构建智能机器人课程，实现“流程设计”整合教学

王振强

为了适应社会需求的多样化和学生全面而个性的发展，普通高中各学科课程都在突出注意素质培养、倡导体验参与、开发课程资源、拓展学用渠道等理念，这就要求教师不能满足早期简单的教育模式，必须在教学中勇于改革创新，进而引导学生创新与实践，培养他们分析问题、解决问题的能力。笔者在多年的教学实践中发现利用好智能机器人这一平台，不仅可以加深学生对高中《通用技术》《数学》《信息技术》中与“流程设计”模块相关的内容的理解，还能充分培养学生延展知识、解决问题的创新能力。

高中信息技术学科课程相关模块内容与问题

1.高中数学相关教学内容与问题

高中数学必修3第二章“算法初步”在讲述算法、流程图等概念时，基本是以学生熟悉的初中数学知识为背景，如1.l小节例2给出求解方程组的算法，1.4小节讲述的“算法案例”中的案例——设计解决“韩信点兵——孙子问题”的算法等。数学课中，学生都比较熟悉这样的编排，理解课程内容、完成课后习题也没有什么问题。但如果要学生把课堂上所学的算法思想应用到实践中，并用这种思想去分析问题、解决问题，似乎就缺少了一条有效沟通的途径。实践中，教师大多只是为了完成教学任务，很少注意也很难做到把学生所学的知识与实际沟通，因此也很难最大化地发挥教学效果。

2.高中通用技术相关内容与问题

相对而言，普通高中通用技术《技术与设计2》中相关模块是比较贴近实际的。例如，笔者在第一小节以“回家拿钥匙开门的过程”为例引入“流程”的概念，在以后的教学中也都是引用生活和生产实例来说明相关问题，如“流程设计举例”中以“小铁锤的加工设计”为例，“流程优化”中以“校办厂的机械设备修理流程”为例，“成本优化”中以“某配送中心的配送线路图”为例等，课后要求学生参与的综合实践题目是“可拆家具的组装”“垃圾处理工作流程的改进设计”等。学生根据平时的感官体验和生活经验能够体会到这些问题，对书本上的内容也不难理解。正是由于书上所举的例子都是来源于生产生活，而这些例子在实际生活中的流程一般是固定的，即使有改进的地方，也都是不影响大局的修修补补，所以学生很难体会到流程缺失以及在总体结构上改变流程所引起的后果。况且通用技术课在高中教学中课时有限，因而大多数教师都没有足够的时间让学生在实践中检验所学的知识。

3.高中信息技术相关内容与问题

在信息技术中，学生根据所达成的目的将问题转化成熟知的模型，从而确定算法，然后用某一种程序语言实现，并设计编写程序在计算机上调试运行，再进一步观察结果是否报错。学生对程序设计重要性的理解与感受大多限于计算机虚拟“游戏”的层面，而不能提升到现实应用场景中。虽然有熟悉的数学模型，有现实的背景，但是程序一发生变化，学生就容易脱离实际，不会处理，而且很多错误的程序在执行后会产生怎样的结果学生也难以预料。

以上几个学科的教学问题在引入了可在短时间内实际操作的智能机器人这一平台后，教学效果得到了明显的改善。就“流程设计”而言，要观察改变某一个流程前后的执行结果，用通用技术中的实际案例通常比较慢（有些要几天甚至几个月），信息技术和数学中相应例子的流程变化虽然快速，能在课堂上短时间内完成，但不够直观，也不一定符合实际情况，学生也无法深入地掌握。而智能机器人的流程设计在一定程度上可以克服以上弊病，极大地提高学生学习程序（流程）设计的积极性和实际效果，值得教师在教学中大力研究、探索、推广。

高中智能机器人课程内容与目标

1.智能机器人学习原理

智能机器人的学习是以解决具体问题的学习方式进行的。学生运用已有的知识，成功地寻找达到目标的手段或途径，在解决具体问题的过程中达到学习目的。机器人由数百种零散的零件所组成，结构设计大多采用标准件、通用件，在机器人组装设计时教师可以给学生发挥想象的空间。学生根据要完成的具体任务，用这些零件拼装成造型各异的机器人，拼装出来的机器人身体要灵活，探测灵敏度要高，还要结实能经得起碰撞。机器人的形状没有固定模式，这样可以促使学生充分调动创造性思维。机器人拼装好后，学生使用机器人所选用的LOGO、Qbasic、VB、C/C++、汇编等程序语言，以及可视化的模块化编程平台进行编程，编译完成的程序可以下载到机器人相关核心处理器中。当机器人脱离计算机后，就可以根据程序指令以及周围环境的不同来行动，实现完全智能化。当然，如果机器人没有按照预先设定的程序完成预定任务，就需在计算机上修改原程序，再通过机器人下载后进行测试，直到机器人完全按要求完成任务为止，其具体原理如图1所示。

