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機器人創新課程設計探析論文

實用文 時間:2021-08-31 手機版

機器人創新課程設計探析論文

  1mBot機器人介紹

  mBot是一款為素質教育而生的低門檻“機器人小車”,是實現跨學科綜合素質教育STEAM[1]的載體,借助mBot機器人開展教育是培養學生創新能力的有效途徑[2]。mBot機器人分為硬件和軟件兩個部分,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,同時配有一個簡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]開發的圖形化編程軟件mBlock,通過藍牙直接實現操控mBotAPP。mBlock根據需求編制一個程序,將其下載到mCore,由mCore控制mBot機器人完成動作。mBot機器人與智能玩具的區別在于它可以使用軟件mBlock進行二次開發,在其上加載一些傳感器可以實現不同的功能。該次課程設計用3個mBot機器人模擬制作一個智能交通系統,用實例來講述創新課程設計過程。

  2智能交通系統分析

  課堂以智能交通系統為主題,激發學生討論,討論結果形成一個簡單、完整的交通系統由3個部分組成智能汽車、智能紅綠燈、智能車庫。具體功能如下描述。(1)智能汽車,用mBot機器人模擬汽車的行車過程,前進、左右轉彎、倒車,同時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;車上安裝超聲波傳感器,便于安全倒車;汽車的行駛過程用遙控器控制。(2)智能紅綠燈,根據路段車流量設置紅綠燈間隔時間,綠燈結束后有3s的黃燈閃爍;指示燈亮,并用LED數碼管顯示剩余時間。在mBot機器人的主控板mCore上安裝兩個設備,一個是LED燈作為紅綠燈使用;另一個是4位數碼管用來顯示紅綠燈時間,用RJ25接口線將兩設備與主控板連接。(3)智能車庫,用超聲波傳感器來檢測有無車輛入庫,若有,則用舵機控制橫桿抬起,若無,則橫桿落下。若在超聲波出現故障時,則用機械遙感手動控制橫桿起落。mCore主控板接3個設備:一是超聲波傳感器,用來檢測門前有無車輛;二是遙感,便于應急時手動控制;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、創新3個階段來講述。

  (1)智能汽車:對汽車的踩油門、松油門過程用鍵盤上的“按下、松開上移鍵”命令來控制;脫機時,將“按下上移鍵、松開上移鍵”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類似。基礎功能完成汽車的機械行駛前進、后退、左轉、又轉,同時配備相應的指示燈;通過鍵盤上的4個方向箭頭完成在線控制,使用圖形化模塊如表1的在線命令。通過學習讓學生熟悉mBlock軟件界面,學會圖形化模塊的拖拽方法和技巧。教學內容適合小學5、6年級學生。應用級在初級基礎上將控制方式改為遙控器控制,實現脫機運行,模塊指令如表1的脫機命令。由在線命令轉為脫機命令模塊結構簡單,但加入了選擇判斷,使學生的思路更加條理,同時查看對應模塊生成的arduino程序如表1的Arduino代碼,熟悉arduino語法結構。教學內容適合中高年級學生。創新能以初級為基礎,加上應用級訓練具有的邏輯思維能力和讀代碼能力,可以創造性地實現不同功能,當軟件給出的模塊結構不能滿足要求時,可以在arduino的編輯器IDE手寫代碼來完成。高級階段,每個學生的作品不一樣,教學呈現個性化,適合大學生和電子類愛好者。

  (2)智能紅綠燈:定義一個變量time用來計時,將紅綠燈持續的時間設置為循環次數,每次延時1秒,將變量time值減1,用LED數碼管顯示變量time值,達到計時效果。假設綠燈持續時間為30s。教學內容屬于中級,增加了循環結構和變量設置,紅綠燈持續功能用循環結構來實現,顯示時間用變量賦值來完成。對中小學生,變量概念不易于理解,可用解應用題時的設未知數知識點來變通。對這部分內容的'創新可以橫向拓展,由紅綠燈聯想到路燈、聲控燈、跑馬燈、led顯示屏等。

  (3)智能車庫:設置3個變量s、x、y、s用于存儲超聲波傳感器測得數據,x存儲搖桿x軸移動的距離,y存儲搖桿y軸移動的距離;s小于10時,表示有車通過,橫桿抬起,否則,橫桿落下;x大于y表示橫向移動,橫桿落下,y大于x表示縱向移動,橫桿抬起。其執行arduino程序如下,等待兩秒是保證車安全通過。相比上面教學內容增加兩個難點:一是邏輯關系復雜包含順序、選擇、循環結構的嵌套,在理清邏輯關系的基礎上才能駕馭;二是熟悉Arduino編程語言語法結構,并用其將邏輯關系表達出來。創新應用可在深度上挖掘,設計出更智能化的作品。

  4結語

  創新教育是一種培養學生創造與創新能力的新型教育方式,提倡在真實情境下學習、從生活中學習。該次創新教育課程設計內容選自與學生接觸緊密的智能交通系統,以此為主題展開討論,激發學生興趣,引導學生關注生活,樹立處處留心皆學問的學習理念。創新課程采用項目化的教學方式,由智能交通系統為中心,向外發散到智能汽車、智能紅綠燈、智能車庫,每個部分又引出更多的知識點(如,智能紅路燈引出路燈、流水燈、led燈等),豐富創新課程教學內容,體現知識有用性;創新課程教學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系。創新課程沒有標準答案,每個學生的想法都是智慧的萌芽,都會得到老師同學的認可,找自己的存在感,參與意識更強烈;更容易保持學習的激情、增強學習信心,在學習的過程之中更容易生成新的創意。創新課程是課堂教學的有效補充,將基礎教育獲得的碎片化知識整合,結合實際加以應用,強調知識的有用性,從而調動學生的學習積極性,培養學生的創新、實踐能力。

  參考文獻

  [1]梁森山.中國創客教育藍皮書[M].北京:人民郵電出版社,2016.

  [2]萬佑紅,將國平.機器人教育與大學生創新能力培養的探索[J].電氣電子教學學報,2005,27(4):6-8.

  [3]王同聚.Scratch與機器人共融在教學中的應用與實踐——以中小學機器人教學為例[J].中小學信息技術教育,2015(8):76-79.

  [4]紀欣然.基于Arduino開發環境的智能尋光小車設計[J].現代電子技術,2012,35(15):161-163.

  [5]李丹妍.創客教育:創新人才培養的新路向[J].教育研究與實踐,2016(4):30-34.

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