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    智能机器人教学实验的设计与实施
    作者:张进 刘丽…    学生频道来源:十堰东风教育集团第一中学    点击数:5843    更新时间:2007-9-14

    原文网址:http://xkwq.e21.cn/content_1.php?id=58498

     

    21世纪科学与技术飞速的发展的今天,国家大力提倡开展创新意识、创新精神和创新活动,中学智能机器人项目竞赛方兴未艾。作为省示范高中和全国百强中学的我校,正开展着智能机器人教学实验,和人工智能进入中学信息技术课堂等教学实验。在智能机器人教学实验基地建立不到两年的时间里,组织参加湖北省智能机器人全国选拔赛,获得湖北省高中组机器人灭火二等奖,机器人足球赛三等奖的可喜成绩。

    高中智能机器人技术融合了造型技术、机械、电子、传感器、计算机软件、硬件和人工智能等众多先进技术,充分地体现了当代信息技术多个领域的先进技术,是信息技术的重要内容,更是智能技术的结晶。智能机器人的教学内容给信息技术基础教育带来新的活力,使智能机器人成为中小学生能力、素质培养的智能平台,为进一步开展教学研究积累科学素材资料。

     

    关键字:智能机器人  教学实验  设计与实施

    一、    智能机器人的定义

    机器人技术综合了多学科的发展成果,代表了高技术的发展前沿,它在人类生活应用领域的不断扩大正引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响。在科技界,科学家会给每一个科技术语一个明确的定义,但机器人问世已有几十年,机器人的定义仍然仁者见仁,智者见智,没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展,新的机型,新的功能不断涌现。根本原因主要是因为机器人涉及到了人的概念,成为一个难以回答的哲学问题。

    自机器人诞生之日起人们就不断地尝试着说明到底什么是机器人。但随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来,机器人所涵盖的内容越来越丰富,机器人的定义也不断充实和创新。森政弘与合田周平提出的:机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器。从这一定义出发,森政弘又提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等10个特性来表示机器人的形象。加藤一郎提出的具有如下3个条件的机器称为机器人:具有脑、手、脚等三要素的个体;具有非接触传感器和接触传感器;具有平衡觉和固有觉的传感器。机器人的定义是多种多样的,其原因是它具有一定的模糊性。1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义:工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能,能完成各种作业的可编程操作机。

    我国科学家对机器人的定义是:机器人是一种自动化的机器,所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力,如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力,是一种具有高度灵活性的自动化机器

    在新的世纪,我们非常庆幸有这样一个平台能使学生比较全面综合地了解现代工业设计、机械、电子、传感器、计算机软件、硬件、人机交互、人工智能等诸多领域的先进技术,并亲身接触和体验现代高新技术,在学生获得科技知识和实践能力的同时,激发了他们的创新意识和创造发明的潜能,这个平台就是——智能机器人。

    二.智能机器人学科教学的意义

    智能机器人教学的作用主要体现在以下方面。

    1.使学生了解智能机器人这个信息技术前沿领域的发展和应用状况,了解智能机器人的概念和工作方式,破除学生对智能机器人的神秘感,为进一步学习智能机器人技术的有关知识打下基础。
        2
    .使学生掌握为一种智能机器人下载程序的方法,了解智能机器人的传感器和驱动装置的作用。理解体会程序是智能机器人的灵魂,了解体会智能机器人是怎样在人的指挥下工作的。学习为一种智能机器人编写程序,通过为机器人编写程序学到科学而高效的思维方式,提高规划能力,提高学生的分析问题和解决问题的能力。

       3.通过完成项目任务和比赛项目,使学生在为智能机器人扩充功能的过程中学习有关数字电路方面的知识,在组装扩展机器人的过程中培养学生的动手能力、协作能力和创造能力。
     
    4.实现与国际接轨的需要。日本、美国等一些发达国家高度重视机器人学科教育对高科技社会的作用和影响,已在信息技术课与课外科技活动开设了有关机器人的课程内容。要赶超世界教育先进水平,必须大力加强机器人教育。

