尹 華 肖隨貴

[摘要]文章探討了在C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中引入機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的必要性、意義及創(chuàng)新點(diǎn),并討論了在C語(yǔ)言課程教學(xué)中開展機(jī)器人實(shí)驗(yàn)應(yīng)注意的幾個(gè)問題。

[關(guān)鍵詞]C語(yǔ)言課程 教育機(jī)器人 實(shí)驗(yàn) 教學(xué)改革

[作者簡(jiǎn)介]尹華(1975- ),女,贛南師范學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,講師,主要從事計(jì)算機(jī)教學(xué)與應(yīng)用研究;肖隨貴(1956- ),男,贛南師范學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,教授,主要從事計(jì)算機(jī)教學(xué)與應(yīng)用研究。(江西贛州341000)

[課題項(xiàng)目]本文系贛南師范學(xué)院質(zhì)量工程項(xiàng)目課題“基于可編程控制機(jī)器人比賽的C語(yǔ)言系列課程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”的研究成果。

[中圖分類號(hào)]G424.21 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1004-3985(2009)33-0182-02

一、“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀

目前,我國(guó)大部分高校的理工科專業(yè)都開設(shè)了“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程,而計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)工程等專業(yè)還開設(shè)了“C語(yǔ)言課程設(shè)計(jì)”“面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)(C++)”等課程。通過系統(tǒng)地學(xué)習(xí)“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程,學(xué)生掌握了如何使用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì),以及程序設(shè)計(jì)的基本思想、基本方法和技巧,達(dá)到通過學(xué)習(xí)相關(guān)課程使學(xué)生能夠利用C語(yǔ)言解決實(shí)際問題的教學(xué)目標(biāo),并為后繼課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,實(shí)驗(yàn)課時(shí)比重很大。例如,贛南師范學(xué)院的2008人才培養(yǎng)方案中C語(yǔ)言的實(shí)驗(yàn)課時(shí)增至32學(xué)時(shí),占總學(xué)時(shí)的1/2。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,大部分是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),最后是綜合性實(shí)驗(yàn)。由于C語(yǔ)言的實(shí)驗(yàn)環(huán)境是在字符方式下進(jìn)行的,實(shí)驗(yàn)過程比較枯燥,實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表示單調(diào),學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高,學(xué)習(xí)效果不佳,導(dǎo)致學(xué)生的綜合應(yīng)用能力不高,甚至影響到后繼課程的學(xué)習(xí)。因此,應(yīng)該采取哪些措施,通過實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力,是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一項(xiàng)重要任務(wù)。為此,我們?cè)O(shè)計(jì)了一套能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

二、在C語(yǔ)言教學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入教育機(jī)器人

近年來,可編程控制機(jī)器人和可編程控制機(jī)器人學(xué)發(fā)展非常迅速。教育機(jī)器人是將機(jī)器人應(yīng)用于教育領(lǐng)域,是由生產(chǎn)廠商專門開發(fā)的以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為目標(biāo)的機(jī)器人成品、套裝或散件。它除了機(jī)器人機(jī)體本身之外,還有相應(yīng)的控制軟件和教學(xué)課本等。

從教育機(jī)器人的發(fā)展情況來看,硬件技術(shù)方面已經(jīng)非常成熟,設(shè)備的可靠性、靈活性、耐用性等性能都已得到社會(huì)的廣泛認(rèn)可。教育機(jī)器人的硬件配件多樣,技術(shù)支持能力強(qiáng),價(jià)格也相對(duì)便宜?？刂撇倏v機(jī)器人的關(guān)鍵問題之一是軟件設(shè)計(jì),主要是通過C語(yǔ)言或VC++等程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì),通過編程對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。這就給計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生提供了廣闊的開發(fā)平臺(tái),通過編程對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操縱,使其完成各種任務(wù),培養(yǎng)了學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。

