利用機器人中的物理知識激發學習物理的興趣

林鏡棍

近幾年，人工智能發展迅速，其中機器人在我們生活中隨處可見，如掃地機器人，炒菜機器人等，機器人運用了很多物理知識，所以可以借助機器人的一些相關物理知識來引起學生學習物理的興趣，提高物理成績，同時也可以培養學生的科學素養。我在上課之前先上網購買了一些與物理知識有關的零件和一些現成的機器人組裝配件，如傳感器和光感小夜燈等，當我教到相應知識點的時候就把它用于課堂上，并解釋這些零件的原理和在機器人中的應用，下面是我這幾年積累的一些經驗與大家分享。

一、力與機械運動在機器人中的應用

在高一學習力與機械時，先讓學生學習力學基礎知識：力的效果、力的三要素、二力平衡;簡單機械（斜面、楔形、螺旋、杠桿、滑輪、輪軸）;常用傳動裝置（齒輪嚙合、皮帶傳送、傳動鏈）;再舉生活實例建構模型如：秋千、蹺蹺板、打蛋器、奇怪的時鐘、起重機、烤肉架、手動風扇、履帶車等。接著解釋模型用到的知識：秋千（用到三角形穩定性、三角形實例、能量轉換）; 蹺蹺板（杠桿五要素、杠桿平衡條件、杠桿分類）。講這些知識時可以聯系機器人的知識了，機器人的結構、運動系統及能量的轉換傳輸等都與杠桿作用有著莫大的聯系。機器人的運動方式大致分為腿和輪胎兩種。輪胎這種方式靈活性大、組織起來也較為方便，因而被廣泛使用。而制作機器人選擇輪胎的知識點就是摩擦力知識，傳統教學中，摩擦力是一個非常抽象且不容易理解的內容。課堂中拿出機器人之后很多知識點就有了具體的例證，這部分的學習也就化抽象為具體，讓學生自己觀察、解釋相關的物理知識。

二、電磁知識在機器人中的應用

在高二學習磁學知識時，先學習電學常識（電的發展、電路、串聯并聯電路、歐姆定律），磁場知識（磁體互相作用規律、電磁感應、變壓器、電動機、發電機等）。學習這些知識同時拿出機器人解釋這些知識用在哪，機器人身上主板上有用到很多電學知識，如電源、串并聯電路，用到電阻、電容、可變電阻等，電動驅動器（電機）。指出電機和發電機給學生觀察，細心的學生經過比較就會發現二者的有完全一樣的內部結構，不同的在于外界提供電源時線圈在磁場中運動，而外界提供傳動力時線圈中出現感應電流。接著可以設問：若是電動機的線圈先轉動會不會讓發電機發電呢？然后拿出兩個一樣的電動機并將二者連接，先將其中一個電動機帶動產生旋轉，學生可以很快的發現另外的一個電動機可開始運轉。這就足以說明電動機與發動機的構造是相同的，其不同的地方在于能量的轉化方向不一樣。在教學中為學生演示這一實驗，看到學生驚訝的表情便知道這一知識點已被他們記住，且留下了深刻的印象。由此可見，物理科學知識與人工智能的結合對于課堂教學是事半功倍的。

三、傳感器在機器人中的應用

在高三，我們加強了下面知識的學習：（1）簡單邏輯電路相關知識;（2）電子技術相關知識-熱敏傳感器、光敏傳感器、紅外線傳感器、干簧管等元件的特性。（3）電路的組成和簡單的串、并聯知識。會設計簡單的自動控制電路。而傳感器在機器人中是非常重要的，傳感器就是機器人的感覺器官，機器人工作時，電腦根據傳感器獲得的信息控制機器人動作。如：視覺傳感器是機器人的“眼睛”，它可測量物體的距離和位置，識別物體的形狀、顏色等特性;溫度傳感器相當于人的皮膚，機器人通過它感知環境溫度的變化;移動機器人在工作時，采用距離傳感器檢測障礙物的位置，告訴機器人及時躲避，確保工作安全，如果這種傳感器用于汽車上，將可大大提高汽車的安全系數。其它還有嗅覺、聽覺、味覺傳感器等。解釋完后拿出掃地機器人讓學生觀察，智能掃地機器人，它包含許多物理知識：智能掃地機器人通過電動機旋轉產生高速氣流，將灰塵、雜物吸入集塵盒;其輪子的防滑皮采用凸凹材質制成;底部安裝有塑料刷，在運動中與地面摩擦而帶上電，吸引地板上的灰塵及輕小物體，達到清掃的目的;前端裝有感應器，通過發射、接收超聲波或紅外線來偵測障礙物。當剩余電量減為電池容量的20%時，機器人會主動尋找充電器充電 .當關閉電源時，機器人由于慣性不能立即停下來。

每次學生都非常興奮，主動去觀察并提出一些問題，學生都喜歡上這樣的物理課，課堂氣氛非?；钴S，學習效果也很好，也對物理產生了濃厚的興趣，同時對物理成績的提高也有很大的幫助。

責任編輯 徐國堅