尹 华 肖随贵

[摘要]文章探讨了在C语言程序设计课程教学中引入机器人实验的必要性、意义及创新点,并讨论了在C语言课程教学中开展机器人实验应注意的几个问题。

[关键词]C语言课程 教育机器人 实验 教学改革

[作者简介]尹华(1975- ),女,赣南师范学院数学与计算机科学学院,讲师,主要从事计算机教学与应用研究;肖随贵(1956- ),男,赣南师范学院数学与计算机科学学院,教授,主要从事计算机教学与应用研究。(江西赣州341000)

[课题项目]本文系赣南师范学院质量工程项目课题“基于可编程控制机器人比赛的C语言系列课程创新实验项目”的研究成果。

[中图分类号]G424.21 [文献标识码]A [文章编号]1004-3985(2009)33-0182-02

一、“C语言程序设计”课程实验现状

目前,我国大部分高校的理工科专业都开设了“C语言程序设计”课程,而计算机科学与技术、网络工程等专业还开设了“C语言课程设计”“面向对象程序设计(C++)”等课程。通过系统地学习“C语言程序设计”课程,学生掌握了如何使用计算机语言进行程序设计,以及程序设计的基本思想、基本方法和技巧,达到通过学习相关课程使学生能够利用C语言解决实际问题的教学目标,并为后继课程打下坚实的基础。

“C语言程序设计”是一门实践性很强的课程,实验课时比重很大。例如,赣南师范学院的2008人才培养方案中C语言的实验课时增至32学时,占总学时的1/2。在进行实验教学中,大部分是验证性实验,最后是综合性实验。由于C语言的实验环境是在字符方式下进行的,实验过程比较枯燥,实验结果的表示单调,学生学习兴趣不高,学习效果不佳,导致学生的综合应用能力不高,甚至影响到后继课程的学习。因此,应该采取哪些措施,通过实验提高学生的学习兴趣,提高学生的动手能力和解决实际问题的能力,是实验教学改革的一项重要任务。为此,我们设计了一套能调动学生学习积极性、提高学生综合应用能力的实验项目。

二、在C语言教学实验中引入教育机器人

近年来,可编程控制机器人和可编程控制机器人学发展非常迅速。教育机器人是将机器人应用于教育领域,是由生产厂商专门开发的以激发学生学习兴趣、培养学生综合能力为目标的机器人成品、套装或散件。它除了机器人机体本身之外,还有相应的控制软件和教学课本等。

从教育机器人的发展情况来看,硬件技术方面已经非常成熟,设备的可靠性、灵活性、耐用性等性能都已得到社会的广泛认可。教育机器人的硬件配件多样,技术支持能力强,价格也相对便宜。控制操纵机器人的关键问题之一是软件设计,主要是通过C语言或VC++等程序设计语言进行程序设计,通过编程对机器人进行控制。这就给计算机专业的学生提供了广阔的开发平台,通过编程对机器人进行操纵,使其完成各种任务,培养了学生的综合应用能力。

用于实验创新的教育机器人种类繁多,依据可编程控制机器人可以设计出各种机器人,创造空间巨大,例如使用AS-ROBEI机器人工程创新套件就能设计一百万种机器人,如投球机器人、救火机器人、追光机器人等。

教育机器人已引起了国内很多学校的关注和重视,在教学活动中纷纷引入教育机器人并取得了良好的效果。

三、在C语言教学实验中引入教育机器人的意义及创新之处

“机器人是一种能够通过程序控制,自主完成某类任务的机器系统”,在“C语言程序设计”教学中通过“程序控制”与机器人动作紧密联系起来,应用各种程序使机器人完成各种动作(如搬运、灭火等),使教学与实验“动起来”“活起来”,提高了学生的学习兴趣、综合应用能力和创新能力,从而提高了教学质量。

在C语言教学中引入机器人实验有如下几点创新之处:(1)教育理念创新。通过引入可编程控制机器人,改变了传统的实验教学理念。一是实验中,教师引导学生自己设计与控制机器人,学生体验到学习的快乐;二是精心设计机器人实验,对学生实行个性化教育;三是通过教育机器人的实验,发展学生的多种能力,如分析能力、创造能力和实践能力等。(2)实验手段创新。创建可编程控制机器人实验室,构造开放的实验平台。(3)实验内容创新。在可编程控制机器人的开发平台上,充分发挥学生的想象力,设计制造各种各样的机器人,提高学生的创新能力。

在C语言教学活动中,通过引入机器人编程,并将其贯彻到整个教学与实验过程中,能够获得非常好的效果,具体表现为:(1)可以促进对C语言系列课程(如“C语言程序设计”“C课程设计”“C++”等)的改革创新,设计与开发创新性实验项目;(2)趣味性机器人实验,寓教于乐,激发学生学习热情;(3)构建创新实验跨越多个平台,帮助学生学习各种相关知识,锻炼学生的动手能力;(4)利用第二课堂培养学生实践能力和创新精神,组织学生参加各种机器人赛事,使学生的各种能力得到提高。

四、C语言课程开展机器人实验应注意的几个问题

在C语言教学中引进机器人实验是对传统教学与实验的深化与改革。在具体实施过程中,需要注意以下几方面的问题:

1.教育机器人的选型。在教学实验活动中,应根据专业特点、培养目标、实验经费选择合适的机器人机型,以保证实验的顺利进行。目前,国内教育机器人的生产厂商及品牌有很多,可供选择的空间较大。在选择机器人时应注意的是:首先,硬件要结构紧凑,简洁实用,软件使用C语言编程,提供字符界面或图形化界面编程,纠错能力强,功能强大;其次,结构要牢固,抗压抗摔,有较好的碰撞能力,功能较大;再次,所选机器人能满足教学和竞赛的需要;第四,有良好的售后服务体系,配套教学资源丰富。

2.实验室的设计。传统的计算机实验室环境较为较严肃、生硬和呆板。实验室的设计应该从教学和比赛的多个角度进行综合考虑,设计应遵循以下原则:(1)以人为本,营造一个有创新氛围的全新学习空间;(2)课桌四周有充分的活动空间和比赛空间;(3)力求体现学校特色,提升学校形象。

在机房空间较大的情况下可将机房与场地连在一起,便于管理;当机房面积较小时可将机房和场地分开,但距离不宜太远。场地建设依据活动的需要,因地制宜。一般来说,对于非比赛需要的场地,可以采用简易材料搭建,可让学生参与搭建过程。搭建过程应考虑搭建的场地是否适合机器人行进的路线,以及编程设计能否满足要求。学生参与搭建的过程中,分析、设计能力以及解决实际问题的能力都得到了提升。若是竞赛场地,则需要按竞赛规则和标准进行建设。

实验室建成后,应满足学生的系统化训练。学生可以利用该平台,动手组装和调试机器人,搭建检测电路,编写控制软件,获得全方位的、系统化的基础工程训练。针对计算机专业的高年级学生能进行创新训练。学生可以利用该平台,进行一些较深入的学习和研究,可以在该平台进行如人工智能,图像处理,语音识别,机器人自主导航,面向对象编程,软件工程,遗传算法等方面的研究及验证。

3.实验教学计划与实验项目的设计与制定。在设计制定相关实验项目时,应充分考虑人才培养目标、学生的特点以及学生的要求等因素,实验项目应紧密结合“C语言程序设计”等课程的知识点(如顺序、分支、循环、数据与函数等),将教学要求与机器人实验有机的结合在一起,使学生能够通过实验熟练地掌握相关知识和技能,并能激发学生的学习兴趣。

实验教学计划与实验项目的制定拟分四个阶段逐步进行。

第一阶段:以典型的智能机器人为对象,掌握基本程序的编制,电机的控制方法,以及最简系统的组装、编程、调试的方法,能够实现基本系统的各种控制,实现机器人的自主漫游等一些经典控制项目,从而使学生对机构设计、软件编制以及优化有一定的认识。

第二阶段:在第一阶段的基础上增加标准传感器,学生可以通过对典型传感器的学习,熟练掌握完整智能控制系统的编程与应用方法,为其他各种传感器与功能模块的应用打下基础。

第三阶段:在前两个阶段的基础上增加各种扩展传感器、创新模块套件及执行机构,学生熟练应用不同传感器,独立设计方案以及试验环境来实现不同功能。通过这个环节,一方面学生可以进一步了解不同传感器及执行机构的工作原理与应用方法,另一方面通过设计实验来培养学生解决实际问题的能力。

第四阶段:通过对智能小机器人的学习发展到可以使用其他各种高级机器人,以点带面,举一反三地推广到其他各种高级机器人控制系统的应用,并且逐渐增加难度,体现由浅入深、层层深入的原则。

4.教师角色转变及培训。教师必须熟练掌握机器人实验的要领,指导学生进行实验。教师应在教育观念上进行转变,教师不是教学的控制者,不是知识的灌输者,而应成为学生学习的引导者、帮助者,充分发挥学生学习的积极性、主动性,培养学生的创新思维。教师应在指导学生实验的过程中,引导学生领会与掌握机器人实验中所涉及的机械、电子、计算机等多种学科的知识,引导学生主动对知识进行学习与探索,不断提高自己的各种能力。以情驱“动”、任务驱“动”、协作互“动”都是为发展学生的教学目标服务。

5.虚拟机器人与实体机器人并用。虚拟机器人其实是厂商提供的一套仿真系统软件,用以模拟机器人运行。它是一个虚拟机器人的程序编辑平台和运行平台的集成环境。在实验经费和实验机器不足的情况下,使用虚拟机器人进行前期的教学和演示,能收到较好的教学效果,并且有助于学生学习编程语言、感官系统、仿真技术等知识。

在机器人仿真系统中检验程序的效果直观,容易分析程序设计中出现的问题。先通过仿真软件发现问题,问题解决后再到机器人上实践,这种做法有时候比直接利用机器人实践的效果要好。

目前,很多机器人仿真系统都支持C语言编程,如VJC仿真软件、NSTRSS 3D仿真系统、AI-CODE仿真系统等。下面以AI-CODE仿真系统为例,作一简要介绍。系统总体架构如图所示。

这套系统主要用于算法与程序设计,它是一个通用平台,支持多种语言(如C,C++,Java等),可以满足教学多样性的需要。它分为初级、中级和高级三个阶段,既可以通过图形化编方式(流程图式的编程方式)进行程序设计,也可以利用代码编辑器(CodeCanvas)转换到C、C++、java 等常用语言下的代码编程。所有设计的代码都可以在AIRobot 环境下以虚拟机器人的形式进行竞技、演示等各种交互,仿真能力很强。在仿真系统调试通过以后,再移植于实体机器人中运行,让机器人在真实环境中工作,以检验实际效果。

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