水中机器人软件在小学编程教学中的作用

过震

为贯彻落实《国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知》精神，加快普及中小学编程教育，不断激发中小学生编程兴趣，努力培养中小学生勇于探索的创新精神和解决实际问题的实践能力，信息技术教师必须充分认识到编程教育在大数据、云计算、人工智能中的重要作用。笔者所在学校开展的机器人编程教学在原有Scratch编程教学中加入了场景功能模块，使学生能够更直观地用程序设计的思维去分析、解决生活中的实际问题。

随着陆地资源的逐渐匮乏，人们开始对海洋进行开发和研究。作为开发海洋资源的重要工具之一，水中机器人可以代替人们在海洋中完成一些高难度高风险的水下探测及水下作业。下面，笔者结合KenFish机器人软件浅谈其在小学信息技术编程教学中的作用。

KenFish机器人软件在编程中的教学目标与作用

①了解国际水中机器人的发展现状和水中机器人发展的根本原因是为人类解决水下环境中所遇到的问题。了解中国是继美、法、俄、日之后世界上第五个掌握大深度载人深潜技术的国家，消除小学生对水中机器人的神秘感，为进一步学习水中机器人有关知识打下认知基础。

②掌握水中机器人程序调试及下载的方法，了解水中机器人基本结构（各种传感器和驱动装置的作用）、运动特点和控制方式。了解水中机器人是怎样通过KenFish图形仿真控制软件进行图形化编程的，进而培养科学高效的符合小学生编程的思维方式，提高编程逻辑思维能力，提高小学生在编程中分析问题和解决问题的能力。

③通过完成模拟场景任务，学生在水中巡检机器鱼的学习过程中应用仿生学技术模拟鱼类的游动方式，在组装调试水中巡检机器鱼过程中培养动手创造、团队协作能力和与编程相关的思维能力。

普及中小学编程教育的核心是提高学生综合应用编程语言的水平和能力，只有让学生了解相关机器人的结构和功能、原理和使用方法，才能提高学生应用机器人的学习效能。

KenFish机器人软件能有效激发小学生学习编程的兴趣

程序是机器人的灵魂，让小学生通过为机器人编写程序来学习编程知识是程序设计学习的最好途径。小学生的思维特点是以直观形象思维为主，并逐步过渡到抽象逻辑思维，所以往往对学习传统型编程语言感到枯燥乏味，也降低了对编程语言学习的兴趣。但KenFish机器人软件中的场景模拟任务，会极大地促进学生为机器人编写程序的参与度。学生通过对场景模拟任务的分析与程序编写，团队合作分享交流，进而凸显主体性，从而获得成功的喜悦、建立成功的信心，激发程序设计学习的兴趣。

KenFish机器人软件采用的是图形化编程界面（如下页图1），学生不仅不用面对一些单调乏味的编程语言，还可以利用其硬件设备即时检验编程的效果（如下页图2）。同时，KenFish机器人软件采用了贴近生活的场景主题任务，为程序设计的学习增添了趣味性。因此，KenFish机器人软件相比传统的程序设计语言能够大大提高小学生学习程序设计语言的兴趣。

KenFish机器人软件有助于强化图形化编程思维

程序设计中最重要的是学习程序算法和编程思想。在小学阶段，小学生学习编程重点应以体验为主，通过游戏化教学、项目式教学等形式，理解程序设计的基本概念和结构，注重运用图形化的编程思维去分析问题、解决问题。在使用水中机器人的程序设计教学中，KenFish机器人软件能够为程序设计教学营造良好的编程实践环境，学生在编写程序后，能从水中机器人的水中运动姿态得到即时反馈，再根据相关运动姿态反馈不断修改坐标系和参数，从而完善程序。这样，学生就在KenFish机器人软件图形化编程的人机交互过程中实现了对“编程思维”的不断理解和强化。

以水中机器人“石油管道巡检”为例，水中部分放置了礁石模型若干，设置了漏油点若干和弯道若干，机器人需要具备转弯循线能力、丁字管道和十字管道的判断能力。在场景模拟任务下，仿鱼水中机器人需要从管道起点出发，沿着白色管道行走，遇到漏油点进行识别，并执行修复动作（修复动作自行设定，如点亮LED灯进行提醒和控制舵机等，但不限于上述动作），然后继续前进；遇到弯道时，水中机器人应该调整运动姿态通过弯道，然后继续前进；水中机器人在游动和转弯时应避免碰撞到礁石模型，最终水中机器人在水中管道末端触动触发机构，水中循检任务完成。

