淺析數學建模思想在小學機器人課程開發中的應用

彭燕?尚傳福

[摘 要]數學建模思想融入小學機器人課程開發，具有很深遠的意義。它不僅有利于教學的展開，幫助學生知識的理解和掌握，更有利于開發學生的創新思維，培養他們的邏輯思維能力以及動手能力。本文在真實的教案基礎上，介紹了建模思想在小學機器人教育中滲透的三個方面。

[關鍵詞]數學建模思想；小學機器人；課程開發

隨著科學技術的發展和社會的進步，機器人教育逐漸走進小學校園。尤其是經濟發展比較好的城市，很多小學都開展了機器人教育，北京初一甚至將科學活動成績2015年納入中考分數，可見小學機器人教育成為小學必修課程是未來的一個趨勢。而小學階段是孩子們數學思維形成的奠基時期，孩子們的學習主要以直觀思維為主，不善于直接的抽象思維和逆向思維。他們所學的數學概念、公理、定理、公式等知識，主要從現實情境中抽象和概括出來的。所以，小學階段是培養學生模型思想的啟蒙時期，在小學教學中貫穿數學建模思想尤其重要。而機器人課程對于小學生來說比較抽象，不利于他們的理解。所以考慮將這兩者有效的結合，這樣滲透著數學建模思想的機器人教育的開展，不僅可以培養學生的建構思想，幫助他們對機器人課程的學習，而且可以更好地培養學生的創新精神、動手能力、發散思維等。本文將引入一個機器人教育中螢火蟲教學的簡略教案（如表1所示），在此基礎上分析數學建模思想在小學機器人教育中的應用。

簡單課堂實錄

1）組織教學：上課，師生問好；

2）課堂導入：一個螢火蟲的MV，學生自己分析螢火蟲的特點；

3）新課講授：（1）講授機器人的歷史，讓同學們討論見過哪些種類的機器人，舉手回答，最后老師展示多元化的機器人；（2）根據螢火蟲一閃一閃的特點，用程序實現LED燈像螢火蟲一樣一閃一閃的；（3）直接使用軟件教學，老師手動教學，然后讓學生練習如何操作軟件；（4）啟動Arduino軟件，老師編寫螢火蟲程序，并上傳；（老師編程思想的分析，機器語言和人類語言的區別，形象的講解）（5）組裝螢火蟲，用USB線連接計算機和機器人，把LED燈模塊和機器人主控板的相應端口用通信線連接起來，展示成果；（6）學生自主練習，并鼓勵同學勇于創新，如換燈的顏色、多個螢火蟲閃爍，并鼓勵同學們展示，對同學們的勇敢與創新給予表揚；（7）總結評價。

表1 螢火蟲的教學設計簡約方案

表1中的教案通過創設情境——引入問題——分析問題——編寫程序——解決問題——總結評價的順序來完成對機器人教育中螢火蟲部分的講解。整個過程看似和構建模型無關，其實其中運用了很多數學建模的思想，具體滲透在以下三個方面：

一、清晰“問題”，抓住問題本質，忽略次要因素

和數學建模相通，我們拿到一個機器人課程，首先要對這堂課所要學習的問題進行研究，聯系生活實際，根據問題的特征，結合研究的目的，找出解決這個問題的關鍵所在。比如上面的課堂導入過程是放一個螢火蟲的MV，學生自己分析螢火蟲的特點。這個過程的主要目的讓同學們找出螢火蟲的特點，結合最后要完成的螢火蟲的制作任務，學生們會注意觀察螢火蟲的最大特點是它的一閃一閃的燈，并且注意閃燈之間的間隔時間是多長更接近螢火蟲的頻率。它無異于我們數學建模思想中的分析簡化問題，找出問題的實質過程。通過這樣的分析，模型假設時，我們可以只抓影響問題實質的關鍵因素，忽略其次要因素，使后面模型求解結果的信度和效度更高。

二、將現實問題轉化為程序問題

將現實問題轉化為程序問題，最后實現機器人功能，需要借助數學知識，通過程序中中已有的數學語言、符號描述對象的內在規律，來搭建積木程序，并做相應的常量和變量的設定。如上面教案中所寫，要同學們根據螢火蟲一閃一閃的特點，用程序實現LED燈像螢火蟲一樣一閃一閃的，即是將中心問題用數學語言把控制燈閃的條件和結論表示出來，在程序中設置相應的變量和時間間隔，從而實現問題的轉化。這是很簡單的程序轉化，然而機器人程序功能所能實現的遠遠不止于此，他可以實現更為復雜的功能，比如，他可以通過條件判斷來實現躲避障礙物，來制作鬧鐘等。

三、結果的檢驗與課程的完善

同數學建模一樣，我們所編輯的程序最終是要回到問題本身來驗證結果的。小學機器人教育也一樣，我們在完成程序的編輯之后，要組裝好機器人，用USB線連接計算機和機器人，把要實現的模塊和機器人主控板的相應端口用通信線連接起來，將編寫的程序上傳到機器人中，觀察機器人是否實現了預期的功能，還沒有完善的地方，可以修改程序重新上傳。

結合以上三點，我們可以了解到創設問題情境是為了吸引學生們的注意，引起學生們的興趣；引入問題是明確我們所要解決的問題；分析問題的過程是在構建模型，找出限制因素，已知信息和各個條件之間的聯系；編寫程序就是將我們頭腦中構建出的模型通過軟件的功能鍵編寫出來；解決問題的過程運用了我們數學建模中的假設檢驗思想，通過不斷地檢驗，不斷地改善達到解決問題的目的；這樣的一堂課下來，不僅培養了學生實際操作能力，創新能力，也提升了學生們的建構思維能力。

參考文獻：

[1]邊勁松.小學開展機器人教育的研究.東北師范大學，2008.

[2]陳修臻.數學建模思想在小學數學教學中的應用研究.山東師范大學，2015.

作者簡介：彭燕（1993-），女，重慶奉節人，本科學生，研究方向：創客教育。

尚傳福（1979-），男，山東萊蕪人，副教授，研究方向：項目管理、創客與機器人教育。

重慶市統籌城鄉教師教育研究中心工作室研究項目，項目編號：JDGZS201502