基于案例的中小學機器人教學策略

李貌

機器人技術融合了機械原理、電子傳感器、計算機軟硬件及人工智能等眾多先進技術，是中小學開展創新教育的良好載體。

目前，深圳市大力支持創客教育，各學校紛紛根據自身的實際情況，結合現有的師資力量，選擇合適的項目加以開展，其中，機器人教育是一個較為受關注的突破點。下面的兩個教學案例是筆者在開展機器人教學過程中較具有代表性的案例，內容是海天教育出版社出版的信息技術教材七年級下冊中的內容，兩個競賽案例均為目前比賽中流行的循跡模塊的應用。筆者在教授機器人課程時曾對現行課程作了二次開發，在現有的課程上有所拓展，現分述如下。

● 《智能節能扶梯》教學案例

2011年5月，筆者在深圳市“機器人進課堂”觀摩研討會上上了一堂公開課，將自己的想法作了案例分享，具體教學思路如下：

學習背景：各地鐵、商場常見的自動扶梯沒人的時候也在轉，這樣很費電。設計一個節能扶梯，有人的時候就轉，沒人的時候就停。

需求分析：設計扶手電梯，解決方案中需考慮如下幾項技術問題：①扶梯上有人就自動運行，將人運送上樓梯就自動停止；②每個人在樓梯上停留的時間未必是一樣的，有人趕時間可能在樓梯上行走，這樣就縮短停留時間；③扶梯雖然設計為只能從下往上運輸乘客，但作為公共措施，也需考慮有人逆行。

其中①必須考慮，另外兩項盡可能考慮，項目設計得越人性化，距離現實應用就越近。

設計方案：①在入口處安裝一個人體紅外傳感器，一旦感應到有人，就運行30秒。在30秒之間，持續檢測是否有人跟上，若有人跟上，則跳出程序，重新開始，再運行30秒。缺點是未能考慮第二項，且人數較多時不實用，若兩人并排進樓梯分別出，則第一個人出即停止。②通過判斷電梯上的人數來控制電梯的運轉。如果人數大于零，則電梯運行；等于零，則電梯停止運行。入口和出口處各用一個人體紅外傳感器。程序設計時設置變量初始值為0，入口處每進1人，則變量加1，出口處每出1人，則變量減1。判斷變量是否大于零。缺點是未能考慮第三項，且人數較多時不實用，若有人并排進電梯，則計數只算一次，導致計數錯誤。③采用重力感應。在扶梯的每個踏板下方都安裝一個觸動傳感器，只要有人上，踩動踏板觸動傳感器感應到信號，則電梯啟動，一旦離開則停止。此方案考慮比較周全，程序設計也簡單直觀，容易理解，但是模型搭建不夠直觀。

模型制作：團隊成員討論，提出自己的方案，比較設計方案的優缺點并選擇。學生可根據自己的興趣和能力，自主選擇設計方案，并基于方案著手搭建模型（如圖1）。

● 《導盲機器人的制作》教學案例

本課是關于軌跡識別傳感器的應用，要求學生通過編程和搭建，讓導盲機器人按規定路線完成一次按軌道行走，先通過仿真系統展示，然后在實際場地中加以調試，其教學過程如下：

學習背景：很多城市馬路兩旁的人行道上，都鋪設有帶有顏色的盲人專行道（如圖2）。盲人看不見盲道，有什么辦法可以設計出一個導盲機器人，幫助盲人順著盲道安全行走呢？

需求分析：要求導盲機器人能始終沿盲道前進，不能偏離。

設計方案：用軌跡來模擬盲道，利用軌跡變量來進行識別。必須先判斷機器人的位置，再采取對應的策略。若在白線的左側，則右拐行駛，偏右則左拐，不偏就直行。如圖3所示，當導盲機器人位于白線的左邊緣時，右側的軌跡識別傳感器探頭就可以檢測到白線，這時軌跡變量的返回值為2。當導盲機器人位于白線的右邊緣時，左側的軌跡識別傳感器探頭就會檢測到白線，軌跡變量的返回值為1。當導盲機器人正位于白線上時，左右兩側的軌跡識別傳感器探頭將同時檢測到白線，軌跡變量的返回值為3。當機器人不在白線上時，左右兩側的軌跡識別傳感器探頭將同時檢測不到白線，軌跡變量的返回值都為0，判斷之后機器人就可以采取相對應的策略。

模型制作：團隊成員討論，并設計出程序，仿真成功之后搭建模型，并以社團活動的形式開展競賽。

本課的教學要點在于讓學生明白如何利用軌跡識別來判斷機器人與軌跡的位置，通過判斷機器人的位置從而采取相應策略，如果機器人起始的時候就并沒有放置在軌跡上，能否讓機器人自動尋找軌跡呢？

導盲機器人拓展之自動尋軌跡的方案：

問題：能否讓機器人自動尋找到軌跡呢？

方案一：當條件判斷中軌跡變量等于0時，用變量來控制直行的時間，每次直行都多出0.1s來擴大尋找的范圍（如圖4）。

方案二：條件判斷中當軌跡變量等于0時，加入一個尋找軌跡的子程序（如上頁圖5）。

當軌跡變量為1或者2、3時，只要探測到軌跡，就將變量歸零，同時跳出子程序，運行主程序。若探測不到軌跡，則繞圈尋找。注意體會這里是用變量來控制直行的時間。變量越來越大意味著繞圈越來越大。這時可以組織學生再進行拓展。

做好機器人模型之后，仿真成功，但在場地上測試時往往還會出現脫軌現象。這個時候教師可以提出如何進行程序上的優化，加強學生對理想仿真環境與現實的區別的認識。

由于軌跡識別傳感器有4個返回值，所以在某些比賽中往往會設置機器人走軌跡的任務。在循跡的過程中完成探測、運輸、接力、滅火、避障等相關任務。在完成任務的同時，要求機器人所用的時間盡可能的短。在仿真環境中，機器人只要檢測到軌跡就不可能脫軌，實際調試的時候涉及實體機器人的搭建，實體機器人如果速度太快，或者機器人左右電機運轉速度不一致而沖出軌跡，回不到軌跡上，將會導致任務失敗。要想精益求精的話，除了機器人搭建結構要合理，程序上也要做些優化，使之既能讓機器人保持全速前進，又能防止其脫軌，或者讓其在脫軌的第一時間返回到軌跡上。

筆者相信，教師們若能借鑒機器人教育的相關成功案例，探索適合自身教學的發展途徑，必定能有所收獲。endprint