用于實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的教育機(jī)器人種類繁多,依據(jù)可編程控制機(jī)器人可以設(shè)計(jì)出各種機(jī)器人,創(chuàng)造空間巨大,例如使用AS-ROBEI機(jī)器人工程創(chuàng)新套件就能設(shè)計(jì)一百萬(wàn)種機(jī)器人,如投球機(jī)器人、救火機(jī)器人、追光機(jī)器人等。

教育機(jī)器人已引起了國(guó)內(nèi)很多學(xué)校的關(guān)注和重視,在教學(xué)活動(dòng)中紛紛引入教育機(jī)器人并取得了良好的效果。

三、在C語(yǔ)言教學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入教育機(jī)器人的意義及創(chuàng)新之處

“機(jī)器人是一種能夠通過程序控制,自主完成某類任務(wù)的機(jī)器系統(tǒng)”,在“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”教學(xué)中通過“程序控制”與機(jī)器人動(dòng)作緊密聯(lián)系起來,應(yīng)用各種程序使機(jī)器人完成各種動(dòng)作(如搬運(yùn)、滅火等),使教學(xué)與實(shí)驗(yàn)“動(dòng)起來”“活起來”,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力,從而提高了教學(xué)質(zhì)量。

在C語(yǔ)言教學(xué)中引入機(jī)器人實(shí)驗(yàn)有如下幾點(diǎn)創(chuàng)新之處:(1)教育理念創(chuàng)新。通過引入可編程控制機(jī)器人,改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念。一是實(shí)驗(yàn)中,教師引導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計(jì)與控制機(jī)器人,學(xué)生體驗(yàn)到學(xué)習(xí)的快樂;二是精心設(shè)計(jì)機(jī)器人實(shí)驗(yàn),對(duì)學(xué)生實(shí)行個(gè)性化教育;三是通過教育機(jī)器人的實(shí)驗(yàn),發(fā)展學(xué)生的多種能力,如分析能力、創(chuàng)造能力和實(shí)踐能力等。(2)實(shí)驗(yàn)手段創(chuàng)新。創(chuàng)建可編程控制機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室,構(gòu)造開放的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。(3)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容創(chuàng)新。在可編程控制機(jī)器人的開發(fā)平臺(tái)上,充分發(fā)揮學(xué)生的想象力,設(shè)計(jì)制造各種各樣的機(jī)器人,提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

在C語(yǔ)言教學(xué)活動(dòng)中,通過引入機(jī)器人編程,并將其貫徹到整個(gè)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)過程中,能夠獲得非常好的效果,具體表現(xiàn)為:(1)可以促進(jìn)對(duì)C語(yǔ)言系列課程(如“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”“C課程設(shè)計(jì)”“C++”等)的改革創(chuàng)新,設(shè)計(jì)與開發(fā)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;(2)趣味性機(jī)器人實(shí)驗(yàn),寓教于樂,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情;(3)構(gòu)建創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)跨越多個(gè)平臺(tái),幫助學(xué)生學(xué)習(xí)各種相關(guān)知識(shí),鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力;(4)利用第二課堂培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神,組織學(xué)生參加各種機(jī)器人賽事,使學(xué)生的各種能力得到提高。

四、C語(yǔ)言課程開展機(jī)器人實(shí)驗(yàn)應(yīng)注意的幾個(gè)問題

在C語(yǔ)言教學(xué)中引進(jìn)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)的深化與改革。在具體實(shí)施過程中,需要注意以下幾方面的問題:

1.教育機(jī)器人的選型。在教學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中,應(yīng)根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)、培養(yǎng)目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)選擇合適的機(jī)器人機(jī)型,以保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。目前,國(guó)內(nèi)教育機(jī)器人的生產(chǎn)廠商及品牌有很多,可供選擇的空間較大。在選擇機(jī)器人時(shí)應(yīng)注意的是:首先,硬件要結(jié)構(gòu)緊湊,簡(jiǎn)潔實(shí)用,軟件使用C語(yǔ)言編程,提供字符界面或圖形化界面編程,糾錯(cuò)能力強(qiáng),功能強(qiáng)大;其次,結(jié)構(gòu)要牢固,抗壓抗摔,有較好的碰撞能力,功能較大;再次,所選機(jī)器人能滿足教學(xué)和競(jìng)賽的需要;第四,有良好的售后服務(wù)體系,配套教學(xué)資源豐富。

