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智能机器人中学教学研究

来源:UC论文网2019-04-07 09:34

摘要:

  摘要:随着智能机器人技术课程的开设在各中小学越来越普遍,如何提高学生兴趣,提高教学质量,提高教学效果,培养学生创新及开发能力是教学的重点。本文主要对智能机器人在中学物理教学中的应用进行了分析。  关键词:智能机器人;中学;教学方法  作者:洪智  1前言  智能机器人,它代表了高技术的发展前沿,是当代科技中的前沿和尖端,综合了多学科的发展成果,集计算机技术、通信技术、传感技术、机械技术等于一体...

  摘要:随着智能机器人技术课程的开设在各中小学越来越普遍,如何提高学生兴趣,提高教学质量,提高教学效果,培养学生创新及开发能力是教学的重点。本文主要对智能机器人在中学物理教学中的应用进行了分析。


  关键词:智能机器人;中学;教学方法


  作者:洪智


  1前言


  智能机器人,它代表了高技术的发展前沿,是当代科技中的前沿和尖端,综合了多学科的发展成果,集计算机技术、通信技术、传感技术、机械技术等于一体,是开展教学的良好载体和教学内容。上海二期课改对劳技教学的要求从技能本位转向技术能力和共同能力的协调发展,强调从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个维度制定教学目标。无疑,开展适当的智能机器人教学既对上述内容的实现大有裨益,同时也是“应试教育”向“素质教育”转轨的重大举措;是培养学生科学素养、创新意识的重要组成部分。我市自2000年起就在部分中小学开设了智能机器人相关课程以及社团活动,并且在多年的实践探索中积极参与各级竞赛,取得一系列比较喜人的成绩。本文主要分析了智能机器人在中学物理教学中的应用。


  2在“杠杆”教学中的应用


  “杠杆”在中学物理中属于较难学习的内容之一,虽然也有相应的探究实验可以帮助学生理解相关知识,但是由于这部分内容灵活度较高,可供实践的例证较少,所以掌握起来较为困难。但在智能机器人领域,杠杆的应用却极为广泛,智能机器人的基础结构、运动系统、能量传输系统都离不开杠杆的作用。学生在构建智能机器人机械结构的过程中必然会使用到杠杆的相关知识,甚至为了能更好地应用、发挥结构的最大特点,不得不对杠杆原理作深入的研究,这种出于应用的研究要远比书本知识来得直观、深刻,并且还充分调动了学生主动学习的积极性。例如,智能机器人的机械臂(图1)。如何让机械臂更好地抓取物体是一个让学生很费脑筋的问题,教师不妨将图1所示的2个模型在讲授“杠杆原理”时拿出来让学生讨论:图1-a智能机器人的手臂是个什么类型的杠杆(费力杠杆)?它有什么特点?适合抓取什么类型的物体?图1-b智能机器人的手臂是什么类型的杠杆(省力杠杆)它又有什么特点?适合抓取什么类型的物体?这两个机械臂如何控制抓取的幅度而不至于损坏?它们又有什么缺点?应该如何改进?学生能回答出以上问题,杠杆的相关知识就已经不知不觉地印入他们的脑海中了。这其中没有“填鸭式”的说教,没有枯燥的例题计算,有的只是对现实问题的思考和相关知识的应用。


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  图1智能机器人的机械臂


  3在“摩擦力”教学中的应用


  要想让智能机器人运动起来需要腿或者轮胎。而轮胎由于其灵活度高、组装方便被广泛采用。但是面对不同的任务,选择合适的轮胎显得尤为重要。仅以乐高智能机器人为例,在基本套装内提供了多种轮胎,这就要求学生根据不同的场地来选择,而选择的方法就是要靠物理学中摩擦力的知识。在传统的教学中,摩擦力是公认的最为抽象、最不好理解的内容。在引入智能机器人后,由于有了具体的例证,这部分内容的学习就变得简单多了。


  图2所示为乐高智能机器人的3种轮胎,左边是第1种软性薄轮胎,中间是第2种质地较为坚硬的厚轮胎,右边第3种是履带。一般来说,在要求智能机器人灵活性的情况下,第1种软性轮胎可以在摩擦力很小时工作良好,它与接触面间是以滚动摩擦为主,其摩擦力远小于同条件下的滑动摩擦力。在要求智能机器人抓地性能良好的情况下,如遇到大量转向、简单障碍时,因为要利用较大摩擦力,所以就应该选择第2种轮胎,通过增加静摩擦或者滑动摩擦来换取更好的牵引效果。如果场地复杂或者有较大角度的斜面,那么第3种履带则是最佳选择,不仅摩擦力大而且与地面接触面大,能较好地通过各种障碍。


