（计算机应用技术专业论文）基于web的robolab机器人编程虚拟学习系统的研究与实现.pdf

摘要 机器人教学作为实施素质教育的有效方式已在全国基础教育领域内推广。如 何使这门新兴学科更好的为素质教育服务探索新型的机器人教学方式，构建和 丌发适合的机器人教学系统和教育平台是我们面临的一个崭新课题。本论文针对 这一课题进行了探索和实践。 本文首先分析了传统教学方式的不足，阐述了开展机器人教学的必要性和重 要意义，简单介绍了我国机器人教学的现状，提出了一种切合实际需要的基于 w e b 的新型机器人教学模式。结合实际教学需要，本文研究并实现了应用于这 种新型机器人教学模式下的学习平台基于w e b 的r o b o l a b 机器人编程虚 拟学习系统。该系统以建构主义理论为指导，借助现代计算机技术，实现了机器 人教学的网络课堂、网上答疑、网上虚拟实验和作业提交等功能。 本文详细介绍了该系统的设计思想、总体框架、软件实现技术和系统功能特 点，并对系统构建中采用的关键技术进行了深入的阐述。本文还详细介绍了学习 系统中独具特色的虚拟实验子系统的设计和实现方法。虚拟实验系统实现了将机 器人搭建和编程集成在一起的构想，使用这个实验系统可以有效帮助学生理解程 序如何控制机器人行动，掌握机器人编程语言，并大大缓解机器人器材不足的矛 盾，降低器材的损耗。 由于本系统是基于w e b 的机器人学习平台，并且提供了虚拟实验环境，而 目前国内的机器人教学多数尚处于单机教学、单兵教练阶段，更没有类似于本系 统的网上虚拟实验教学环境，故本系统在国内尚属领先，具有较强的实用价值和 推广意义。 关键字：r o b o l a b 机器人虚拟学习w e b 数据库 a b s t r a c t r o b o tt e a c h i n gi sav a l i dw a yo fi m p l e m e n t i n ge d u c a t i o nf o ra l l r o u n d d e v e l o p m e n t i th a sa l r e a d ye x p a n d e di nt h ef i e l do fn a t i o np r i m a r ys c h o o l i n g h o w m a k et h i sn e w l yc o u r s eb e a e rt os e r v ef o rt h ee d u c a t i o nf o ra l l r o u n dd e v e l o p m e n t e x p l o r et h en e w r o b o tt e a c h i n gm e t h o d ，s e tu pa n dd e v e l o pt h es u i t e dr o b o tt e a c h i n g s y s t e ma n de d u c a t i o nt e r r a c ei sab r a n d n e wt o p i ct h a tw ef a c e t h et h e s i sc a r r i e so n i n v e s t i g a t i n ga n dp r a c t i c i n gt ot h i st o p i c a tf i r s tt h i st h e s i sa n a l y z e st h es h o r t a g eo ft r a d i t i o n a lt e a c h i n gm e t h o d i t e x p l a i n st h en e c e s s i t ya n di m p o r t a n tm e a n i n g so ft h er o b o tt e a c h i n g f u r t h e r m o r ei t i n t r o d u c e st h ec u r r e n ts i t i l a t i o no fo u rc o u n t r yr o b o tt e a c h i n gi nb r i e f i ta l s op u t s f o r w a r dak i n do fn e wr o b o tt e a c h i n gm o d eb a s e do nw e bt h a ts u i tt h ea c t u a ld e m a n d c o m b i n et h ea c t u a lt e a c h i n gd e m a n d t h i st h e s i ss t u d ya n ds e t su pal e a r n i n gt e r r a c e a p p l yt ot h en e wr o b o tt e a c h i n gm o d e - b a s e do nw e br o b o l a bv i r t u a ll e a r n i n g s y s t e m u s et h ec o n s t r u c t i v i s t i ct h e o r ya st h el e a d i n g 。w i t ht h eh e l po fm o d e m t e c h n i q u eo fc o m p u t e r ，t h i ss y s t e mr e a l i z e st h ef o n c t i o no fs t u d yo nl i n e ，a n s w e r q u e s t i o no nt h en e t ，v i r t u a le x p e r i m e n to nl i n ea n du p l o a dh o m e w o r k ，e t c t h et h e s i si n t r o d u c e st h ef e a t u r eo ft h ed e s i g n ，t h eo u t l i n e ，t h et e c h n o l o g y ，t h e f u n c t i o no ft h et e r r a c e 0 nt h eo t h e rh