将虚拟机器人应用在中学信息技术程序设计教学中的探究

程序设计是信息技术教学的重要组成部分, 程序设计课程是中小学培养学生分析问题、解决问题的能力的重要课程之一, 但在信息技术程序设计教学当中还是存在诸多问题。首先是兴趣问题, 兴趣是学习的动力, 对于中小学生来说, 在开始学习程序的时候, 不容易感受到程序设计的效果和乐趣, 容易让学生觉得比较枯燥产生厌学情绪。其次教学内容的问题, 教学中过于偏重语法, 而且在语法教学时, 知识点过于分散导致应用不够直接, 学生难以明白知识点的意义, 再加上要记这些繁杂的语法, 使得程序设计课一开始就让学生云里雾里, 很难调动学生的积极性。而笔者在指导机器人竞赛的过程中发现, 虽然同样基于程序设计完成相应的任务, 但学生在学习机器人编程的过程中, 兴趣非常高, 同时对程序的学习理解体现了较高的效率。而机器人当中的虚拟机器人, 只需要一台计算机就可以完成, 非常适合应用在平常的程序设计教学当中。通过实践, 教师减轻了程序设计教学的压力, 学生能轻松地接受程序设计思想, 更能体会获得成功的喜悦, 更易建立成功的信心, 从而取得程序设计学习的兴趣。

1 虚拟机器人的原理

市面上的虚拟机器人软件有很多, 通过一台计算机, 就可完成机器人从搭建、编程到调试运行的全过程, 完成后在在计算机虚拟平台上演示。以中鸣公司的3DSTS (3D Simulation Teaching System) 三维仿真教育系统为例, 一个虚拟机器人软件分成四个模块:1、虚拟机器人搭建模块;2、虚拟场地搭建模块;3、机器人完成场地任务程序编写模块;4、仿真运行模块。

在虚拟机器人软件中首先通过虚拟场地搭建模块设计机器人虚拟比赛的场地和要完成的任务, 当然针对学生, 场地任务通常都是提供好的, 再通过虚拟机器人搭建模块设计完成场地任务的机器人, 模块中有构建机器人结构的积木块和模拟的传感器配件, 然后再在程序编写模块中通过图像化编程使机器人可以完成相应的任务, 进而在仿真运行模块中进行调试直到完成任务。

2 虚拟机器人中的图形化编程模块使程序设计直观易懂

通过对虚拟机器人的了解, 我们知道, 虚拟机器人以完成任务设计机器人为形式, 需要编写机器人完成任务的程序, 而编程环境是图形化的编程环境。图形化编程的软件, 相对于传统的文本编程, 有更强的易用性、易读性, 非常适合于培养编程思维, 特别是适用于青少年。本文介绍的图形化编程软件是机器人快车, 采用基于工程c的图形化、模块化编程语言, 全部功能模块使用图标表示, 遵循自顶向下的编程逻辑思维过程。只需要简单地拖放相应的功能模块图标, 绘制出流程图, 机器人快车就能自动生成可视化c语言源代码, 采用图形化编程的方式, 图标和C语言对应, 有图表模式和C语言模式, 使用机器人快车编程时, 文本源代码同步生成, 并且保留了传统的文本编程功能, 可以和图像化中的图标和结构直观对应。

在编写程序的过程中, 要根据在软件平台中自己组装的机器人和设计的任务地图来编写程序, 会大量运用到判断语句和循环结构等高中阶段程序设计的重难点, 同时使用了图标化结构, 让学生更容易理解, 直观易懂。

3 虚拟机器人中完成机器人任务挑战带给学生学习的兴趣和动力

在虚拟机器人中, 因为机器人的结构设计和程序设计都是围绕着完成相应的任务来的, 所以有明确的目的性和挑战性, 学生就像玩游戏一样, 有通关的欲望。极大地激发了学生编写程序的兴趣, 在实际教学中, 绝大多数学生都有较强的学习动力。比如基础的机器人走轨迹任务, 要让机器人沿着图形黑色轨迹线走,

在设计好机器人结构的前提下, 学生就要思考怎样才能使机器人可以沿着轨迹走, 应用到两个if语句的嵌套, 左边灰度传感器碰到黑线, 机器人向左偏, 右边灰度传感器碰到, 机器人向右偏, 两边都没碰到就向前进, 使机器人的左右灰度夹着黑线走来完成任务。如果图像复杂一点呢?如果再加上各种障碍, 复杂地形的复合型任务呢?

就像游戏通关一样, 学生会根据更复杂的图形, 应用到更多的机器人传感器, 使用到更复杂的程序设计, 每通一关就学习了解掌握到更进一步的程序设计知识和思想。

4 虚拟机器人更容易使学生形成结构化的算法思想

同样的编写一段程序, 使用结构化的算法思想的好处是不言而喻的。可以将复杂问题简单化, 让编程更容易, 提高代码维护和可读性。形成结构化的算法思想, 注重运用算法思维和结构化程序的思想去分析问题、解决问题这是在程序设计教学中一个容易被忽略但非常重要的一点, 特别是打下良好的基础对学生在大学进一步的程序设计学生是非常有帮助的。在使用虚拟机器人的程序设计教学中, 虚拟机器人的图形模块化编程环境能够为程序设计教学营造良好的程序实践环境, 学生在设计程序中, 通过直观的观察, 及从虚拟机器人的仿真行为中得到反馈, 进而对程序的修改的反复的思考和实践的过程, 通过一个个任务的练习和不断的通关, 在虚拟机器人环境中帮助引导学生用合适合理的算法思想解决问题, 从而可以更形象更容易培养学生形成结构化的算法思想。

5 虚拟机器人可以结合竞赛应用在程序设计教学中

虚拟机器人软件大多都是基于机器人竞赛平台的, 在教学中, 可以选择适当的时机开展班级、年级的虚拟机器人竞赛活动。通过竞赛的形式, 进一步激发学生学习程序设计的积极性和培养学生的信息素养。还可以在校内竞赛中选拔出优秀的学生参加市级的竞赛, 发现优秀的程序设计苗子, 让他们获得实际锻炼, 展示才华的机会。在2011年2012年连续两年, 我校的学生都获得了市级竞赛的优秀成绩, 同时代表重庆参加全国的虚拟机器人竞赛获得了全国一等奖和全国二等奖的好成绩。他们都是通过在虚拟机器人的程序设计教学中涌现出的未来的程序设计方面的人才。

综上所述, 虚拟机器人应用在中学信息技术程序设计教学中, 可以引起学生的兴趣和激发学生的学习动力, 还能更好地培养学生的结构化算法思想, 同时结合竞赛使学生获得实际锻炼, 展示才华的机会, 实现一举两得的效果。值得在信息技术教学中进一步的研究和实践。

摘要：长期以来, 中学信息技术程序设计教学当中存在一些问题, 学生学习兴趣缺乏和积极性不高以及教学内容本身的问题都是程序设计教学当中的困惑。通过实践, 将虚拟机器人应用在中学信息技术程序设计教学中能较有效地解决相应的问题, 虚拟机器人应用在中学信息技术程序设计教学中, 可以引起学生的兴趣和激发学生的学习动力, 学生能轻松地接受程序设计思想, 更能体会获得成功的喜悦, 更易建立成功的信心, 从而取得程序设计学习的兴趣。还能更好地培养学生的结构化算法思想, 同时结合竞赛使学生获得实际锻炼, 展示才华的机会, 实现一举两得的效果。值得在信息技术教学中进一步的研究和实践。

关键词：虚拟机器人,信息技术,程序设计教学