基于中学生思维能力培养的机器人校本课程的教学设计与实践——例谈《EV3机器人巡线》一课

(整期优先)网络出版时间:2022-06-08
/ 2

基于中学生思维能力培养的机器人校本课程的教学设计与实践——例谈《 EV3机器人巡线》一课

魏劲

南京市第二十七高级中学

摘要:本文以《EV3机器人巡线》为范例,进行了具体的教学设计与实践,促进了中学生思维能力的培养。同时,通过一学期的机器人校本课程的实施,经过前后对比实验,并且辅以学生访谈,探究了机器人校本课程实施对中学生思维能力的影响。研究表明,机器人校本课程的实施对提升中学生的思维能力、创新能力、合作和交流能力,以及分析问题解决问题的能力都有一定的促进作用。

关键词:思维能力;机器人校本课程 ;EV3机器人

引言

随着社会的不断进步、发展,智能机器人无论在工业、农业,还是在生活和学习中,都有着广泛的应用和影响,它也是一个国家科技发展水平和国民经济现代化、信息化的重要标志。根据普通高中信息技术课程标准,人工智能初步是信息技术课程中选择性必修模块之一。学生通过搭建人工智能应用模块,亲历设计与实现智能系统的基本过程与方法,增强利用智能技术服务人类发展的责任感。机器人校本课程的开发与教学就是这样一项集数学、物理、电子、信息技术和创新设计于一体的科技实践活动。而机器人技术又涉及机械构造术、信息技术、通讯技术等多门学科知识,对广大中学生来说既充满着好奇与兴趣,又具有挑战性。

核心概念及其界定

思维能力是指人们使用分析、综合、概括、抽象、比较、具体化和系统化等思想与方法,对感性材料进行加工并转化为理性认识及解决问题的能力,思维能力是学习能力的核心。

校本课程是学校根据自己的办学理念,适应学生多样化发展的需要,以本校教师为主,充分利用所在学校的课程资源所开发的课程。

信息技术课堂是培养学生思维能力的主阵地,因此,把机器人课程引入校本课程研究中,不仅有利于教师探索教育改革和培养人才,更有利于培养青少年创新思维和实践能力,同时也有利于推动我国智能机器人事业的发展和专业人才的培养。

基于中学生思维能力培养的机器人校本课程的教学活动设计

本文主要针对2017年版普通高中信息技术课程标准必修课程模块1《数据与计算》和选择性必修课程模块4《人工智能初步》中的内容。本节课是让学生通过搭建EV3机器人小车及程序设计,制作完成一辆可以沿线前行(巡线)的小车。

下面笔者以《EV3机器人巡线》 为例说明在机器人校本课程教学中如何有效提升中学生的思维能力

1、创设情境,激发思维

培养思维能力总是从问题产生开始的。根据这一特点,在教学中,教师要根据学生已有的认知结构和思维层次,有意识地制造矛盾,设疑问难,强化学生的思维,以利解决问题。

师:展示EV3机器人小车能沿着直线形、S形、L形等不同的线路图纸行走。提问机器人是如何能精准的按设定的路线行驶的?调动学生的学习热情,激发学生的发散性思维。

生:激烈的讨论,头脑风暴。在老师的引导下得出结论:机器人之所以智能,是因为它不仅能够按照编写好的程序工作,而且可以通过外接各种传感器来感知外界变化,从而获得数据,来做出相应的反应。

设计意图:通过观看真实场景,引导学生对问题进行分析、讨论,明确本节课的项目目标——利用颜色传感器学习制作巡线机器人小车。

2、设疑问难,发展思维

师:若要小车巡线,首先我们要搭建一台小车,如何搭建小车,小车是由哪些零件构成的呢?引导学生认识搭建需要的零件,分析小车的结构,可以设计使用两个电机作为小车行进动力,用一个金属万向球作为从动轮(后轮),起到辅助支撑作用,保持车体平衡。也可以设计四轮小车等。

629ffdcd6c58c_html_fd76e8072d504c72.png629ffdcd6c58c_html_8b3c5061a2fd89d1.gif629ffdcd6c58c_html_a131457f5634b9d7.gif






生:两人一组,协同合作,共同完成搭建机器人小车。打开EV3软件Robot Educator——构建指令——驱动基座,熟悉零件的功能和作用。

设计意图:学生动脑动手,熟悉机器人的硬件结构体系,了解机器人设计、组装的步骤,学习各种常见传感器和机械传动装置的基础知识和使用技能,发展思维想像力,自行设计小车搭建,利用零件搭建出各种造型的小车。

3、探本溯源,连续思维

师:搭建好了小车,如何赋予小车生命力?让小车能走会动,能够感知外面的世界,能够服从命令听指挥?

