仿真软件在《简易机器人制作》课程教学应用中的思考

来源 :中国教育信息化·基础教育 | 被引量 : 0次 | 上传用户:nyffyn
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   摘 要:《简易机器人制作》作为一门实践性较强的课程,契合了课程改革的要求,日渐被教育界关注。作者将VJC1.5仿真版软件应用到《简易机器人制作》课程教学中,并对该软件在教学应用中的利弊做了初步分析,以期对今后操作性较强的课程教学提供参考。
   关键词:VJC1.5仿真版软件;简易机器人制作;课程教学
   中图分类号:G434文献标识码:A文章编号:1673-8454(2011)02-0067-04
  
   随着科学技术的迅速发展,新技术不断涌现,如何把符合教学特性的新技术更好地应用到教育领域,成为教育工作者的关注焦点。虚拟现实(Virtual Reality)技术不断成熟,利用虚拟现实技术设计开发出许多教学仿真软件,目前,仿真软件在数控编程、电子类、计算机网络等理工科专业课程教学中得到广泛应用。笔者将VJC1.5仿真版软件应用到《简易机器人制作》课程教学中,反思仿真软件在教学应用中的利与弊,以期对类似课程教学提供一点建设性意见。
  
   一、基本概述
   1.《简易机器人制作》课程介绍
  (1)课程名称界定混乱
  《简易机器人制作》是培养中小学生动手实践能力的一门综合实践课程。全国部分中小学校开设该课程,但没有统一的课程名称,部分学校称为《智能机器人》、《机器人制作》等课程名称,[1]本文采用通用技术选修模块2——技术与设计2中的《简易机器人制作》为该课程名称。[2]
  (2)课程开设形式
  我国中小学开设《简易机器人制作》课程主要有两种形式:开设课程形式和课外活动组织兴趣小组,兴趣小组主要以竞赛为主。本文探讨VJC1.5仿真版软件在中小学《简易机器人制作》课程教学中的应用。
  (3)课程特点
  首先,《简易机器人制作》是一门操作性较强的综合课程。该课程由机器人硬件的搭建、机器人活动场地的搭建以及活动程序的编写三部分内容组成。每一部分都要求学生亲自参与,即自主体验性,并要求仔细地观察机器人行为、反复地调整机器人的硬件,不断地调试程序,直到机器人圆满完成任务为止。
  其次,《简易机器人制作》是一门综合性的技术课程。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术。[3]在中小学《简易机器人制作》课程中,要求学生知道单片机和机械传动的基本知识,能设计与制作由单片机和传动机械等组成的简易自动控制机器或简单的自动控制系统。[2]
  最后,《简易机器人制作》是一门培养学生创新精神和实践能力的课程。《2007年全国中小学机器人教学研讨会会议纪要》指出:在教学指导思想和教学目的上,从原来只为竞赛获奖、注重技术技能的掌握、注重一个项目完成的浅层次认识,上升到了培养学生的创新精神和实践能力即人才培养的层次,明确提出了“机器人教学活动不仅培养学生的实践技能技巧,更着眼于促进学生智力发展、思维拓展和综合科学素质提高”的观点。会议经过交流研讨,一致认为机器人教育的目标应该是“提升学生的信息素养和技术素养,培养学生的创新精神和实践能力,促进学生德、智、体、美全面发展”,这个目标应成为机器人教育的指导思想和实践依据。[4]
   通过《简易机器人制作》课程的开设,学生能够自主体验,极大地提高了学生的兴趣;因为该课程的综合性,学生很难单独完成活动任务,通常要求学生协作完成,培养学生的协作精神与协作能力;此外,在仔细观察、反复修改与不断调试过程中,培养学生观察能力,分析问题与解决问题的能力;最终使学生的动手实践能力真正得到提高。可见,《简易机器人制作》课程应该在中小学普及开设,但由于课程的开设需要大量的经费支持,可以考虑通过仿真软件(仿真机器人)与配备较少数量的机器人实现课程开设。
   2. VJC1.5版仿真软件介绍
   目前,机器人仿真软件有RoboWorks、BugWorks2D、Robot Simulator、Camelots Ropsim、Mobile Robot Simulators等等,[5]这里介绍广袤达提供的“能力风暴VJC1.5仿真版”软件。广茂达伙伴机器人有限公司开发的“能力风暴VJC1.5仿真版”(简称“VJC1.5仿真版”),是该公司继“能力风暴VJC1.5开发版”之后又一款强大的开发工具,其编程方法秉承了“VJC1.5开发版”简便易学的图形化编程风格,与“VJC1.5开发版”相辅相成,用户通过“VJC1.5仿真版”软件能理解并掌握“VJC1.5开发版”的使用方法 。同时,用户能在PC机上对程序进行仿真,通过虚拟机器人模拟“能力风暴智能机器人”的行为,从而验证程序的正确性,提高程序设计与调试能力。此外,“VJC1.5仿真版”提供了丰富的程序范例,方便学生学习与提高。[6]但“VJC1.5仿真版”软件也有不足之处,一方面,没有提供仿真环境下机器人硬件搭建平台;另一方面,只提供一种程序编写方法——图形化编程方法,并且编写好的程序不能直接下载到机器人上进行调试。
  