    5.迎接智能机器人时代的需要。机器人的广泛应用将极大促进社会生产力的发展与产业结构的调整。开展智能机器人教育,有助于使我们在智能机器人时代走向世界前列。

    教育智能机器人是目前欧美国家流行的用于培养学生动手能力,计算机应用能力,和创新思维的学习工具。人工智能体现着未来高科技发展方向。建立以计算机技术为核心的智能机器人教学实验课题,是作为省示范高中的我校势在必行的教学研究项目。

    智能机器人教学,对培养学生动手能力和创造能力有积极的作用,研讨如何引导他们学会观察、学会表达、学会思考、学会创新,适应新课程改革的需要,   符合新课程标准素质教育的要求。

    三、智能机器人教学活动

    我们学校已经在近两年开展智能机器人教育中得到了充分的体现。东风一中开展智能机器人教学实验,是现代教学高科技尖端技术在高中的教学实践,“十一五”规划中“电教信息化”的创新之路,是《技术课程标准》实施培养高科技人才启蒙的学科整合。机器人教学理念是现代教育发展的趋势,该课程以专门课程和学科渗透整合的方式,使学生掌握机器人基本知识与基本技能,增强动手能力,培养团队协作精神、锻炼意志品质,激发创新精神,培养科学兴趣。

    机器人学科教学,是东风一中普及机器人知识的重要课程。它是破除学生对机器人的神秘感,促进高中生领略机器人在社会领域发展趋势,培养青少年智能机器人专门人才的探索。机器人应用领域前景广阔,解决问题并非有定式可寻,解决这类问题需要开放式思维、经验的积累、归纳推理并形成新的经验。校内机器人教学包括简易机器人组装、编程控制、电子电路焊接、调试、人机交互等,在掌握机器人原理、结构、功能、程序控制、使用方法后,提高机器人创新应用的研制能力,为省内普通高中开设智能机器人教学探索新路。

    (1).以校内外科技活动为动力,以科技活动班方式教学

    校内高一和高二年级自愿报名,从中选拔四十余名同学,以科技活动班的方式教学。在我校自筹自建的机器人教学实验基地,每周专职教师进行固定课时的教学,系统规划教学目标、教学内容进度、教学实验材料准备、教学日志记录等,教学内容包括机器人的基本原理与工作过程、常用传动机械、电子控制系统、单片机控制电路、机器人环境适应与辨识等等,将先进的多媒体教学设备配置到实验基地:大屏幕和液晶投影仪、无线扩音麦克风、功率放大器、DELL便携笔记本、激光电子教鞭、Pentium IV兼容学生工作站、“未来之星”、“能力风暴”、“纳英特” 等教学机器人组装套件,运用于教学实验中。购置教学资源服务器server02,并配置信息技术与美术教学资源专用服务器server03,在教学网建立专用共享教学文件夹,将机器人图文资料、程序软件等提供在线教学服务,机器人教学基地专用教室作为环境保证。

     

    改造创新实践

    再认知

    认知

    实践

    获得

    制作技能

    知识技能升华

     (2).在信息技术教学中开展智能机器人教学活动

     新课标高中人工智能教学作为高科技新领域的尖端教学尝试,我们制订了普及型教学计划,在高一年级理科实验班教学了“逻辑代数初步”、“NS流程图”、“音频收发器实验”、“人工智能机器视觉”、“机器学习”、“规划问题求解”等,组织同学们现场观摩了机器人灭火比赛,机器人足球比赛等,侧重在提高学习兴趣、激发创新灵感、鼓励动手实践三方面,使教学活动收到良好效果。

    (3).开展实验电子电路实验

    开展实验电子电路实验,在校内机器人教学实验基地进行。从认识半导体器件如二极管三极管工作原理入手,指导学生们学习机器人电子系统中的放大电路、单片机、组合逻辑电路、时序电路等。

    如我们辅导学生组装“双电机六脚虫机器人”和“单电机避障车”、“足球攻守机器人”等。在组装“双电机六脚虫机器人”实验时,辅导学生动手制作一个由单片机和继电器等组成的简单自动控制系统,将预编的程序下载后写入编程器中,使简易机器人在同学们手中真的动起来了!

