課改論壇軟硬聯(lián)合，教課樂高智能機器人無錫市安鎮(zhèn)實驗小學(xué)鄒衛(wèi)華機器人是一門特別受老師和學(xué)生歡迎的課程，目前公認最富教課意義的機器人首推樂高品牌的“腦筋風(fēng)暴”教育機器人，筆者在樂高機器人教課過程中深深領(lǐng)會到機器人教課應(yīng)當(dāng)著重軟硬兼?zhèn)?。故撰文，試論述一下對“硬件搭建”與“軟件編寫”雙方面意義的認識，并提幾點教課建議，以供同行商議。一、硬件搭建的一點認識與三點教課建議（一）一點認識——結(jié)構(gòu)搭建的重要性國內(nèi)諸多機器人廠家的機器產(chǎn)品對搭建存在嚴重忽略的現(xiàn)象。或是不供給搭建積木、以成形產(chǎn)品的方式出現(xiàn)；或是供給幾樣一致的器件，讓玩家自行按圖組裝一下。好多時候，老師與學(xué)生也會比較重視程序的編寫，而不太重視對機器人硬體的結(jié)構(gòu)。但是，皮之不存，毛將焉附。若說程序是機器人的靈魂，那么，結(jié)構(gòu)就是機器人的軀體。再靈巧的程序也不是孫悟空的意向，能為所欲為七十二變。程序的目的一定依靠于機器人現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。一個靈便、適用的結(jié)構(gòu)體，是機器人的物質(zhì)基礎(chǔ)。自然在實質(zhì)教課機器人的過程中，我們不行能、也沒必需特意制作或生產(chǎn)一種針對某一任務(wù)的機械結(jié)構(gòu)，完整能夠采納各種形狀的積件來搭配起需要的形狀。即便一些比較復(fù)雜的傳動裝置，能搭建即搭建，為實現(xiàn)機器人達成任務(wù)而搭建出一個需要的形體裝置。這不單是為了節(jié)儉成本，更是為了在搭建中培育學(xué)生的形象思想、空間思想?！皹犯摺逼放频臋C器人產(chǎn)品中就有“搭建積木”，積木中供給了“梁、塊、板、橋、塔、輪、鏈”其有以下特色：1、積木堅固耐用，耐磨損，不易變形，并以不一樣色彩來差別。同時顏色嬌艷，吸引學(xué)生的注意力。2、每個積木都是按標準的樂高單位生產(chǎn)，精度公差僅為5毫米，積木搭建松緊適量。比如把3塊樂高板疊起來正好等于一個塊的高度。3、可擴展，創(chuàng)意組合性強，2塊相同顏色的2*4樂高積木共有17種搭建的可能，8塊相同顏色的2*4樂高積木則有102981500種搭建可能。因此，只需能發(fā)揮想象力，就能搭出無數(shù)種支撐結(jié)構(gòu)、傳動結(jié)構(gòu)。正所謂“智慧出在手指尖上”，學(xué)生在完美模型的結(jié)構(gòu)搭建中，將波及到物理學(xué)中的力學(xué)、運動學(xué)、機械學(xué)，以及數(shù)學(xué)中的幾何學(xué)等，學(xué)生能夠從中學(xué)習(xí)到結(jié)構(gòu)、運動、力、穩(wěn)固性與負重等知識。第1頁共7頁只有在搭建中讓學(xué)生形象感知，才能比較深入的理解以上知識，并進行現(xiàn)實運用。這類教課成效也是一般的物理講堂、數(shù)學(xué)講堂所達成不到的。正如樂高“腦筋風(fēng)暴”機器人首創(chuàng)人米切爾·瑞斯尼克博士以為：獨一能限制這套玩具發(fā)展的，就是你的想象力。這也許也說了然搭建的魅力。（二）三點教課建議：1、學(xué)會搭建機器人的“身軀”——堅固的主體固然樂高積木能搭出隨意形狀的機器人身軀，但我想，不論是任何一種機器人，其主體的堅固性應(yīng)當(dāng)是第一位的，這是機器人達成任務(wù)最基本的要求。