   二、VJC1.5仿真版软件在教学中的应用
  《简易机器人制作》课程是一门实践操作性较强的课程,但需要在对机器人的控制系统、硬件知识有一定理解的基础上再使用仿真软件,才能够深入理解与巩固知识,该课程教学一般采用“任务驱动式”教学方式展开教学。
   1.编写程序
  VJC1.5仿真版软件提供了简便易学的图形化编程方法,同时可以显示JC代码。其程序的编写主要通过对模块的操作来完成,包括对模块的添加、删除、连接以及对模块中参数的调整。VJC1.5仿真版软件提供了四个模块:执行模块、传感器模块、控制模块和程序模块,其中执行模块与传感器模块是核心,其主要功能是用程序驱动机器人硬件部分运转。模块的选择具体由任务来确定。
   2.活动场地的搭建
  在VJC1.5仿真版软件中提供了两种界面,一种流程图界面,另一种仿真界面,活动环境的搭建是在仿真界面下实现的。在仿真界面下,可以通过环境编辑模块来实现具体活动场地的搭建,具体环境编辑模块包括实体、声源、光源和清除,在实体模块中提供了障碍物和图带,根据具体任务,通过修改、调整环境编辑模块中的具体参数实现活动场地的搭建。
   3.任务的调试与仿真
  在完成环境搭建和程序编写之后,接下来进入具体任务的调试与仿真教学环节,此环节是教学过程中的关键环节,通过反复仔细观察仿真结果、不断修改程序的过程,锻炼了学生思考问题、分析问题与解决问题的能力。
  下面以具体一节课案例来介绍VJC1.5仿真版软件在教学中的应用,例如利用VJC1.5仿真版软件编写一段程序、让机器人沿固定路线行走的任务,并完成任务环境的搭建。
  本节课的学习目标:让学生理解掌握灰度检测传感器的功能及灰度检测函数调用。在给学生布置任务之前,教师已经讲解了有关灰度检测传感器的相关知识——主要功能、灰度检测的函数调用等。在了解这些知识的基础上,通过布置相关的任务来加深对知识的理解与应用。在明确任务的过程中,首先根据任务去搭建机器人运行场地,因为机器人运行场地中图带颜色的选择将影响到程序的编写,学生可以发挥想象力去搭建机器人运行场地,思考搭建过程中应该选择哪些环境模块,最终完成机器人活动场地的搭建。机器人沿固定线路行走的活动场地如图所示。
   接下来在分析机器人活动场地和任务的基础上,选择具体模块编写程序,经分析应选择的模块有:执行模块库中的直走、转弯或者马达模块,传感器模块库中有地面灰度检测模块,控制模块中选择所需的循环模块。这些模块是机器人完成任务所必须的模块,另外可以根据需要添加其余的模块,例如机器人到达终点用声音提示或编一首曲子等。在程序编写过程中,应该先检测所选路线颜色的灰度数值,通过调用surface();函数来检测黄色与绿色的灰度数值surf1=43,surf2=85,整个程序通过不断判断绿色的灰度数值决定机器人的行走路线。有了整个分析过程,接下来就是如何把分析思路用程序来展现。本程序可以由出发、沿线走和到达三部分组成,具体机器人沿固定路线行走程序如表所示。
   程序编完之后,最关键最难完成的环节在于,根据仿真的结果不断修改与调试每个模块中的参数,这个过程是比较痛苦的,但也最能锻炼学生思考问题、分析问题和解决问题的能力,最终比较理想地完成任务。
  
