借3D仿真平台培养中学生思维的发展理念

　2012年12月第十届浙江省青少年虚拟机器人竞赛项目，其任务目标是通过信息技术创新手段，借3D仿真平台，以虚拟机器人为载体模拟现实抗震救灾的过程，旨在考核参赛选手对操控智能机器人相关知识的综合运用能力，有助于培养学生的思维品质，提高学生的动手与动脑能力。
　　教育心理学理论认为：思维是人类的高级心理活动，是复杂的信息加工过程，是人脑对事物本质和事物之间规律性关系概括的间接的反映。因此，开发中学生的思维潜能，提高思维品质，使学生的思维能得到更好的发展。
　　1　分析任务目标的达成，培养学生思维的灵活性
　　思维的灵活性是指思维活动的智力灵活程度。思维思路开阔，善于从全方位思考，思路若遇难题受阻，不拘泥于一种模式，能灵活变换某种因素，从新角度去思考，调整思路，从一个思路到另一个思路，从一个意境到另一个意境，善于巧妙地转变思维方向，随机应变，产生适合时宜的办法。选择最佳方案，机动灵活，富有成效地解决问题。
　　第十届浙江省青少年虚拟机器人竞赛任务以“抗震救灾灾后重建家园”为主题，竞赛场上有一块绿色起点（如图1所示，位于场地右下角），是机器人的出发区。机器人要从出发区启动，经过图中黑色引导线，至少要通过场地中间8个可换拼装块中的4个，必须先清除被布置在黑色引导线或它们的交叉点上用黑色圆柱表示的因山崩滚落的两块“巨石”，而后要抢运灾民的有用物资，位于场地的三个角落的十字拼装块上，并分别用红黄蓝三种颜色表示。完成任务后回到出发区，标准是整个机器人进入绿色出发区。在黑色引导线的十字或丁字交叉处，可能会出现蓝色转弯标志。如果机器人未按照转弯标志行走则任务失败。竞赛时间为180秒。
　　结合要完成的任务，一学生制作出图2所示行走路线方案一，这样机器人要经过6个拼装块、2个转变标志，清除2块“巨石”，抢运三个物资。另一学生制作出图3所示行走路线方案二，这样机器人要经过7个拼装块、2个转变标志，清除2块“巨石”，抢运二个物资。
　　当然方案一和方案二都还可以作进一步的衍生，但路线会更为复杂，可能会走更多的回头路，花更多的时间来完成任务。由于机器人程序的编制完全是按路线来完成的，复杂的路线设计同样会影响到接下去的程序设计。
　　学生通过对目标任务从分析到综合、从综合到分析，全面而灵活地进行综合的分析，从不同角度、方向、方面，用多种方法来解决“抗震救灾灾后重建家园”问题，学生思维的结果往往是多种合理而灵活的结论。
　　2　组建虚拟机器人，培养学生思维的灵活性
　　组建虚拟机器人过程，实质也是培养学生空间思维的一个过程，3D仿真平台提供自由灵活的机器人搭建环境，每一个零件的组装都要考虑到机器人的整体构建，只有善于分析比较，才能在接下去的编程环节少出差错，少走弯路。
　　机器人一般由主控器、马达、各种传感器以及其他的一些附件组成。以装配马达为例，通过“添加部件”按钮将选中的马达配件添加到屏幕后，鼠标左键选择当前添加的马达配件的装配点，再选择主控器作为装配目的装配点，按下鼠第一论文网标左键拖动，翻转目标，选取其中一个合适的装配点。装配点选择的不同，组建成的机器人就不一样，甚至于机器人左右两只马达不对称。
　　图4左右两只马达装配不对称。图5除了左右两只马达不对称之外，马达与主控器的装配点也装反了。
　　图6与图7虽然两只马达装配对称，但同一对马达在主控器上的位置有前有后，在编好程序进行机器人后期运行调试时就会有不同的行走轨迹。
