利用机器人中的物理知识激发学习物理的兴趣

林镜棍

近几年，人工智能发展迅速，其中机器人在我们生活中随处可见，如扫地机器人，炒菜机器人等，机器人运用了很多物理知识，所以可以借助机器人的一些相关物理知识来引起学生学习物理的兴趣，提高物理成绩，同时也可以培养学生的科学素养。我在上课之前先上网购买了一些与物理知识有关的零件和一些现成的机器人组装配件，如传感器和光感小夜灯等，当我教到相应知识点的时候就把它用于课堂上，并解释这些零件的原理和在机器人中的应用，下面是我这几年积累的一些经验与大家分享。

一、力与机械运动在机器人中的应用

在高一学习力与机械时，先让学生学习力学基础知识：力的效果、力的三要素、二力平衡;简单机械（斜面、楔形、螺旋、杠杆、滑轮、轮轴）;常用传动装置（齿轮啮合、皮带传送、传动链）;再举生活实例建构模型如：秋千、跷跷板、打蛋器、奇怪的时钟、起重机、烤肉架、手动风扇、履带车等。接着解释模型用到的知识：秋千（用到三角形稳定性、三角形实例、能量转换）; 跷跷板（杠杆五要素、杠杆平衡条件、杠杆分类）。讲这些知识时可以联系机器人的知识了，机器人的结构、运动系统及能量的转换传输等都与杠杆作用有着莫大的联系。机器人的运动方式大致分为腿和轮胎两种。轮胎这种方式灵活性大、组织起来也较为方便，因而被广泛使用。而制作机器人选择轮胎的知识点就是摩擦力知识，传统教学中，摩擦力是一个非常抽象且不容易理解的内容。课堂中拿出机器人之后很多知识点就有了具体的例证，这部分的学习也就化抽象为具体，让学生自己观察、解释相关的物理知识。

二、电磁知识在机器人中的应用

在高二学习磁学知识时，先学习电学常识（电的发展、电路、串联并联电路、欧姆定律），磁场知识（磁体互相作用规律、电磁感应、变压器、电动机、发电机等）。学习这些知识同时拿出机器人解释这些知识用在哪，机器人身上主板上有用到很多电学知识，如电源、串并联电路，用到电阻、电容、可变电阻等，电动驱动器（电机）。指出电机和发电机给学生观察，细心的学生经过比较就会发现二者的有完全一样的内部结构，不同的在于外界提供电源时线圈在磁场中运动，而外界提供传动力时线圈中出现感应电流。接着可以设问：若是电动机的线圈先转动会不会让发电机发电呢？然后拿出两个一样的电动机并将二者连接，先将其中一個电动机带动产生旋转，学生可以很快的发现另外的一个电动机可开始运转。这就足以说明电动机与发动机的构造是相同的，其不同的地方在于能量的转化方向不一样。在教学中为学生演示这一实验，看到学生惊讶的表情便知道这一知识点已被他们记住，且留下了深刻的印象。由此可见，物理科学知识与人工智能的结合对于课堂教学是事半功倍的。

三、传感器在机器人中的应用

在高三，我们加强了下面知识的学习：（1）简单逻辑电路相关知识;（2）电子技术相关知识-热敏传感器、光敏传感器、红外线传感器、干簧管等元件的特性。（3）电路的组成和简单的串、并联知识。会设计简单的自动控制电路。而传感器在机器人中是非常重要的，传感器就是机器人的感觉器官，机器人工作时，电脑根据传感器获得的信息控制机器人动作。如：视觉传感器是机器人的“眼睛”，它可测量物体的距离和位置，识别物体的形状、颜色等特性;温度传感器相当于人的皮肤，机器人通过它感知环境温度的变化;移动机器人在工作时，采用距离传感器检测障碍物的位置，告诉机器人及时躲避，确保工作安全，如果这种传感器用于汽车上，将可大大提高汽车的安全系数。其它还有嗅觉、听觉、味觉传感器等。解释完后拿出扫地机器人让学生观察，智能扫地机器人，它包含许多物理知识：智能扫地机器人通过电动机旋转产生高速气流，将灰尘、杂物吸入集尘盒;其轮子的防滑皮采用凸凹材质制成;底部安装有塑料刷，在运动中与地面摩擦而带上电，吸引地板上的灰尘及轻小物体，达到清扫的目的;前端装有感应器，通过发射、接收超声波或红外线来侦测障碍物。当剩余电量减为电池容量的20%时，机器人会主动寻找充电器充电 .当关闭电源时，机器人由于惯性不能立即停下来。

每次学生都非常兴奋，主动去观察并提出一些问题，学生都喜欢上这样的物理课，课堂气氛非常活跃，学习效果也很好，也对物理产生了浓厚的兴趣，同时对物理成绩的提高也有很大的帮助。

责任编辑 徐国坚