学生需要先分析仿鱼水中机器人巡线时会出现的情况，然后运用编程思维，通过编写程序实现循检任务。如果仿鱼水中机器人起始运动姿态向左，仿鱼水中机器人2号红外避障传感器检测到障碍物且5号红外避障传感器没有检测到障碍物时，学生编写重复循环语句执行：尾鳍舵机的运动姿态向右摆70度，摆动速度15档，延时100毫秒；直到1号红外避障传感器检测到障碍物且2号红外避障传感器也检测到障碍物，然后修正尾鳍舵机的运动姿态向左摆70度，摆动速度15档，延时100毫秒。如果仿鱼水中机器人起始运动姿态向右，仿鱼水中机器人5号红外避障传感器检测到障碍物且2号红外避障传感器没有检测到障碍物时，学生编写重复循环语句執行：尾鳍舵机的运动姿态向左摆70度，摆动速度15档，延时100毫秒；直到5号红外避障传感器检测到障碍物且4号红外避障传感器也检测到障碍物，然后修正尾鳍舵机的运动姿态向右摆70度，摆动速度15档，延时100毫秒。

仿鱼水中机器人沿白色管道巡线的程序主要用到的是循环语句和逻辑语句，学生只有通过传感器控制分析，才能充分考虑各种情况，在理解这些传感器功能模块基本结构及作用后，通过编程实现仿鱼水中机器人巡线程序。因此，学生利用KenFish机器人软件学习程序设计，其图形化的编程界面能帮助其运用逻辑思维分析问题，其场景模拟任务能形象直观地引导学生用编程思维解决问题，从而有助于培养小学生图形化编程的思维。

KenFish机器人软件有助于激发学生的创新思维

机器人课程特点主要体现在以下几个方面：创新性、综合性、开放性、发展性、实践性。程序设计学习是一种培养创新思维的学习。在程序设计中，达到目标任务的编程方法是多种多样的，学生可以充分发挥创新性，以不同的编程方法去实现。即使是一个简单程序的实现，从分析、设计、调试到最终实现，都是一个创造性的过程。

KenFish机器人软件在创新思维培养的设计上也有所体现。软件提供了执行、传感、逻辑、循环、数学、文本、列表、颜色、变量、函数等编辑功能，使整个程序设计具有开放性，这有助于培养小学生的发散思维，激发学生的创新思维。

例如，某竞赛中的“石油管道巡检”竞赛主题，仿鱼水中机器人在指定时间内沿着白色管道行走，遇到漏油点进行识别，并执行修复动作。在编程教学中，学生可以根据竞赛的内容和规则，利用软件的文本编辑功能编辑出场景模拟地图，依据此地图，考虑仿鱼水中机器人以何种运动姿态，尾部舵机以何种摇摆速度和角度控制才能最快到达漏油点进行维修。

竞赛规则中允许仿鱼水中机器人离开白色管道行驶，大大增加了程序设计的开放性。竞赛中，有的学生使用多组光电传感器来完成任务，有的学生还想出了仅靠程序姿态手动调整进行巡管，充分体现了小学生编程中的创造性。因此，具有开放性特点的仿鱼水中机器人软件在程序设计教学中能够激发学生的创新思维，让学生创造性地运用编程知识去解决问题。

结束语

KenFish机器人软件能够激发小学生的编程兴趣，符合小学生认知特点，把此款软件应用到小学编程教学中，能够提高学生学习程序设计的兴趣，有助于激发学生的编程创新思维。因此，KenFish机器人软件可成为小学编程教育的新载体和教学平台。

参考文献：

[1]邢进.水下机器人运动姿态控制技术的研究[D].济南：山东科技大学，2008.

[2]赵彦飞.水下机器人运动姿态控制技术研究[D].西安：西安工业大学，2018.

[3]罗朝猛.“编程教育”：日本中小学的必修课[J].教书育人：校长参考，2018（2）29-30.

[4]董德礼.基于图像化编程的教学机器人研究与设计[D].上海：上海交通大学，2011.