　　另外，对于灰度传感器的装配位置（图8是不对称的），灰度传感器的参数设定（图9），包括半径的设定（图10左边传感器半径为3，右边传感器半径为2），感应区夹角的设定（图11左边传感器感应区夹角为30°，右边传感器感应区夹角为20°），端口号的设定，都会影响到机器人行走轨迹。
　　图12和图13所组建的机器人尽管传感器对称装配，但它们之间前后左右位置不尽相同，用同样的程序，机器人的行走轨迹完全不同。
　　引导学生从不同角度来思考并组建的机器人，不仅仅要思考机器人整体结构，而且要思考机器人各零件之间的实质关系。要根据机器人零件的属性，运用各种综合变换手段来处理信息，探索机器人整体结构，有利于思维起点灵活性的培养，也有利于孜孜不倦的钻研精神和创造力的培养。
　　3　编制机器人程序，培养学生思维的灵活性
　　在3D仿真平台下对机器人程序的编制是积木式图形化的程序编辑（图14），让枯燥的程序算法转变为有趣味性的、接近生活的实际。学生对目标任务、解决问题的结构基本确定以后，通过尽可能改变条件，从不同角度和用不同知识来解决问题，进而培养学生的思维灵活性。
　　图15是竞赛机器人主程序中的一个子程序流程图，左边则是程序源代码，其所要解决的问题是机器人慢走曲线，而且没有其他出口，也就是说适用于一个进口一个出口类型的线路。编程的思路是在大的永远循环中让机器先前进，在前进的过程中用左右两灰度传感器检测场地灰度值，用三个条件语句进行判断。如果两个灰度传感器的检测值同时达到所给定的阀值，表示机器人已到达“丁”字线，就可以停止两个马达并跳出行循环；如果左边灰度传感器的检测值达到所给定的阀值，表示机器人偏右行驶，就让马达在前进的同时向左转一点，结束条件判断后再进入循环；如果右边灰度传感器的检测值达到所给定的阀值，表示机器人偏左行驶，就让马达在前进的同时向右转一点，结束条件判断后再进入循环。
　　左右马达的速度都设定为30个单位，其行走的速度不算很快，但还要配合机器人左转和右转的程度，直行速度大，转弯的程度不能过小；反之，直行速度小，转弯的程度又不能过大。当马达直行速度为30，转弯速度为16和85时，机器人就能实现慢速走曲线，并能在“丁”字线停止，如图16所示。当然这仅仅是一种特殊情况，还有许多种方案可供学生去探索。这种直行速度与转弯速度的不同配合有利于培养和促进学生思维的灵活性。
　　在子程序设计中可以灵活运用慢走曲线这一子程序作为模板。图17是机器人直走子程序流程图，完全可套用慢走曲线子程 序的框架思路来解决问题，只是在条件判断细节上稍作灵活调整。再比如要完成机器人清除“巨石”这一问题，则只要把第一个条件判断改为遇到障碍就停车这一思路，借助红外检测传感器就能实现，另外两个条件判断基本不需更改。
　　至于其他类型曲线编程的问题，即进口只有一个而有多个出口的情况，可以通过分解曲线成一段段编程，并结合条件判断来实现。在机器人场地中间的8个可换拼装图都可用这样的思路来解决问题。
　　3D仿真平台为青少年智能机器人的教学提供了一个普及的工具和培养学生思维品质的环境。在这个仿真平台下既有仿真机器人的结构搭建，又有机器人程序的编制与设计，还可以在仿真环境下进行仿真实时调试。其特点是全3D场景，可自由控制视角的位置、角度；实时运行调试，运行时还可以依据实际运行情况，调整机器人参数，快速实现理想中的效果；自由灵活选择机器人及其配件，进行机器人搭建。这样可以培养学生思维的灵活性，培养学生的实践能力和创新精神，提高广大青少年的科学素养，发展自身潜能，引导更多的大中小学生关注科技、热爱科技、走进科技。
　　参考文献
　　[1]叶奕乾，祝蓓里.心理学[M].4版：上海：华东师范大学出版社，2012.
　　（作者单位：浙江省诸暨市大唐镇中学）