2.高中智能机器人课程目标

用计算机编写的程序可以是代码的形式也可以是框图的形式，编程就像设计流程图一样，学生易于接受，并在短时间内就能学会。在此过程中，学生可以：①理解机器人的本质与基本工作原理，拓展知识面，从而更深层次地理解现代社会中的伦理道德。②理解程序设计中的算法思想，学习程序设计的基本方法和技巧，体会用计算机解决问题的一般过程。③通过设计、组装具有不同功能、结构的机器人系统，了解机器人的机械结构、驱動系统、控制系统、感觉系统、通讯系统等基本结构原理。④通过竞赛、展示等活动，了解机器人的功能、应用领域、应用方法，培养团结协作意识、竞争意识，获得成功的体验。

高中智能机器人教学探索

现在用于教育领域的智能机器人有很多，如西觅亚公司代理的乐高（LEGO）机器人、上海未来伙伴机器人有限公司能力风暴教育机器人、广州中鸣科技有限公司电脑机器人等。各地区习惯使用的机器人各不相同，但其设计思想和操作方法大同小异，下面笔者以广州中鸣科技有限公司的模块式循迹机器人为例对其进行探讨。

如果要组装一个能自主沿着黑线行走的典型作品“循迹智能车”，则需要以下步骤。

1.规划

组装一个可以转弯行走的路径模型，可以探测前进道路上有无黑线（能否反光），根据预定程序发出指令，控制电机转向和转速。

2.组装

①组装车身；②安装车轮；③安装万向轮；④安装双光反射传感器；⑤安装电池盒和控制电路主板；⑥连接控制电路。图2为机器人简图。

3.编程

安装完成后，就可以用套件中提供的开发环境进行控制程序的设计了。程序由“程序开始”通过流程线连接若干命令到“程序結束”构成一个控制程序。用鼠标点击选中的命令，不要松开鼠标，将其拖到流程线附近，此时流程线会变成红色，松开鼠标左键，该命令就插在流程线中。学生可以根据自己的设计将各个命令块逐个拖到流程线中，就构成了一个完整的程序。对程序较了解的学生还可以采用代码的界面来完成程序的编写。循迹智能车部分程序如图3所示。图中每个模块都可以从左边列表中拖出，经过简单修改就能达成要求。最后，通过专用数据线把程序下载到控制器的RCU主处理器上就可以了。

4.调试

将程序下载到循迹智能小车后，看看小车是否能循迹前进，如果不成功，则检查控制电路板连接是否正常、程序设计是否正确，直至工作正常为止。

小车的组装过程要求学生熟悉套件中各部件的结构、作用，只有这样才能正确地确定设计方向，选择必要的零件；连接电路要求学生熟悉传感器的作用，熟悉控制电路主板接口和传感器的关系；程序设计部分能充分反映学生对算法（或流程设计）的掌握程度。由于程序设计的开发环境实现了图形化，所以学生在熟练掌握了基本操作后，可以在数分钟内对程序进行修改。由机器体现出修改前后的变化，能使学生直观地掌握流程设计（算法）的思想，并使其在解决问题的过程中得到历练。

总结

社会不断发展，科技不断进步，如果教师仍然停留在陈旧的教育理念上，认为教师是课程的实施者、执行者，只想准确无误地领会课程设计者的思想，忠实地、无条件地履行既定的课程方案，这就忽视了自身在课程开发中的主观能动作用，缺乏创新精神，无法完成对学生创新意识、创新能力的培养。因此，教师应努力把教材作为课程资源来使用，根据自身实际创造性地使用教材，整合相关课程资源，利用现代科技手段开发教学资源，特别是以机器人为主的智能化设备，可以为高中多学科提供不同的学习内容与学习形式，而这些先进技术都是学生未来必须要掌握的。教师要把它们融合到学科教学中，让学生感受到课堂的魅力，体验到技术及创新的价值。