2.實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境較為較嚴(yán)肅、生硬和呆板。實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)應(yīng)該從教學(xué)和比賽的多個(gè)角度進(jìn)行綜合考慮,設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則:(1)以人為本,營(yíng)造一個(gè)有創(chuàng)新氛圍的全新學(xué)習(xí)空間;(2)課桌四周有充分的活動(dòng)空間和比賽空間;(3)力求體現(xiàn)學(xué)校特色,提升學(xué)校形象。

在機(jī)房空間較大的情況下可將機(jī)房與場(chǎng)地連在一起,便于管理;當(dāng)機(jī)房面積較小時(shí)可將機(jī)房和場(chǎng)地分開,但距離不宜太遠(yuǎn)。場(chǎng)地建設(shè)依據(jù)活動(dòng)的需要,因地制宜。一般來說,對(duì)于非比賽需要的場(chǎng)地,可以采用簡(jiǎn)易材料搭建,可讓學(xué)生參與搭建過程。搭建過程應(yīng)考慮搭建的場(chǎng)地是否適合機(jī)器人行進(jìn)的路線,以及編程設(shè)計(jì)能否滿足要求。學(xué)生參與搭建的過程中,分析、設(shè)計(jì)能力以及解決實(shí)際問題的能力都得到了提升。若是競(jìng)賽場(chǎng)地,則需要按競(jìng)賽規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)。

實(shí)驗(yàn)室建成后,應(yīng)滿足學(xué)生的系統(tǒng)化訓(xùn)練。學(xué)生可以利用該平臺(tái),動(dòng)手組裝和調(diào)試機(jī)器人,搭建檢測(cè)電路,編寫控制軟件,獲得全方位的、系統(tǒng)化的基礎(chǔ)工程訓(xùn)練。針對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)的高年級(jí)學(xué)生能進(jìn)行創(chuàng)新訓(xùn)練。學(xué)生可以利用該平臺(tái),進(jìn)行一些較深入的學(xué)習(xí)和研究,可以在該平臺(tái)進(jìn)行如人工智能,圖像處理,語(yǔ)音識(shí)別,機(jī)器人自主導(dǎo)航,面向?qū)ο缶幊?軟件工程,遺傳算法等方面的研究及驗(yàn)證。

3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與制定。在設(shè)計(jì)制定相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí),應(yīng)充分考慮人才培養(yǎng)目標(biāo)、學(xué)生的特點(diǎn)以及學(xué)生的要求等因素,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)緊密結(jié)合“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”等課程的知識(shí)點(diǎn)(如順序、分支、循環(huán)、數(shù)據(jù)與函數(shù)等),將教學(xué)要求與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)有機(jī)的結(jié)合在一起,使學(xué)生能夠通過實(shí)驗(yàn)熟練地掌握相關(guān)知識(shí)和技能,并能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的制定擬分四個(gè)階段逐步進(jìn)行。

第一階段:以典型的智能機(jī)器人為對(duì)象,掌握基本程序的編制,電機(jī)的控制方法,以及最簡(jiǎn)系統(tǒng)的組裝、編程、調(diào)試的方法,能夠?qū)崿F(xiàn)基本系統(tǒng)的各種控制,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主漫游等一些經(jīng)典控制項(xiàng)目,從而使學(xué)生對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件編制以及優(yōu)化有一定的認(rèn)識(shí)。

第二階段:在第一階段的基礎(chǔ)上增加標(biāo)準(zhǔn)傳感器,學(xué)生可以通過對(duì)典型傳感器的學(xué)習(xí),熟練掌握完整智能控制系統(tǒng)的編程與應(yīng)用方法,為其他各種傳感器與功能模塊的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

