數學建模思想在小學機器人教育中的應用

姜春霄

（青島市市南區實驗小學，山東青島266071）

數學建模思想在小學機器人教育中的應用

姜春霄

（青島市市南區實驗小學，山東青島266071）

在小學機器人教育中應用數學建模思想，不僅有利于學生已有知識的正遷移，起到舉一反三的效果，更有利于培養學生透過現象揭示本質的洞察能力，也有利于培養學生簡約、嚴密的思維品質。文章介紹了建模思想在機器人學習中滲透的三個方面。

小學機器人教育；數學建模

為了更好的培養學生的思維能力與創新能力，機器人教育已成為部分地區小學信息技術課程的一部分。讓學生經歷采集信息——處理信息——控制動作的過程，領會編程的思想，是機器人教育的主要目標。然而，機器人編程對于小學生來說較抽象、難度較大，實踐中，我們可以借助數學領域的建模思想來使機器人編程變得更容易一些。數學建模是指把現實世界中的實際問題加以提煉，抽象為數學模型，求出模型的解，驗證模型的合理性，并用該數學模型所提供的解答來解釋現實問題。[1]建模思想在編程領域的應用可以理解為把現實世界中的實際問題加以提煉，抽象為程序的模型，并用已有程序模型來解釋與解決實際問題。引導學生把編程思想與實際問題相結合，合理構建程序模型，不僅有利于學生已有知識的正遷移，起到舉一反三的效果，更有利于培養學生透過現象揭示本質的洞察能力，也有利于培養學生簡約、嚴密的思維品質。建模思想在機器人學習中的滲透可以從以下三個方面入手。

第一、從生活入手，把自然語言轉化成程序語言

與數學建模相通，要用程序解決問題，首先需要學會把實際問題轉化為程序問題，即從復雜的現實現象當中抽取問題的主要因素來分析和討論，當學生能夠用程序的語言描述實際問題，程序建模就基本完成。有兩種方法可以培養學生建模的能力：第一種是讓學生把機器人想象成自己，自己完成某個任務所要經歷的過程也是機器人要經歷的過程；第二種是從最簡單的實際生活問題入手，一步步引導學生用程序語言描述問題，循序漸進培養學生構建模型的能力。比如，讓機器人唱一首曲子。學生說，我在唱曲的時候是一個音符一個音符唱出的，機器人也該這么做。如何編寫程序呢？學生說出把發不同音調的發音模塊連在一起，順序執行就能演奏歌曲了。再比如，機器人走一個正四邊形。學生說：我在走正四邊形的時候需要 “前進→轉彎→前進→轉彎→前進→轉彎→前進→轉彎”。教師追問前進多少？轉多少角度的彎？機器人需要用哪些模塊來實現？重復的過程怎么處理？再比如，開發一個簡單的紅綠燈系統，要求五分鐘紅燈過后是一分鐘的黃燈，接著是五分鐘的綠燈。教師提出這樣的問題：如何控制紅燈亮的時間？紅綠燈系統只執行一次嗎？這樣步步引導學生用程序的語言表達實際過程，久而久之，學生就會形成用合理的程序語言來重新描述問題的習慣，建模的方法被應用于編程的過程中，編寫程序不再神秘且越來越容易。

第二、提煉方法，建立并應用解決問題的模型庫

在數學領域，針對不同的問題類型，有與之對應的基本關系式，比如體積公式V=abc、路程速度公式S=vt等等，這些關系式使學生能在解析問題之后快速找到與之對應的解決方法。在機器人教育中，應借助具體的編程實例，把重點放在總結和提煉在實際問題中用到的編程方法，構建解決問題的模型庫。比如，假設機器人要躲避障礙物，那么就需要不斷地判斷前方是否有障礙物，要用永遠循環，而走正方形需要走出四條相同的邊，所以要用多次循環，由多個這樣的實例讓學生理解需要重復做的事件要用循環程序結構；再比如，在鬧鐘程序中，如果光線符合天亮的條件，機器人要奏響音樂，反之，機器人要繼續判斷是否天亮。通過此類實例，學生歸納得出條件判斷的事件用分支結構，符合條件后要做的事情填在“是”的分支，不符合條件要做的事情填在“否”的分支；比如演奏歌曲等一般的程序用順序結構。如此，構建解決問題的基本模型庫，便于學生在遇到實際問題時選擇使用。

第三、設置圖形化模塊，解決問題

在數學中，把現實問題抽象為模型后，需要用模型解答現實問題。對于機器人操作來說，在確定了程序的基本模型之后，最后要編寫程序達成目標。我市小學機器人教育中采用的是VJC能力風暴智能機器人開發系統，該軟件采用圖形化交互式C語言，每一種功能用一個模塊（圖標）表示，學生需要把對應的模塊拖放在程序流程線上連接起來，并對模塊進行設置，完成編程。這種簡單而又功能強大的平臺為學生提供可視化的、情境化的工具，方便學生的思考與操作。在這個過程中，對模塊的設置是重點操作，如果注重歸納總結，同樣有規律可循，可以降低學生操作的難度。比如，在VJC系統中單擊右鍵設置模塊，傳感器模塊一般包含著條件判斷，執行模塊庫中的直行模塊和轉向模塊都可以設置速度和時間。轉向模塊統一把速度設置為100，時間為1秒時，機器人轉動360°，時間為0.5秒時，機器人轉動180°，以此類推等等。完成程序后，可進入VJC仿真系統，檢驗程序的可行性。

總之，機器人教育使信息技術課跳出“軟件培訓”的模式，給學生更多自主創新的機會，有利于培養學生良好的思維品質，是信息技術課程中不可缺少的一道亮麗風景線。本文是基于實踐的討論，數學建模思想在機器人編程中的應用效果還需要進一步的驗證與探索。每一名新時代的信息技術教師，都擔負著深入探討各種教學方法的使命和責任。

[1]袁黎霞，鄭學良.數學建模與數學教學改革[J]，臺州學院學報，2005，6.

（編輯：郭桂真）

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1673-8454（2012）10-0065-02