但是樂高的積木模型也存在著一個很大的缺點——結(jié)構(gòu)搭建不堅固的話，簡單散架。這就促進學(xué)生要去研究機械的支撐結(jié)構(gòu)，想方法使其結(jié)構(gòu)堅固。在實質(zhì)教課中，常常出現(xiàn)這樣的狀況，學(xué)生搭出的機器人很美麗、很有創(chuàng)意，卻常會掉胳膊掉腿，或一碰就散架。這就特別需要老師指點一些穩(wěn)固性結(jié)構(gòu)的方法。以下三個是比較好的解決方法：一是善用“梁”，這是最常用的一種方式，比如圖1顯示了很多梁的連結(jié)方法。二是使用連結(jié)兩個或兩個以上的突點來拼接，如圖2，左側(cè)僅連結(jié)一個突點的結(jié)構(gòu)（左）會致使結(jié)構(gòu)歪曲變形。三是加固時用黑色緊配合銷，學(xué)生會因顏色的緣由，常選擇使用直徑較小的彩色銷，但實質(zhì)應(yīng)采納直徑最大的黑色銷來進行固定。圖1梁的連結(jié)方法圖2突點拼接法2、學(xué)會搭建機器人的“腳”——靈巧的傳動裝置傳動裝置是機器結(jié)構(gòu)中最靈巧的建立，是機器人“動”起來的第一步。樂高積木中供給了齒輪、軸、渦桿、滑輪、鏈等零件，合理奇妙地組合這件零件，能讓機器人實現(xiàn)各作動作。教課中，“組合”是要點，需指出的是，有時沒有必需一本正經(jīng)讓學(xué)生去深刻理解各種運動零件中的數(shù)理剖析，比如互相嚙合二齒輪之間的扭矩和角速度的等式關(guān)系等。我們能夠經(jīng)過頻頻拼裝試驗，第2頁共7頁讓學(xué)生漸漸感知這些組合實現(xiàn)的傳動成效。比如，假如用大齒輪帶動小齒輪,實現(xiàn)“加快”，反之，當(dāng)一個小齒輪帶動一個大齒輪，實現(xiàn)“減速”。讓學(xué)生在實踐中理解齒輪用于改變曲軸或軸間轉(zhuǎn)動速度和扭矩：小齒輪帶大齒增添扭力降低速度，合用于爬坡等，大齒帶小齒增添快度減小扭力，合用于競速等。此外，讓學(xué)生理解一些較特別的傳動方式：比如渦桿能夠把圓周運動變成直線運動；渦輪合用于大比率減速力矩的場合，還有它的“自鎖”功能——能夠驅(qū)動小齒輪(正齒輪),可是小齒輪不可以驅(qū)動渦輪；鏈能夠增大受力面，加大摩擦力，防備打滑等。理解了這些功能，學(xué)生會實現(xiàn)各種傳動成效，經(jīng)常出乎老師所料。值得指出的是，精曉齒輪和軸，關(guān)于搭建樂高機器人是特別有幫助的。3、學(xué)會搭建機器人的“手”——靈便的機械爪（臂）假如說有“腳”，是機器人實現(xiàn)類人運動的第一步，那么有了“手”，才是機器人模擬人類達成如“抓取”等動作的要點一步。因為機械爪（臂）的搭建方法的陳說很有難度，下邊就直接采納《鑒于樂高組件和ROBOLAB軟件的工程教課》一書中介紹的幾個爪，以示窺一斑見全豹，若老師與同學(xué)們有興趣，可詳見此書介紹。剪刀爪基本夾子這個爪采納了經(jīng)典的剪切機械結(jié)構(gòu)，由這是一個典型的夾子，使用一個齒輪或凸一個40齒齒輪來驅(qū)動。改變桿形臂長度將輪，由馬達驅(qū)動，控制其翻開、封閉。會影響爪的張開幅度。第3頁共7頁偏愛爪渦桿爪偏愛爪用橡皮圈使鉗夾保持張開的狀這個爪由渦桿來驅(qū)動。兩個24齒輪保持態(tài)，扔擲臂被銷限位不讓鉗夾張得太大。偏上下兩個爪能夠同步。因為減速較大，此爪可心爪在觸發(fā)機構(gòu)按下時封閉，它先使上夾略以產(chǎn)生很大的抓取力，可能會把物體弄壞！