李貌

機(jī)器人技術(shù)融合了機(jī)械原理、電子傳感器、計(jì)算機(jī)軟硬件及人工智能等眾多先進(jìn)技術(shù)，是中小學(xué)開(kāi)展創(chuàng)新教育的良好載體。

目前，深圳市大力支持創(chuàng)客教育，各學(xué)校紛紛根據(jù)自身的實(shí)際情況，結(jié)合現(xiàn)有的師資力量，選擇合適的項(xiàng)目加以開(kāi)展，其中，機(jī)器人教育是一個(gè)較為受關(guān)注的突破點(diǎn)。下面的兩個(gè)教學(xué)案例是筆者在開(kāi)展機(jī)器人教學(xué)過(guò)程中較具有代表性的案例，內(nèi)容是海天教育出版社出版的信息技術(shù)教材七年級(jí)下冊(cè)中的內(nèi)容，兩個(gè)競(jìng)賽案例均為目前比賽中流行的循跡模塊的應(yīng)用。筆者在教授機(jī)器人課程時(shí)曾對(duì)現(xiàn)行課程作了二次開(kāi)發(fā)，在現(xiàn)有的課程上有所拓展，現(xiàn)分述如下。

● 《智能節(jié)能扶梯》教學(xué)案例

2011年5月，筆者在深圳市“機(jī)器人進(jìn)課堂”觀摩研討會(huì)上上了一堂公開(kāi)課，將自己的想法作了案例分享，具體教學(xué)思路如下：

學(xué)習(xí)背景：各地鐵、商場(chǎng)常見(jiàn)的自動(dòng)扶梯沒(méi)人的時(shí)候也在轉(zhuǎn)，這樣很費(fèi)電。設(shè)計(jì)一個(gè)節(jié)能扶梯，有人的時(shí)候就轉(zhuǎn)，沒(méi)人的時(shí)候就停。

需求分析：設(shè)計(jì)扶手電梯，解決方案中需考慮如下幾項(xiàng)技術(shù)問(wèn)題：①扶梯上有人就自動(dòng)運(yùn)行，將人運(yùn)送上樓梯就自動(dòng)停止；②每個(gè)人在樓梯上停留的時(shí)間未必是一樣的，有人趕時(shí)間可能在樓梯上行走，這樣就縮短停留時(shí)間；③扶梯雖然設(shè)計(jì)為只能從下往上運(yùn)輸乘客，但作為公共措施，也需考慮有人逆行。

其中①必須考慮，另外兩項(xiàng)盡可能考慮，項(xiàng)目設(shè)計(jì)得越人性化，距離現(xiàn)實(shí)應(yīng)用就越近。

設(shè)計(jì)方案：①在入口處安裝一個(gè)人體紅外傳感器，一旦感應(yīng)到有人，就運(yùn)行30秒。在30秒之間，持續(xù)檢測(cè)是否有人跟上，若有人跟上，則跳出程序，重新開(kāi)始，再運(yùn)行30秒。缺點(diǎn)是未能考慮第二項(xiàng)，且人數(shù)較多時(shí)不實(shí)用，若兩人并排進(jìn)樓梯分別出，則第一個(gè)人出即停止。②通過(guò)判斷電梯上的人數(shù)來(lái)控制電梯的運(yùn)轉(zhuǎn)。如果人數(shù)大于零，則電梯運(yùn)行；等于零，則電梯停止運(yùn)行。入口和出口處各用一個(gè)人體紅外傳感器。程序設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置變量初始值為0，入口處每進(jìn)1人，則變量加1，出口處每出1人，則變量減1。判斷變量是否大于零。缺點(diǎn)是未能考慮第三項(xiàng)，且人數(shù)較多時(shí)不實(shí)用，若有人并排進(jìn)電梯，則計(jì)數(shù)只算一次，導(dǎo)致計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。③采用重力感應(yīng)。在扶梯的每個(gè)踏板下方都安裝一個(gè)觸動(dòng)傳感器，只要有人上，踩動(dòng)踏板觸動(dòng)傳感器感應(yīng)到信號(hào)，則電梯啟動(dòng)，一旦離開(kāi)則停止。此方案考慮比較周全，程序設(shè)計(jì)也簡(jiǎn)單直觀，容易理解，但是模型搭建不夠直觀。

模型制作：團(tuán)隊(duì)成員討論，提出自己的方案，比較設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)并選擇。學(xué)生可根據(jù)自己的興趣和能力，自主選擇設(shè)計(jì)方案，并基于方案著手搭建模型（如圖1）。

● 《導(dǎo)盲機(jī)器人的制作》教學(xué)案例

本課是關(guān)于軌跡識(shí)別傳感器的應(yīng)用，要求學(xué)生通過(guò)編程和搭建，讓導(dǎo)盲機(jī)器人按規(guī)定路線(xiàn)完成一次按軌道行走，先通過(guò)仿真系統(tǒng)展示，然后在實(shí)際場(chǎng)地中加以調(diào)試，其教學(xué)過(guò)程如下：

