数学建模思想在小学机器人教育中的应用

姜春霄

（青岛市市南区实验小学，山东青岛266071）

数学建模思想在小学机器人教育中的应用

姜春霄

（青岛市市南区实验小学，山东青岛266071）

在小学机器人教育中应用数学建模思想，不仅有利于学生已有知识的正迁移，起到举一反三的效果，更有利于培养学生透过现象揭示本质的洞察能力，也有利于培养学生简约、严密的思维品质。文章介绍了建模思想在机器人学习中渗透的三个方面。

小学机器人教育；数学建模

为了更好的培养学生的思维能力与创新能力，机器人教育已成为部分地区小学信息技术课程的一部分。让学生经历采集信息——处理信息——控制动作的过程，领会编程的思想，是机器人教育的主要目标。然而，机器人编程对于小学生来说较抽象、难度较大，实践中，我们可以借助数学领域的建模思想来使机器人编程变得更容易一些。数学建模是指把现实世界中的实际问题加以提炼，抽象为数学模型，求出模型的解，验证模型的合理性，并用该数学模型所提供的解答来解释现实问题。[1]建模思想在编程领域的应用可以理解为把现实世界中的实际问题加以提炼，抽象为程序的模型，并用已有程序模型来解释与解决实际问题。引导学生把编程思想与实际问题相结合，合理构建程序模型，不仅有利于学生已有知识的正迁移，起到举一反三的效果，更有利于培养学生透过现象揭示本质的洞察能力，也有利于培养学生简约、严密的思维品质。建模思想在机器人学习中的渗透可以从以下三个方面入手。

第一、从生活入手，把自然语言转化成程序语言

与数学建模相通，要用程序解决问题，首先需要学会把实际问题转化为程序问题，即从复杂的现实现象当中抽取问题的主要因素来分析和讨论，当学生能够用程序的语言描述实际问题，程序建模就基本完成。有两种方法可以培养学生建模的能力：第一种是让学生把机器人想象成自己，自己完成某个任务所要经历的过程也是机器人要经历的过程；第二种是从最简单的实际生活问题入手，一步步引导学生用程序语言描述问题，循序渐进培养学生构建模型的能力。比如，让机器人唱一首曲子。学生说，我在唱曲的时候是一个音符一个音符唱出的，机器人也该这么做。如何编写程序呢？学生说出把发不同音调的发音模块连在一起，顺序执行就能演奏歌曲了。再比如，机器人走一个正四边形。学生说：我在走正四边形的时候需要 “前进→转弯→前进→转弯→前进→转弯→前进→转弯”。教师追问前进多少？转多少角度的弯？机器人需要用哪些模块来实现？重复的过程怎么处理？再比如，开发一个简单的红绿灯系统，要求五分钟红灯过后是一分钟的黄灯，接着是五分钟的绿灯。教师提出这样的问题：如何控制红灯亮的时间？红绿灯系统只执行一次吗？这样步步引导学生用程序的语言表达实际过程，久而久之，学生就会形成用合理的程序语言来重新描述问题的习惯，建模的方法被应用于编程的过程中，编写程序不再神秘且越来越容易。

第二、提炼方法，建立并应用解决问题的模型库

在数学领域，针对不同的问题类型，有与之对应的基本关系式，比如体积公式V=abc、路程速度公式S=vt等等，这些关系式使学生能在解析问题之后快速找到与之对应的解决方法。在机器人教育中，应借助具体的编程实例，把重点放在总结和提炼在实际问题中用到的编程方法，构建解决问题的模型库。比如，假设机器人要躲避障碍物，那么就需要不断地判断前方是否有障碍物，要用永远循环，而走正方形需要走出四条相同的边，所以要用多次循环，由多个这样的实例让学生理解需要重复做的事件要用循环程序结构；再比如，在闹钟程序中，如果光线符合天亮的条件，机器人要奏响音乐，反之，机器人要继续判断是否天亮。通过此类实例，学生归纳得出条件判断的事件用分支结构，符合条件后要做的事情填在“是”的分支，不符合条件要做的事情填在“否”的分支；比如演奏歌曲等一般的程序用顺序结构。如此，构建解决问题的基本模型库，便于学生在遇到实际问题时选择使用。

第三、设置图形化模块，解决问题

在数学中，把现实问题抽象为模型后，需要用模型解答现实问题。对于机器人操作来说，在确定了程序的基本模型之后，最后要编写程序达成目标。我市小学机器人教育中采用的是VJC能力风暴智能机器人开发系统，该软件采用图形化交互式C语言，每一种功能用一个模块（图标）表示，学生需要把对应的模块拖放在程序流程线上连接起来，并对模块进行设置，完成编程。这种简单而又功能强大的平台为学生提供可视化的、情境化的工具，方便学生的思考与操作。在这个过程中，对模块的设置是重点操作，如果注重归纳总结，同样有规律可循，可以降低学生操作的难度。比如，在VJC系统中单击右键设置模块，传感器模块一般包含着条件判断，执行模块库中的直行模块和转向模块都可以设置速度和时间。转向模块统一把速度设置为100，时间为1秒时，机器人转动360°，时间为0.5秒时，机器人转动180°，以此类推等等。完成程序后，可进入VJC仿真系统，检验程序的可行性。

总之，机器人教育使信息技术课跳出“软件培训”的模式，给学生更多自主创新的机会，有利于培养学生良好的思维品质，是信息技术课程中不可缺少的一道亮丽风景线。本文是基于实践的讨论，数学建模思想在机器人编程中的应用效果还需要进一步的验证与探索。每一名新时代的信息技术教师，都担负着深入探讨各种教学方法的使命和责任。

[1]袁黎霞，郑学良.数学建模与数学教学改革[J]，台州学院学报，2005，6.

（编辑：郭桂真）

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1673-8454（2012）10-0065-02