浅析数学建模思想在小学机器人课程开发中的应用

彭燕?尚传福

[摘 要]数学建模思想融入小学机器人课程开发，具有很深远的意义。它不仅有利于教学的展开，帮助学生知识的理解和掌握，更有利于开发学生的创新思维，培养他们的逻辑思维能力以及動手能力。本文在真实的教案基础上，介绍了建模思想在小学机器人教育中渗透的三个方面。

[关键词]数学建模思想；小学机器人；课程开发

随着科学技术的发展和社会的进步，机器人教育逐渐走进小学校园。尤其是经济发展比较好的城市，很多小学都开展了机器人教育，北京初一甚至将科学活动成绩2015年纳入中考分数，可见小学机器人教育成为小学必修课程是未来的一个趋势。而小学阶段是孩子们数学思维形成的奠基时期，孩子们的学习主要以直观思维为主，不善于直接的抽象思维和逆向思维。他们所学的数学概念、公理、定理、公式等知识，主要从现实情境中抽象和概括出来的。所以，小学阶段是培养学生模型思想的启蒙时期，在小学教学中贯穿数学建模思想尤其重要。而机器人课程对于小学生来说比较抽象，不利于他们的理解。所以考虑将这两者有效的结合，这样渗透着数学建模思想的机器人教育的开展，不仅可以培养学生的建构思想，帮助他们对机器人课程的学习，而且可以更好地培养学生的创新精神、动手能力、发散思维等。本文将引入一个机器人教育中萤火虫教学的简略教案（如表1所示），在此基础上分析数学建模思想在小学机器人教育中的应用。

简单课堂实录

1）组织教学：上课，师生问好；

2）课堂导入：一个萤火虫的MV，学生自己分析萤火虫的特点；

3）新课讲授：（1）讲授机器人的历史，让同学们讨论见过哪些种类的机器人，举手回答，最后老师展示多元化的机器人；（2）根据萤火虫一闪一闪的特点，用程序实现LED灯像萤火虫一样一闪一闪的；（3）直接使用软件教学，老师手动教学，然后让学生练习如何操作软件；（4）启动Arduino软件，老师编写萤火虫程序，并上传；（老师编程思想的分析，机器语言和人类语言的区别，形象的讲解）（5）组装萤火虫，用USB线连接计算机和机器人，把LED灯模块和机器人主控板的相应端口用通信线连接起来，展示成果；（6）学生自主练习，并鼓励同学勇于创新，如换灯的颜色、多个萤火虫闪烁，并鼓励同学们展示，对同学们的勇敢与创新给予表扬；（7）总结评价。

表1 萤火虫的教学设计简约方案

表1中的教案通过创设情境——引入问题——分析问题——编写程序——解决问题——总结评价的顺序来完成对机器人教育中萤火虫部分的讲解。整个过程看似和构建模型无关，其实其中运用了很多数学建模的思想，具体渗透在以下三个方面：

一、清晰“问题”，抓住问题本质，忽略次要因素

和数学建模相通，我们拿到一个机器人课程，首先要对这堂课所要学习的问题进行研究，联系生活实际，根据问题的特征，结合研究的目的，找出解决这个问题的关键所在。比如上面的课堂导入过程是放一个萤火虫的MV，学生自己分析萤火虫的特点。这个过程的主要目的让同学们找出萤火虫的特点，结合最后要完成的萤火虫的制作任务，学生们会注意观察萤火虫的最大特点是它的一闪一闪的灯，并且注意闪灯之间的间隔时间是多长更接近萤火虫的频率。它无异于我们数学建模思想中的分析简化问题，找出问题的实质过程。通过这样的分析，模型假设时，我们可以只抓影响问题实质的关键因素，忽略其次要因素，使后面模型求解结果的信度和效度更高。

二、将现实问题转化为程序问题

将现实问题转化为程序问题，最后实现机器人功能，需要借助数学知识，通过程序中中已有的数学语言、符号描述对象的内在规律，来搭建积木程序，并做相应的常量和变量的设定。如上面教案中所写，要同学们根据萤火虫一闪一闪的特点，用程序实现LED灯像萤火虫一样一闪一闪的，即是将中心问题用数学语言把控制灯闪的条件和结论表示出来，在程序中设置相应的变量和时间间隔，从而实现问题的转化。这是很简单的程序转化，然而机器人程序功能所能实现的远远不止于此，他可以实现更为复杂的功能，比如，他可以通过条件判断来实现躲避障碍物，来制作闹钟等。

三、结果的检验与课程的完善

同数学建模一样，我们所编辑的程序最终是要回到问题本身来验证结果的。小学机器人教育也一样，我们在完成程序的编辑之后，要组装好机器人，用USB线连接计算机和机器人，把要实现的模块和机器人主控板的相应端口用通信线连接起来，将编写的程序上传到机器人中，观察机器人是否实现了预期的功能，还没有完善的地方，可以修改程序重新上传。

结合以上三点，我们可以了解到创设问题情境是为了吸引学生们的注意，引起学生们的兴趣；引入问题是明确我们所要解决的问题；分析问题的过程是在构建模型，找出限制因素，已知信息和各个条件之间的联系；编写程序就是将我们头脑中构建出的模型通过软件的功能键编写出来；解决问题的过程运用了我们数学建模中的假设检验思想，通过不断地检验，不断地改善达到解决问题的目的；这样的一堂课下来，不仅培养了学生实际操作能力，创新能力，也提升了学生们的建构思维能力。

参考文献：

[1]边劲松.小学开展机器人教育的研究.东北师范大学，2008.

[2]陈修臻.数学建模思想在小学数学教学中的应用研究.山东师范大学，2015.

作者简介：彭燕（1993-），女，重庆奉节人，本科学生，研究方向：创客教育。

尚传福（1979-），男，山东莱芜人，副教授，研究方向：项目管理、创客与机器人教育。

重庆市统筹城乡教师教育研究中心工作室研究项目，项目编号：JDGZS201502