    理论辅导

    制作练习

    创新改造

    完成任务

    环境适应

    (4). 教学辅导机械传动模型制作实验

    建立实验室。在校科技楼五楼开辟一间专用教室, 搭建简易机器人教学实验环境讲练教室。辅导同学们成功组装、自行装配了几十套简易机器人的齿轮传动、蜗杆传动机构、曲柄摇杆装置,并将机械手安装组合成简易机器人。

    (5). 以信息技术课内容之一的方式开展C语言教学

    程序设计是中小学校信息技术学科教育的重要内容之一,但C语言和汇编语言用于教学机器人,对我们还是首次尝试,尽管学校自八十年代开展信息技术教育之初就是以程序设计为主要教学内容的。配合教学实验,我们配置SCSI大硬盘3块,用于配置阵列存储,扩展存储空间。为解决调试C的接口转换、竞赛机器人的选型和调试。接口技术创新研究实验。引进机器人教学视频、图文、软件等资源,购进正版教学辅导教材等相关资料。

    针对学生中具有PASCAL程序设计能力的同学,首先进行C语言程序培优教学试验,不但指导学生结合机器人机型研究图形化编程界面、程序设计N-S流程图、还组织教师自编C语言校本教程,按章节编写印发讲义,分程序的三种基本结构教学、数组与函数、结构体和共用体等,并剖析保障高中生机器人编程和C语言教学的效果,并研究在其它学科的学习中产生正负迁移现象。

    在教学实验过程中,我们体会到程序设计课程在培养学生分析问题、解决问题的能力和培养学生创造性思维上起着非常重要的作用,程序设计这一现代工具为基础教育带来的一种培养综合能力的新方法和新手段,适合高中信息技术教学。看到程序设计应用的效果,体验成功的乐趣。程序是智能机器人的灵魂,让中学生通过为机器人编程序来学习程序设计的知识是程序设计教学入门的最好方法。在学习为机器人编写程序的过程中学生会获得成功的喜悦、会建立成功的信心,从而取得程序设计学习的兴趣。将智能机器人作为程序设计学习的载体,会从根本上解决目前程序设计教学中存在的问题。智能机器人对学生引发的程序设计的兴趣还会对算法的学习打下良好的基础,使学生通过程序设计更好的学习有关的算法知识。

    6)构筑智能机器人教学综合平台,培养学生动手能力

    学习为智能机器人编写程序是以智能机器人为平台的学习内容之一,在编程序的过程中学生要了解智能机器人的功能、结构和工作原理,并根据要机器人完成的任务来编写程序。学习者要了解机器人的各种传感器,并通过编程序来控制传感器,使机器人感知外界的环境信息,并对感知的信息做出决策和响应,以使机器人完成规定的任务。学习为机器人编写程序的过程可以用拟人的方法循序渐进的进行。例如:可以将机器人的硬件看作一个刚刚出生的孩子,而学习为机器人编程序的过程是学生赋予机器人行走、避障、避碰、说话、听话、观察等人类行为功能的过程。学生在学习的过程中始终感受着失败的遗憾和成功的喜悦,对遗憾和喜悦的感受必然形成学习的动力和兴趣。

    智能机器人作为培养学生综合能力的平台,除了要具有中学程序设计教学的程序设计语言系统和编辑系统。还要有适当的硬件功能。语言系统应该是具有结构化程序设计的语言系统,学生在学习编程的过程中要能够学到程序设计的三种基本结构即顺序结构、选择结构和循环结构的功能。硬件要具有很好的可扩充性和可塑性,适合学习有关的硬件知识,便于培养学生的动手能力。

    7)改编实验教程讲义,填补机器人课程缺项

    江苏教育出版社“普通高中技术实验教科书”通用技术选修教材《简易机器人制作》20056月第1版,内容包括计算机、传感器、机械等技术,程序设计采取全图形界面的流程图编制方法。但该教材对程序设计及编程语言、接口等未予深入研讨。我们改编了实验教程,形成了有东风特色的讲义集。