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  图2乐高机器人轮胎


  在笔者带领学生参加青少年智能机器人足球比赛的过程中,由于场地过于光滑,一度出现轮胎打滑的现象,学生利用中场休整的机会,用随身携带的简易工具迅速在轮胎上刻出一些纹路,果然收到了良好效果。事后在谈到原因时,学生自豪地告诉笔者,是利用了物理学中学到的在压力一定时,滑动摩擦力与表面粗糙程度有关的知识。


  4在“功率”教学中的应用


  马达是智能机器人的主要动力源,它可以(下转第120页)(上接第118页)使智能机器人执行移动、载重、控制手臂、抓取物体、抽气等其他需要动力源的动作。学生在初次接触智能机器人马达时可能并不会在意马达的功率问题,但随着研究的深入,学生会深刻地意识到智能机器人的运动速度很快时负载就会变小,而负载增大时速度就必然变慢。教师这时就可以适时提出功率的问题:功率等于牵引力和速度的乘积。一台马达的输出功率恒定,速度越大牵引力越小。所以当需要较快速度时,要选择大齿轮驱动小齿轮,牺牲牵引力来获得速度;当需要较大牵引力时,要选择小齿轮驱动大齿轮来获得牵引力。


  5在“电流”教学中的应用


  在一场智能机器人比赛中,竞赛规则强调在全场比赛中不得更换电池,所以能否让智能机器人的电源支撑足够长的时间成为考验学生智慧的难题。学生要根据现场发放的电池电量迅速计算输出电流和工作时间,这样,物理公式Q=It在这里就派上了用场。在电池上会标明电池电量为2800mAh,而全场比赛时间为30min,也就是0.5h,那么,代入公式自然会算出可输出电流为5600mA,也就是5.6A。考虑到实际智能机器人的输出效率,而电源同时要给RCX供电,则将马达输出电流调整为0.3A左右较为合适,所以选择的马达应该为中速马达。


  另外,电流分为直流电(DC)和交流电(AC)两种。家里使用的就是交流电,而电池是一种最常用的直流电源,乐高的电动组件包括马达都使用直流电源。而直流电源有正负极,它表示电流的流动方向:从负极流向正极。如果将马达与电池间的导线变换方向,其旋转方向也会随之改变。每个马达都有额定电压,当然电压低于额定电压时马达也能工作,只是会转得慢点;但如果超过额定电压,马达就有可能烧掉。


  电流还有其他特性:电流的变化是根据马达的工作状态改变的:负载越高,电流越大。当马达与RCX连接使用时,如果有力阻碍它旋转时,就必须停止马达。因为马达会把电流不断地转变成内能,从而使马达的温度迅速升高,这是典型的非纯电阻电路的性质,对马达会造成严重危害。


  6在“电动机和发电机”教学中的应用


  在学习了电动机和发电机时,细心的学生会发现两者的内部构造完全一样,只不过外界提供电源时线圈会在磁场中转动,而外界提供转动力时会在线圈中产生感应电流。那么,如果先转动电动机的线圈,电动机能否发电呢?此时,教师可以拿出两个相同的电动机彼此连接上,用手将其中一个电动机带动旋转,学生会惊奇地发现另一个电动机也开始旋转。这充分说明电动机和发电机的构造相同,区别在于能量的转化方向:电动机是电能转化为机械能,发电机是机械能转化为电能。笔者在教学过程中演示该实验时,从学生惊异的表情中知道学生不仅已将该知识点记住,而且印象非常深刻。可见,物理知识和智能机器人的联系非常紧密。


  7结论


  除此之外,智能机器人在物理课堂教学中的应用还有很多,例如,能量的转化,角速度和线速度,加速度,力的合成与分解,等等。只要教师充分挖掘,智能机器人的应用几乎是无限的。学生在接触和学习智能机器人的过程中,实际上是在智能机器人研究探索中对其他学科知识的拓展。随着智能机器人课程在各中学变得越来越普遍,如何结合智能机器人技术的发展做好智能机器人的教学工作是许多智能机器人教育工作者关心的问题。笔者通过对智能机器人教学课程进行深入地理论研究,结合本市智能机器人教学的实际情况,对以“未来之星”智能机器人为平台的智能机器人教学课程进行了研究和探索,并在实际教学工作中进行了实践,取得了良好的教学效果。

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