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)教育而生的低門檻“機器人小車”，是實現(xiàn)跨學科綜合素質(zhì)教育STEAM[1]的載體，借助mBot機器人開展教育是培養(yǎng)學生創(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(fā)的圖形化編程軟件mBlock，通過藍牙直接實現(xiàn)操控mBotAPP。mBlock根據(jù)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(qū)別在于它可以使用軟件mBlock進行二次開發(fā)，在其上加載一些傳感器可以實現(xiàn)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(tǒng),用實例來講述創(chuàng)新課程設計過程。
2智能交通系統(tǒng)分析
課堂以智能交通系統(tǒng)為主題，激發(fā)學生討論，討論結(jié)果形成一個簡單、完整的交通系統(tǒng)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(zhuǎn)彎、倒車，同時用指示燈顏色和不同的聲音區(qū)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(jù)路段車流量設置紅綠燈間隔時間，綠燈結(jié)束后有3s的黃燈閃爍；指示燈亮，并用LED數(shù)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(shù)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(xiàn)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(tǒng)課程設計分基礎、應用、創(chuàng)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(xiàn)，須將其加入條件控制結(jié)構(gòu)。其它轉(zhuǎn)向功能與前進類似�；A功能完成汽車的機械行駛前進、后退、左轉(zhuǎn)、又轉(zhuǎn)，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(nèi)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(xiàn)脫機運行，模塊指令如表1的脫機命令。由在線命令轉(zhuǎn)為脫機命令模塊結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。教學內(nèi)容適合中高年級學生。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)造性地實現(xiàn)不同功能，當軟件給出的模塊結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(xù)的時間設置為循環(huán)次數(shù)，每次延時1秒，將變量time值減1，用LED數(shù)碼管顯示變量time值，達到計時效果。假設綠燈持續(xù)時間為30s。教學內(nèi)容屬于中級，增加了循環(huán)結(jié)構(gòu)和變量設置，紅綠燈持續(xù)功能用循環(huán)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，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(shù)知識點來變通。對這部分內(nèi)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)智能車庫：設置3個變量s、x、y、s用于存儲超聲波傳感器測得數(shù)據(jù)，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(zhí)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(nèi)容增加兩個難點：一是邏輯關系復雜包含順序、選擇、循環(huán)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，并用其將邏輯關系表達出來。創(chuàng)新應用可在深度上挖掘，設計出更智能化的作品。
4結(jié)語
創(chuàng)新教育是一種培養(yǎng)學生創(chuàng)造與創(chuàng)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(chuàng)新教育課程設計內(nèi)容選自與學生接觸緊密的智能交通系統(tǒng)，以此為主題展開討論，激發(fā)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(chuàng)新課程采用項目化的教學方式，由智能交通系統(tǒng)為中心，向外發(fā)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(chuàng)新課程教學內(nèi)容，體現(xiàn)知識有用性；創(chuàng)新課程教學目標區(qū)別于傳統(tǒng)課程的知識堆砌[5]，強調(diào)知識的橫向縱向聯(lián)系。創(chuàng)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(chuàng)意。創(chuàng)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(jié)合實際加以應用，強調(diào)知識的有用性，從而調(diào)動學生的學習積極性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新、實踐能力。
參考文獻
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[2]萬佑紅,將國平.機器人教育與大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)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(shù)教育,2015(8):76-79.
[4]紀欣然.基于Arduino開發(fā)環(huán)境的智能尋光小車設計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(15):161-163.
[5]李丹妍.創(chuàng)客教育：創(chuàng)新人才培養(yǎng)的新路向[J].教育研究與實踐,2016(4):30-34.
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