微旋轉(zhuǎn)，而后橡皮圈猛的將鉗夾合上。值得指出的是，機械爪（臂）一般都是依據(jù)杠桿原理來搭建。在指導(dǎo)學(xué)生搭建時，應(yīng)先讓學(xué)生認真剖析實現(xiàn)任務(wù)所需要的抓取力的三個因素：運動方向、作用點和力的大小，而后再依據(jù)杠桿原理來設(shè)計適合的爪。不可以盲目搭建，應(yīng)在思慮取實踐，這樣才有助于培育學(xué)生在感性的搭建中對“力學(xué)”的理性認知。二、對智能化程序編寫的一點認識與三點建議（一）一點認識——非線性智能程序的重要性程序是機器人的靈魂、思想，是實現(xiàn)人工智能的核心。在給學(xué)生教課機器人程序編寫時，我們往往是從最簡單的線性程序編寫下手，比方達成一個或多個任務(wù)時，從任務(wù)開始至結(jié)束，都是一線貫之。這類程序簡單，履行時不簡單出現(xiàn)錯誤。但長久履行這類編程思想的話，不利于學(xué)生真實掌握編寫智能化的程序。所謂“智能化”的機器人，是機器人在未知環(huán)境下能相機、隨時地辦理各樣任務(wù)，這類任務(wù)辦理常常會是選擇性履行，或是并行性履行。這就使得辦理任務(wù)的先后次序不是線性的，而是非線性的。因此，非線性程序，才是智能機器人活的靈魂。為培育學(xué)生非線性編程能力，在學(xué)生認識了ROBOLAB的命令，有了一些編寫線性程序的基礎(chǔ)后，就應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)變編程思想，學(xué)習(xí)編寫非線性的程序。編程以前，教師應(yīng)讓學(xué)生對機器人辦理任務(wù)時面對的各種可能性進行展望評估，讓他們盡可能展望全部可能性，而后把想到的“可能”進行分類，把每類“可能”定義為一種任務(wù)，分別擬訂最有效第4頁共7頁的策略來應(yīng)付辦理，編寫辦理的詳細子程序。同時，在程序代碼上把每個任務(wù)子程序的啟動給予觸發(fā)事件。詳細的編寫技巧上要善用“循環(huán)”、“跳轉(zhuǎn)”、“子程序”來創(chuàng)立子程序體，使程序高效簡短，善用“分支”、“任務(wù)”命令來分解任務(wù)、并聯(lián)子程序體，使程序靈巧智能。此外，非線性程序編寫時，離不開鑒于傳感器的行為編程設(shè)計。我們在讓學(xué)生編寫非線性程序時，某個詳細任務(wù)子程序的觸發(fā)，最好是應(yīng)用傳感器。以不一樣類其他傳感器返回的值來觸發(fā)不一樣類其他任務(wù)子程序，這樣就能實現(xiàn)機器人探測和辦理多目標的控制任務(wù)，模擬人類探究未知環(huán)境的過程?？傊?，在任務(wù)分解及整系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計上，要善用非線性編寫法、善用鑒于傳感器的行為編程設(shè)計，以此來應(yīng)付多任務(wù)多狀況。這樣的程序編寫思想，有益于培育學(xué)生多向思想，全向思想，這樣，學(xué)生編寫出來的程序就“活”起來了，機器人也就“智能”起來了！自然，我們的學(xué)生也就“聰慧”起來了?。ǘ┤c教課建議：1、善用“跳轉(zhuǎn)、循環(huán)、子程序”，體驗“程序”的高效！“循環(huán)”是編程中防止寫出冗長、重復(fù)的線性程序的一個重要方法。