生:积极思考,开动脑筋,在老师的引导下认识每个端口和传感器的作用,理解要使电机和传感器运行,必须将其连接到EV3 程序块。尝试用数据线连接控制器和部件。

使用黑色扁平连接电缆,过输出端口A、B、C 和D 将电机连接到EV3 程序块。默认端口分配为:端629ffdcd6c58c_html_811d313a856c365f.png 口A 中型电机, 端口B 和C 两个大型电机(通常左B右C), 端口D 大型电机。控制器后端,也是1,2,3,4四个接口,负责输入数据,主要用于连接传感器,把传感器采集的数据传输给控制器进行处理。

设计意图:在课堂教学中教师只是作为课堂的组织者和学生学习的引导者,引导学生提出问题、思考问题、解决问题。促使学生在问题的驱动下连续思维,主动去观察,去发现、去探索,去研究,充分发挥学生的主动性和创造性。

4、分析综合,提升思维

师:如何编写程序,给小车发出命令,控制小车运动行走呢?

介绍常用的程序模块作用和设置方法,引导学生自主探究其他模块的用法。

Shape1

小车直行(移动转向模块)

小车停留(等待模块)

小车退回(移动转向模块)


Shape2




生:熟悉程序模块功能,设置参数,尝试完成小车行走程序的设计,对程序的设计流程和方法有了初步的认识,并将将程序下载到机器人主控器中,调试完成机器人小车的运动。

师:如果行程中不是直线怎么办?

如果机器人要在指定线路上行走,那么机器人需要能自动感知引导线。这相当于给机器人一个“视觉”功能!颜色传感器就可以实现。EV3颜色传感器部件,它可以检测到进入传感器表面小窗口颜色或光强度,可有3种工作模式,即颜色模式、反射光强度模式和环境光强度模式。我们选择反射光强度模式,测量场地光感值,确定比较值 比较值 = (白色光值+黑色光值)/2

629ffdcd6c58c_html_4c045c62689dd2fb.png :积极讨论,分析问题,探索巡线策略,小车巡线时,通过传感器读取当前的光感值,进行判断,确定位置,从而调整小车下一步行走方向。

如:采用左侧巡线方式

当传感器处于黑色上方时,测得值 < 比较值,则左电机B停而右电机C动,小车向左走;反之,左电机B动右电机C停,小车向右走。循环往复,完成巡线行走。

思考实践完成算法编程,调试程序,让机器人小车能在指定的各种路线行走。


629ffdcd6c58c_html_5b70e59092cdfd71.png


设计意图:理解体会程序是机器人的灵魂,了解机器人是怎样按设定的任务完成工作的。学习编程语言及编程平台的使用,能够编写程序控制机器人做预定的动作。综合运用机器人技术,根据实际项目设计、制作机器人的机械结构并编写相应的控制程序,煅炼思维能力和规划能力,提高学生分析问题和解决问题的能力。

课程反思

机器人课程教学从设计和搭建入手,针对学生具体情况调整活动内容,方式及训练模式。主要目的是让同学们了解、掌握机器人搭建、机器人程序编制的基本方法,对机器人搭建及程序设计有更为系统、全面的认识。根据学生的具体情况及学生的特点,采取讲练结合、互帮互助等方法。在程序编制过程中让学生逐步体验程序的严密性和科学性。经过一段时间的课程学习,学生的思维能力、创新能力、合作和交流能力,以及分析问题解决问题的能力水平明显提高。近几年我们组织学生参加各种机器人项目的竞赛,有多名同学获得了省、市、区乃至全国大奖。

总之,机器人课程教学,一方面,需要教师一直在实践中不断地探究、反思,这其中不乏对教材提出质疑、调整、改进等,对机器人设计提出多种方案,对程序算法提出更优化的思路。另一方面还需要教师善于观察生活,从中发现问题,精心设计任务,要对学生合理引导、积极鼓励。只有这样,机器人进课堂才会真正给学生带来发自内心的快乐,才能更有效地提高学生的思维能力和信息素养。

(南京市“十三五”教育科学规划课题《基于中学生思维能力培养的机器人校本课程研究与实践》批准号为:L/2016/175)