學(xué)習(xí)背景：很多城市馬路兩旁的人行道上，都鋪設(shè)有帶有顏色的盲人專(zhuān)行道（如圖2）。盲人看不見(jiàn)盲道，有什么辦法可以設(shè)計(jì)出一個(gè)導(dǎo)盲機(jī)器人，幫助盲人順著盲道安全行走呢？

需求分析：要求導(dǎo)盲機(jī)器人能始終沿盲道前進(jìn)，不能偏離。

設(shè)計(jì)方案：用軌跡來(lái)模擬盲道，利用軌跡變量來(lái)進(jìn)行識(shí)別。必須先判斷機(jī)器人的位置，再采取對(duì)應(yīng)的策略。若在白線(xiàn)的左側(cè)，則右拐行駛，偏右則左拐，不偏就直行。如圖3所示，當(dāng)導(dǎo)盲機(jī)器人位于白線(xiàn)的左邊緣時(shí)，右側(cè)的軌跡識(shí)別傳感器探頭就可以檢測(cè)到白線(xiàn)，這時(shí)軌跡變量的返回值為2。當(dāng)導(dǎo)盲機(jī)器人位于白線(xiàn)的右邊緣時(shí)，左側(cè)的軌跡識(shí)別傳感器探頭就會(huì)檢測(cè)到白線(xiàn)，軌跡變量的返回值為1。當(dāng)導(dǎo)盲機(jī)器人正位于白線(xiàn)上時(shí)，左右兩側(cè)的軌跡識(shí)別傳感器探頭將同時(shí)檢測(cè)到白線(xiàn)，軌跡變量的返回值為3。當(dāng)機(jī)器人不在白線(xiàn)上時(shí)，左右兩側(cè)的軌跡識(shí)別傳感器探頭將同時(shí)檢測(cè)不到白線(xiàn)，軌跡變量的返回值都為0，判斷之后機(jī)器人就可以采取相對(duì)應(yīng)的策略。

模型制作：團(tuán)隊(duì)成員討論，并設(shè)計(jì)出程序，仿真成功之后搭建模型，并以社團(tuán)活動(dòng)的形式開(kāi)展競(jìng)賽。

本課的教學(xué)要點(diǎn)在于讓學(xué)生明白如何利用軌跡識(shí)別來(lái)判斷機(jī)器人與軌跡的位置，通過(guò)判斷機(jī)器人的位置從而采取相應(yīng)策略，如果機(jī)器人起始的時(shí)候就并沒(méi)有放置在軌跡上，能否讓機(jī)器人自動(dòng)尋找軌跡呢？

導(dǎo)盲機(jī)器人拓展之自動(dòng)尋軌跡的方案：

問(wèn)題：能否讓機(jī)器人自動(dòng)尋找到軌跡呢？

方案一：當(dāng)條件判斷中軌跡變量等于0時(shí)，用變量來(lái)控制直行的時(shí)間，每次直行都多出0.1s來(lái)擴(kuò)大尋找的范圍（如圖4）。

方案二：條件判斷中當(dāng)軌跡變量等于0時(shí)，加入一個(gè)尋找軌跡的子程序（如上頁(yè)圖5）。

當(dāng)軌跡變量為1或者2、3時(shí)，只要探測(cè)到軌跡，就將變量歸零，同時(shí)跳出子程序，運(yùn)行主程序。若探測(cè)不到軌跡，則繞圈尋找。注意體會(huì)這里是用變量來(lái)控制直行的時(shí)間。變量越來(lái)越大意味著繞圈越來(lái)越大。這時(shí)可以組織學(xué)生再進(jìn)行拓展。

做好機(jī)器人模型之后，仿真成功，但在場(chǎng)地上測(cè)試時(shí)往往還會(huì)出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象。這個(gè)時(shí)候教師可以提出如何進(jìn)行程序上的優(yōu)化，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理想仿真環(huán)境與現(xiàn)實(shí)的區(qū)別的認(rèn)識(shí)。

由于軌跡識(shí)別傳感器有4個(gè)返回值，所以在某些比賽中往往會(huì)設(shè)置機(jī)器人走軌跡的任務(wù)。在循跡的過(guò)程中完成探測(cè)、運(yùn)輸、接力、滅火、避障等相關(guān)任務(wù)。在完成任務(wù)的同時(shí)，要求機(jī)器人所用的時(shí)間盡可能的短。在仿真環(huán)境中，機(jī)器人只要檢測(cè)到軌跡就不可能脫軌，實(shí)際調(diào)試的時(shí)候涉及實(shí)體機(jī)器人的搭建，實(shí)體機(jī)器人如果速度太快，或者機(jī)器人左右電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度不一致而沖出軌跡，回不到軌跡上，將會(huì)導(dǎo)致任務(wù)失敗。要想精益求精的話(huà)，除了機(jī)器人搭建結(jié)構(gòu)要合理，程序上也要做些優(yōu)化，使之既能讓機(jī)器人保持全速前進(jìn)，又能防止其脫軌，或者讓其在脫軌的第一時(shí)間返回到軌跡上。

筆者相信，教師們?nèi)裟芙梃b機(jī)器人教育的相關(guān)成功案例，探索適合自身教學(xué)的發(fā)展途徑，必定能有所收獲。endprint