教課中能夠指導(dǎo)學(xué)生使用“跳轉(zhuǎn)”或“循環(huán)”命令來創(chuàng)立程序循環(huán)體，把需要重復(fù)履行的程序段作為循環(huán)體來履行，讓程序變得精練高效，讓學(xué)生初步感知到機器人程序能幫助人類掙脫重復(fù)勞動，進而愛上編寫程序。關(guān)于在程序的不一樣階段中經(jīng)常被使用到某一段代碼，我們應(yīng)當(dāng)要修業(yè)生用“定義子程序”、“調(diào)用子程序”的方法來實現(xiàn)。讓學(xué)生體驗到編寫程序時的快捷與方便。以下列圖，這是ROBOLAB的兩段程序，它們是在做同一件事，但明顯上段一段程序更簡短。第5頁共7頁2、善用“分支、判斷、容器”，體驗“程序”的智能！程序中的“分支”履行，是讓機器人邁向“智能化”要點一步。和絕大多數(shù)程序語言中的If-Then-Else語句相同，碰到一個分支時，程序?qū)⑦x擇兩條“路徑”之一履行，這就讓機器人有了像人相同選擇的“智商”。（假如再配合“跳轉(zhuǎn)”命令，在分支間跳轉(zhuǎn)履行程序，那么這個機器人的“智商”就更高一層了。）在教課中，一方面，我們要讓學(xué)生學(xué)會思慮機器人面對的“可能性”，用“分支”編寫出不一樣可能性的不一樣程序段。另一方面，我們要培育學(xué)生思慮辦理“選擇”的“判斷”標準，這個判斷，常常是來自機器人對外界環(huán)境因素的“感知”，也就是傳感器返回的值。信息時代某種意義上來說就是傳感器的時代。傳感器就像是人的感覺器官，是機器人的感覺系統(tǒng)，它能為機器人程序獲得外界的各種數(shù)據(jù)信息，現(xiàn)現(xiàn)在開發(fā)供機器人使用的傳感器種類眾多，如：光電傳感器、聲音傳感器、溫濕傳感器、觸動傳感器、紅外傳感器、角度傳感器、等等。每種傳感器上都配有模數(shù)變換零件，以便將收集到的各樣模擬量變換成計算機能辦理的數(shù)字量。這些數(shù)字量，常常使用容器的命令來辦理，容器就相當(dāng)是程序中的全局變量，也是機器人編程中最常用的命令。只有讓學(xué)生善用容器值來進行門限值判斷、選擇分支，才能使得程序靈巧起來，機器人變得聰慧起來?。场⑸朴谩笆录?、任務(wù)分裂”，體驗“程序”的多能!用“分支”選擇性履行程序，還仍舊是較低層次的智能。機器人要具備類人相同較高級的智慧，第6頁共7頁還得擁有同時辦理不一樣任務(wù)的能力。這就需要我們?yōu)闄C器人編寫多任務(wù)并行辦理的程序，并且各個任務(wù)程序之間互不擾亂、矛盾，能協(xié)調(diào)履行。在ROBOLAB中使用“任務(wù)分裂”命令，能夠?qū)崿F(xiàn)同時運轉(zhuǎn)兩個不一樣的程序。運用多個“任務(wù)分裂”，則就能實現(xiàn)并行辦理多個任務(wù)。這里要對學(xué)生需要重申的是：固然程序能多個任務(wù)并行辦理，但當(dāng)兩個或多個任務(wù)程序共享相同的硬件資源時，就會造成硬件矛盾。比方一個任務(wù)程序要讓馬達A正轉(zhuǎn)，而另一個任務(wù)在同一時刻告訴它反轉(zhuǎn)，那么就會發(fā)生不行預(yù)知的錯誤。必定要培育學(xué)生檢視任務(wù)分裂的程序，保證任務(wù)不在同一時刻爭搶同一資源來防止矛盾。編寫任務(wù)分裂程序自己很簡單，難點在于編寫事件模塊。第一是設(shè)置事件。仍是要善用傳感器值，我們指導(dǎo)學(xué)生設(shè)定事件源，要善用從傳感器獲得到的數(shù)值來設(shè)定，而非是人為預(yù)約的一個值。這