基于案例的中小学机器人教学策略

李貌

机器人技术融合了机械原理、电子传感器、计算机软硬件及人工智能等众多先进技术，是中小学开展创新教育的良好载体。

目前，深圳市大力支持创客教育，各学校纷纷根据自身的实际情况，结合现有的师资力量，选择合适的项目加以开展，其中，机器人教育是一个较为受关注的突破点。下面的两个教学案例是笔者在开展机器人教学过程中较具有代表性的案例，内容是海天教育出版社出版的信息技术教材七年级下册中的内容，两个竞赛案例均为目前比赛中流行的循迹模块的应用。笔者在教授机器人课程时曾对现行课程作了二次开发，在现有的课程上有所拓展，现分述如下。

● 《智能节能扶梯》教学案例

2011年5月，笔者在深圳市“机器人进课堂”观摩研讨会上上了一堂公开课，将自己的想法作了案例分享，具体教学思路如下：

学习背景：各地铁、商场常见的自动扶梯没人的时候也在转，这样很费电。设计一个节能扶梯，有人的时候就转，没人的时候就停。

需求分析：設计扶手电梯，解决方案中需考虑如下几项技术问题：①扶梯上有人就自动运行，将人运送上楼梯就自动停止；②每个人在楼梯上停留的时间未必是一样的，有人赶时间可能在楼梯上行走，这样就缩短停留时间；③扶梯虽然设计为只能从下往上运输乘客，但作为公共措施，也需考虑有人逆行。

其中①必须考虑，另外两项尽可能考虑，项目设计得越人性化，距离现实应用就越近。

设计方案：①在入口处安装一个人体红外传感器，一旦感应到有人，就运行30秒。在30秒之间，持续检测是否有人跟上，若有人跟上，则跳出程序，重新开始，再运行30秒。缺点是未能考虑第二项，且人数较多时不实用，若两人并排进楼梯分别出，则第一个人出即停止。②通过判断电梯上的人数来控制电梯的运转。如果人数大于零，则电梯运行；等于零，则电梯停止运行。入口和出口处各用一个人体红外传感器。程序设计时设置变量初始值为0，入口处每进1人，则变量加1，出口处每出1人，则变量减1。判断变量是否大于零。缺点是未能考虑第三项，且人数较多时不实用，若有人并排进电梯，则计数只算一次，导致计数错误。③采用重力感应。在扶梯的每个踏板下方都安装一个触动传感器，只要有人上，踩动踏板触动传感器感应到信号，则电梯启动，一旦离开则停止。此方案考虑比较周全，程序设计也简单直观，容易理解，但是模型搭建不够直观。

模型制作：团队成员讨论，提出自己的方案，比较设计方案的优缺点并选择。学生可根据自己的兴趣和能力，自主选择设计方案，并基于方案着手搭建模型（如图1）。

● 《导盲机器人的制作》教学案例

本课是关于轨迹识别传感器的应用，要求学生通过编程和搭建，让导盲机器人按规定路线完成一次按轨道行走，先通过仿真系统展示，然后在实际场地中加以调试，其教学过程如下：

学习背景：很多城市马路两旁的人行道上，都铺设有带有颜色的盲人专行道（如图2）。盲人看不见盲道，有什么办法可以设计出一个导盲机器人，帮助盲人顺着盲道安全行走呢？

需求分析：要求导盲机器人能始终沿盲道前进，不能偏离。

设计方案：用轨迹来模拟盲道，利用轨迹变量来进行识别。必须先判断机器人的位置，再采取对应的策略。若在白线的左侧，则右拐行驶，偏右则左拐，不偏就直行。如图3所示，当导盲机器人位于白线的左边缘时，右侧的轨迹识别传感器探头就可以检测到白线，这时轨迹变量的返回值为2。当导盲机器人位于白线的右边缘时，左侧的轨迹识别传感器探头就会检测到白线，轨迹变量的返回值为1。当导盲机器人正位于白线上时，左右两侧的轨迹识别传感器探头将同时检测到白线，轨迹变量的返回值为3。当机器人不在白线上时，左右两侧的轨迹识别传感器探头将同时检测不到白线，轨迹变量的返回值都为0，判断之后机器人就可以采取相对应的策略。

模型制作：团队成员讨论，并设计出程序，仿真成功之后搭建模型，并以社团活动的形式开展竞赛。

本课的教学要点在于让学生明白如何利用轨迹识别来判断机器人与轨迹的位置，通过判断机器人的位置从而采取相应策略，如果机器人起始的时候就并没有放置在轨迹上，能否让机器人自动寻找轨迹呢？

导盲机器人拓展之自动寻轨迹的方案：

问题：能否让机器人自动寻找到轨迹呢？

方案一：当条件判断中轨迹变量等于0时，用变量来控制直行的时间，每次直行都多出0.1s来扩大寻找的范围（如图4）。

方案二：条件判断中当轨迹变量等于0时，加入一个寻找轨迹的子程序（如上页图5）。

当轨迹变量为1或者2、3时，只要探测到轨迹，就将变量归零，同时跳出子程序，运行主程序。若探测不到轨迹，则绕圈寻找。注意体会这里是用变量来控制直行的时间。变量越来越大意味着绕圈越来越大。这时可以组织学生再进行拓展。

做好机器人模型之后，仿真成功，但在场地上测试时往往还会出现脱轨现象。这个时候教师可以提出如何进行程序上的优化，加强学生对理想仿真环境与现实的区别的认识。

由于轨迹识别传感器有4个返回值，所以在某些比赛中往往会设置机器人走轨迹的任务。在循迹的过程中完成探测、运输、接力、灭火、避障等相关任务。在完成任务的同时，要求机器人所用的时间尽可能的短。在仿真环境中，机器人只要检测到轨迹就不可能脱轨，实际调试的时候涉及实体机器人的搭建，实体机器人如果速度太快，或者机器人左右电机运转速度不一致而冲出轨迹，回不到轨迹上，将会导致任务失败。要想精益求精的话，除了机器人搭建结构要合理，程序上也要做些优化，使之既能让机器人保持全速前进，又能防止其脱轨，或者让其在脱轨的第一时间返回到轨迹上。

笔者相信，教师们若能借鉴机器人教育的相关成功案例，探索适合自身教学的发展途径，必定能有所收获。endprint