   三、仿真软件在教学应用过程中的利与弊
  通过VJC1.5仿真版软件在教学应用中的思考,探析仿真软件在教学应用过程中的利与弊。
   1.仿真软件在教学应用中的优势
  (1)减少教学经费开支
  仿真软件减少教学经费开支是相对的。把所有实践性课程都在仿真环境下实现,提高学生的动手实践能力更是不现实的。仿真环境下可以减少购买实验设备的数量,减少在实验过程中由于学生误操作造成实验设备的损坏及零部件的损坏,原因在于:一方面在学生对整个实验流程比较清晰的情况下,提高实验效率;另一方面,在仿真环境下,学生对知识进行内化,加深对知识的理解,可以减少实验过程中误操作所造成的零部件损耗,从整体上可以减少购买实验设备的经费开支。
  (2)排除实验心理障碍,提高实验效率
  在使用仿真软件的过程中,学生可以大胆尝试实验,不会畏惧危险实验的发生,从心理上减少对实验的畏惧感。此外,在仿真环境下完成整个实验的操作,实际上学生已经对整个实验思路或步骤有了清晰的认识,而且在仿真环境中学生已经有了实验的经验,在真实实验室中进行具体的实验操作当然得心应手,可以避免或排除部分学生畏惧实验的心理,打破部分学生在实验室根本不知道从何下手的局面,尤其对那些没有提前预习实验的学生更有利。仿真软件在课堂教学中的应用,一方面,使学生重新认识实验课程,排除部分学生对实验课程的担忧;另一方面,可大大提高在真实实验室进行操作时的效果。
  (3)加深对知识的理解,提高学生思考问题的能力
  在课堂教学中应用仿真软件,在教师初步对相关知识讲解的基础上,让学生通过实验的方式,在仿真环境下重新建构自己的知识体系,本身就是对知识进行内化的过程。在实验过程中,由于任何实验操作的偏差都会有预想不到的结果,为了达到理想的实验结果,学生就要通过仔细观察仿真实验结果,通过仿真结果去判断在哪些环节出了问题,从结果出发分析问题,找到解决问题的方法。在整个实验过程中,学生分析问题、解决问题的能力得到锻炼。当遇到很难解决的问题时,可以请求同伴的帮忙,体现了同学之间协作学习的精神,也锻炼了学生的协作能力。在整个过程中,不仅巩固了学生对知识的理解与灵活应用,更重要的是培养了学生部分能力。
   2.仿真软件在教学应用中的弊端
  (1)缺乏实践能力的培养
  仿真软件提供的仿真环境是比较理想的,但也不可能提供给学生亲自体验与操作的临场感觉,尤其对那些需要用嗅觉或触觉去感知事物的实验,在仿真环境下是没有办法实现的。另外,仿真环境是较为理想的状态,在真实实验室中一些干扰因素没有办法控制,只能想办法减少干扰因素,这些都会对实验结果产生影响。因此,在仿真环境下修改与调试的程序在真实实验中就不适合,应该考虑的因素更多,否则就是空谈理论,纸上谈兵。例如,在真实机器人实验过程中,必须考虑场地本身存在的摩擦、机器人左右轮子本身存在的偏差、光敏传感器应用中周围环境的影响等因素,这些都会影响最终实验结果。
  (2)情感目标难以实现
  仿真软件比较适合于理工科等操作性较强的学科,侧重于学生能力的培养,在仿真环境下能够引起学生的兴趣,提高实验效果。但它只是教学过程中的辅助手段,不可能也无法完全代替人的全部活动,尤其对于学生道德情感及身心健康等方面的培养难以实现。[7]
  
   结束语
  在教学过程中,没有万能的教学方法,同样也没有万能的仿真软件,任何仿真软件应用于教学中都有利与弊。重要的是在教学应用中如何发挥仿真软件的优势,不断完善仿真软件自身的不足,扩充仿真软件的教学功能。在发现仿真软件的弊端时,应该把仿真软件与真实实验室教学相结合,弥补仿真软件的弊端。综合考虑仿真软件的利与弊,更好地发挥仿真软件的教学功能,为教学服务,提高教学效果,真正重视学生能力的培养。上述只是笔者应用仿真软件的一点体会,以期对今后操作性较强的课程教学提供参考。
  
  参考文献:
  [1]李强.仿真软件——机器人教学的好帮手[J].中国信息技术教育,2009,(7).
  [2]中华人民共和国教育部.普通高中技术课程标准(实验)[M].北京:人民教育出版社,2003.
  [3]崔秦元,侯约强.机器人(码垛机械手)发展的前景与应用[J].中国食品工业,2008,(10).
  [4]2007年全国中小学机器人教学研讨会会议纪要[EB/OL].http://www.chinaite. cn/pd_xwzx/2008/0103
  /article_21.html.
  [5]机器人常用仿真软件[EB/OL].http://www.douban.com/group/topic/11409878/.
  [6]上海广袤达伙伴机器人有限公司.VJC1.5仿真版使用手册[EB/OL].http://www.grandar.com.
  [7]汤跃明.虚拟现实技术在教育中的应用[M].北京:科学出版社,2007.
  (编辑:鲁利瑞)
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