    智能机器人教学是培养学生动手能力的舞台。学生除了要具有学生程序设计语言系统和编辑系统。还要有适当的硬件功能。例如辅导学生自己认识电子元件,集成电路,光电传感器,及机械传动器件。并能进行安装,调试。通过智能机器人的学习掌握许多科学知识。智能机器人作为信息技术教学,会给信息技术教育带来新的内容、新的思考和新的活力。借助智能机器人学生可以进行多项目的研究性学习。智能机器人体现的知识的综合性,使他不仅会成为信息技术教育的载体,也会成为中小学课程整合的新载体。

    我们初步对高中两个班教学效果对比实验列表:

     

    分组

    每组学生

    完成简易

    组装

    掌握C语言

    环境适应组

    胜任环境

    适应性编程

    理科学期

    成绩

    第一期

    12

    4

    8

    4

    11

    80%

    第二期

    20

    2

    17

    11

    18

     

    小结

     

     

    2期优

    近似

    近似

     

     

    虽然智能机器人教学在高中教学中受到一定限制,学习任务紧,学习压力大。但是高中学生思想活跃,知识面广,动手能力强,接受新事物快,只要合理利用好时间,一定能够开展好智能机器人教学。

    东风一中开展智能机器人教学课题,通过创建智能机器人教学实验基地、硬件原理教学、安装实验、C语言教学、电子电路焊接组装实验等课外活动,在高一年级开设50人的教学班,在实践中研讨总结,建立高中人工智能课题教学研究资料库,形成宝贵的校本资源,并为同类学校开展机器人教学活动提供导航参考。

    让人工智能教学成为高中信息技术教学的先导

    东风一中探索机器人学科课程、教材、教法、实验的研究,重点针对单片机扩展板功能探究,教学实验的方法和教材编写探路。机器人活动主题不仅有趣,更提供开放性的问题解决方案,鼓励学生充分发挥想象力、创造力,培养学生的开发性思维。

    让人工智能教学成为高中信息技术教学的先导,具有重要教学实验意义。探索智能机器人教学,为人工智能机器人课程的全面开设创设良好的环境。探索机器人学科课程、教材、教法、实验的研究,深入开展信息技术教育整合,我们力求避免重“软”轻“硬”、重模仿轻创新、重实践轻理论倾向。从初级教学模型、到智能“未来之星”等,引导学生创新思维,培养科学与创新相结合的实践模式,使课程达到省内同级水平,与国际接轨,赶超世界教育先进水平,迎接智能机器人时代。

      智能机器人教育对未来高科技社会的作用和影响,他们在中小学的信息技术教育中都不同程度地对学生进行智能机器人知识的教育。在他们的课程中有让学生认识机器人的教学内容。目标是让学生认识各种由计算机控制的机器人的作用。让学生分组讨论有关机器人的功用和局限性及可能对人类产生的影响等问题。美国教育界公认,智能机器信息技术教育将扮演不可或缺的重要角色。当高中生具有了这方面的素质,将来可以更容易地适应各种技术革新,也更容易在未来的信息时代获得成功。

    教学实验的开展,可从如下方面进一步进行:建立高中智能机器人教学实验基地。系统指导学生完成电子电路的简单设计、焊接与电路调试。建成机器人教学资源库,将集成实验资料、制作教学课件、教学教材、研究教学案例、教学录相、教学参考资料、教学元数据等,形成高中生机器人教学资源体系。探索高中生机器人C语言程序设计教学,形成教学课程标准试用版,形成专项研究课题论文报告。启动智能机器人编程方案,组织参加省赛和全国竞赛,获得参赛经验。

    预计教学实验的实验方法、过程与课程,为省内智能机器人教学探索作贡献,填补该课程省内市内与教育集团实验教学课标的缺项。

      

    我国中小学智能机器人教育方兴未艾,有识的信息技术基础教育的决策者和工作者应该抓住这一教育改革创新的先机,将我国的信息技术教育推进到一个新的水平上。当今的教育是为以后的经济和社会发展打基础的。有超前意识的教育工作者,应该关注经济的发展趋势,思考未来社会对人才培养的需求,并为培养高素质的人才打好基础。

     

    十堰东风教育集团第一中学现代技术教育处

                      张进 刘丽梅

    20069

     

     

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