個(gè)是4位數碼管用來(lái)顯示紅綠燈時(shí)間，用RJ25接口線(xiàn)將兩設備與主控板連接。(3)智能車(chē)庫,用超聲波傳感器來(lái)檢測有無(wú)車(chē)輛入庫，若有，則用舵機控制橫桿抬起，若無(wú)，則橫桿落下。若在超聲波出現故障時(shí)，則用機械遙感手動(dòng)控制橫桿起落。mCore主控板接3個(gè)設備：一是超聲波傳感器，用來(lái)檢測門(mén)前有無(wú)車(chē)輛；二是遙感，便于應急時(shí)手動(dòng)控制；三是舵機，其上安裝橫桿，接收超聲波傳感器信號，控制橫桿起落。
3課程設計
將智能交通系統課程設計分基礎、應用、創(chuàng )新3個(gè)階段來(lái)講述。
(1)智能汽車(chē):對汽車(chē)的踩油門(mén)、松油門(mén)過(guò)程用鍵盤(pán)上的“按下、松開(kāi)上移鍵”命令來(lái)控制；脫機時(shí)，將“按下上移鍵、松開(kāi)上移鍵”命令用紅外遙控器上的上下箭頭代替，便于脫機控制。由于紅外線(xiàn)遙控器控制命令以判斷形式出現，須將其加入條件控制結構。其它轉向功能與前進(jìn)類(lèi)似�；A功能完成汽車(chē)的機械行駛前進(jìn)、后退、左轉、又轉，同時(shí)配備相應的指示燈；通過(guò)鍵盤(pán)上的4個(gè)方向箭頭完成在線(xiàn)控制，使用圖形化模塊如表1的在線(xiàn)命令。通過(guò)學(xué)習讓學(xué)生熟悉mBlock軟件界面，學(xué)會(huì )圖形化模塊的拖拽方法和技巧。教學(xué)內容適合小學(xué)5、6年級學(xué)生。應用級在初級基礎上將控制方式改為遙控器控制，實(shí)現脫機運行，模塊指令如表1的脫機命令。由在線(xiàn)命令轉為脫機命令模塊結構簡(jiǎn)單，但加入了選擇判斷，使學(xué)生的思路更加條理，同時(shí)查看對應模塊生成的arduino程序如表1的Arduino代碼，熟悉arduino語(yǔ)法結構。教學(xué)內容適合中高年級學(xué)生。創(chuàng )新能以初級為基礎，加上應用級訓練具有的邏輯思維能力和讀代碼能力，可以創(chuàng )造性地實(shí)現不同功能，當軟件給出的模塊結構不能滿(mǎn)足要求時(shí)，可以在arduino的編輯器IDE手寫(xiě)代碼來(lái)完成。高級階段，每個(gè)學(xué)生的作品不一樣，教學(xué)呈現個(gè)性化，適合大學(xué)生和電子類(lèi)愛(ài)好者。
�。�2）智能紅綠燈：定義一個(gè)變量time用來(lái)計時(shí)，將紅綠燈持續的時(shí)間設置為循環(huán)次數，每次延時(shí)1秒，將變量time值減1，用LED數碼管顯示變量time值，達到計時(shí)效果。假設綠燈持續時(shí)間為30s。教學(xué)內容屬于中級，增加了循環(huán)結構和變量設置，紅綠燈持續功能用循環(huán)結構來(lái)實(shí)現，顯示時(shí)間用變量賦值來(lái)完成。對中小學(xué)生，變量概念不易于理解，可用解應用題時(shí)的設未知數知識點(diǎn)來(lái)變通。對這部分內容的創(chuàng )新可以橫向拓展，由紅綠燈聯(lián)想到路燈、聲控燈、跑馬燈、led顯示屏等。
(3)智能車(chē)庫：設置3個(gè)變量s、x、y、s用于存儲超聲波傳感器測得數據，x存儲搖桿x軸移動(dòng)的距離，y存儲搖桿y軸移動(dòng)的距離；s小于10時(shí)，表示有車(chē)通過(guò)，橫桿抬起，否則，橫桿落下；x大于y表示橫向移動(dòng)，橫桿落下，y大于x表示縱向移動(dòng)，橫桿抬起。其執行arduino程序如下，等待兩秒是保證車(chē)安全通過(guò)。相比上面教學(xué)內容增加兩個(gè)難點(diǎn)：一是邏輯關(guān)系復雜包含順序、選擇、循環(huán)結構的嵌套，在理清邏輯關(guān)系的基礎上才能駕馭；二是熟悉Arduino編程語(yǔ)言語(yǔ)法結構，并用其將邏輯關(guān)系表達出來(lái)。創(chuàng )新應用可在深度上挖掘，設計出更智能化的作品。
4結語(yǔ)
創(chuàng )新教育是一種培養學(xué)生創(chuàng )造與創(chuàng )新能力的新型教育方式，提倡在真實(shí)情境下學(xué)習、從生活中學(xué)習。該次創(chuàng )新教育課程設計內容選自與學(xué)生接觸緊密的智能交通系統，以此為主題展開(kāi)討論，激發(fā)學(xué)生興趣，引導學(xué)生關(guān)注生活，樹(shù)立處處留心皆學(xué)問(wèn)的.學(xué)習理念。創(chuàng )新課程采用項目化的教學(xué)方式，由智能交通系統為中心，向外發(fā)散到智能汽車(chē)、智能紅綠燈、智能車(chē)庫，每個(gè)部分又引出更多的知識點(diǎn)（如，智能紅路燈引出路燈、流水燈、led燈等），豐富創(chuàng )新課程教學(xué)內容，體現知識有用性；創(chuàng )新課程教學(xué)目標區別于傳統課程的知識堆砌[5]，強調知識的橫向縱向聯(lián)系。創(chuàng )新課程沒(méi)有標準答案，每個(gè)學(xué)生的想法都是智慧的萌芽，都會(huì )得到老師同學(xué)的認可，找自己的存在感，參與意識更強烈；更容易保持學(xué)習的激情、增強學(xué)習信心，在學(xué)習的過(guò)程之中更容易生成新的創(chuàng )意。創(chuàng )新課程是課堂教學(xué)的有效補充，將基礎教育獲得的碎片化知識整合，結合實(shí)際加以應用，強調知識的有用性，從而調動(dòng)學(xué)生的學(xué)習積極性，培養學(xué)生的創(chuàng )新、實(shí)踐能力。
參考文獻
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