第三階段:在前兩個(gè)階段的基礎(chǔ)上增加各種擴(kuò)展傳感器、創(chuàng)新模塊套件及執(zhí)行機(jī)構(gòu),學(xué)生熟練應(yīng)用不同傳感器,獨(dú)立設(shè)計(jì)方案以及試驗(yàn)環(huán)境來實(shí)現(xiàn)不同功能。通過這個(gè)環(huán)節(jié),一方面學(xué)生可以進(jìn)一步了解不同傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理與應(yīng)用方法,另一方面通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

第四階段:通過對(duì)智能小機(jī)器人的學(xué)習(xí)發(fā)展到可以使用其他各種高級(jí)機(jī)器人,以點(diǎn)帶面,舉一反三地推廣到其他各種高級(jí)機(jī)器人控制系統(tǒng)的應(yīng)用,并且逐漸增加難度,體現(xiàn)由淺入深、層層深入的原則。

4.教師角色轉(zhuǎn)變及培訓(xùn)。教師必須熟練掌握機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的要領(lǐng),指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。教師應(yīng)在教育觀念上進(jìn)行轉(zhuǎn)變,教師不是教學(xué)的控制者,不是知識(shí)的灌輸者,而應(yīng)成為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者、幫助者,充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。教師應(yīng)在指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的過程中,引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)會(huì)與掌握機(jī)器人實(shí)驗(yàn)中所涉及的機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等多種學(xué)科的知識(shí),引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)對(duì)知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)與探索,不斷提高自己的各種能力。以情驅(qū)“動(dòng)”、任務(wù)驅(qū)“動(dòng)”、協(xié)作互“動(dòng)”都是為發(fā)展學(xué)生的教學(xué)目標(biāo)服務(wù)。

5.虛擬機(jī)器人與實(shí)體機(jī)器人并用。虛擬機(jī)器人其實(shí)是廠商提供的一套仿真系統(tǒng)軟件,用以模擬機(jī)器人運(yùn)行。它是一個(gè)虛擬機(jī)器人的程序編輯平臺(tái)和運(yùn)行平臺(tái)的集成環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)機(jī)器不足的情況下,使用虛擬機(jī)器人進(jìn)行前期的教學(xué)和演示,能收到較好的教學(xué)效果,并且有助于學(xué)生學(xué)習(xí)編程語(yǔ)言、感官系統(tǒng)、仿真技術(shù)等知識(shí)。

在機(jī)器人仿真系統(tǒng)中檢驗(yàn)程序的效果直觀,容易分析程序設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題。先通過仿真軟件發(fā)現(xiàn)問題,問題解決后再到機(jī)器人上實(shí)踐,這種做法有時(shí)候比直接利用機(jī)器人實(shí)踐的效果要好。

目前,很多機(jī)器人仿真系統(tǒng)都支持C語(yǔ)言編程,如VJC仿真軟件、NSTRSS 3D仿真系統(tǒng)、AI-CODE仿真系統(tǒng)等。下面以AI-CODE仿真系統(tǒng)為例,作一簡(jiǎn)要介紹。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖所示。

這套系統(tǒng)主要用于算法與程序設(shè)計(jì),它是一個(gè)通用平臺(tái),支持多種語(yǔ)言(如C,C++,Java等),可以滿足教學(xué)多樣性的需要。它分為初級(jí)、中級(jí)和高級(jí)三個(gè)階段,既可以通過圖形化編方式(流程圖式的編程方式)進(jìn)行程序設(shè)計(jì),也可以利用代碼編輯器(CodeCanvas)轉(zhuǎn)換到C、C++、java 等常用語(yǔ)言下的代碼編程。所有設(shè)計(jì)的代碼都可以在AIRobot 環(huán)境下以虛擬機(jī)器人的形式進(jìn)行競(jìng)技、演示等各種交互,仿真能力很強(qiáng)。在仿真系統(tǒng)調(diào)試通過以后,再移植于實(shí)體機(jī)器人中運(yùn)行,讓機(jī)器人在真實(shí)環(huán)境中工作,以檢驗(yàn)實(shí)際效果。

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