a n d i ta l s og i v e su sad e e pi n t e r p r e t a t i o no ft h e k e ys k i l l sw h i c hi su s e df o rb u i l d i n gt h es y s t e m t h et h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g n i n g a n dr e a l i z i n gm e t h o d so ft h ev i r t u a le x p e r i m e n ts y s t e mt h a to fs p e c i a lf e a t u r e si nt h e s t u d ys y s t e mi nd e t a i l t h ev i r t u a le x p e r i m e n ts y s t e mc o m b i n e sb u i l d i n gr o b o tw i t h m a k i n gp r o g r a m t h ee x p e r i m e n ts y s t e mc a no f f e rs t u d e n t sw a y si nl e a r n i n gr o b o t p r o g r a ml a n g u a g e ，a n dc o n t r o l l i n gr o b o ta c t i o n s ，t h u s ，t h ei n s u f f i c i e n c yo fr o b o t e q u i p m e n ti ss o o t h e d a n dc o n s u m p t i o no f t h a tr o b o te q u i p m e n tr e d u c e d t h i ss y s t e mi sas t u d yt e r r a c eo fr o b o tl e a m i n gb a s e do nw e b na l s op r o v i d e sa v i r t u a le x p e r i m e n te n v i r o n m e n t i no u rc o u n t r ym a n yp r e s e n ts y s t e m s1 i k e t h i sa r e s i n g l ec o m p u t e rt e a c h i n g f e wa r es i m i l a rt ot h i sv i r t u a le x p e r i m e n te n v i r o n m e n t s o i ti si nt h e1 e a di n t h i sf i e l da n di th a sm u c hm o r ep r a c t i c a lv a l u ea n de x t e n d i n g m e a n i n g t h a no t h e r s k e yw o r d s ：r o b o l a b r o b o tv i r t u a ls t u d yw e bd a t a b a s e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盔盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名刮郫。签字隰力吖年尹月2 南 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基望盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名川绦多c ， 签字目期妇，1 叮年? 月日 翮麟竹1 签字日期：少f 年扩月确丑 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 时代呼唤机器人教育 2 l 世纪的国际竞争无疑是人才的竞争，因此，人才的素质教育显得至关重 要。而我们所说的素质不是仅仅指灌输的知识，而是潜移默化的能力。机器人技 术是集光电信息自动化于一身的高新技术，面对2 1 世纪知识经济的挑战，在学 生中开展机器人教学和活动，是发扬青少年个性的良好途径，不仅可以普及电脑 知识，同时也可培养开发中小学生的动手能力、创新意识和团结合作精神。在设 计和制作机器人的过程中，学生不仅可以学到有关机械、电子、计算机等多学科 的技术知识，更可帮助他们培养良好的生活习惯，培养他们的创新意识，通过编 写机器人程序还能培养学生严谨的思维。 “闻之不如见之，见之不如知之，知之不如行之”，给人印象最深的是在积 极主动的参与过程中所获取的信息。“当孩子们投入全心创作具有现实意义的产 品过程中时，他们进入了最佳的学习状态中。”机器人教育即能为学生创建这样 的环境和条件。学生在亲身参与机器人的制作过程中，通过观察、探索、模型搭 建、程序编写，分析解决一定的问题，可以提高动手、动脑能力，体验挑战困难、 获得成功的快乐，培养自信心与创造力。因此，机器人教育有利于推进素质教育 的实施，充分调动和发挥学生的学习积极性，帮助他们树立自信心，学会与人沟 通、交流，培养团队合作精神，引导他们学会观察、学会表达、学会思考、学会 创新，培养他们成为勤奋、积极、乐观、自信的人。 目前欧美等发达国家均投巨资立项研究，并设立了“机器人学专业”，从小 学生起就开始普及机器人教育。近年来，我国也开始将机器人引入中小学教育。 最新颁布的普通高中技术课程标准中已经将机器人列入了学习范围，课程标 准的第三部分“通用技术”将“简易机器人制作”设置为高中选修课程，要求学 生通过这一选修模块的学习，能够设计与制作由单片机和传动机械等组成的简易 自动控制机器或简单的自动控制系统【l 】。目前全国已有很多学校开展了各种形式 的机器人教学，机器人教学越来越受到关注与重视。 1 1 1 1 什么是机器人1 2 】 机器人是2 0 世纪才出现的新名词。1 9 2 0 年捷克斯洛伐克作家萨佩克写了 一个名为洛桑万能机器人公司的剧本，他在剧本中第一次提出了机器人( r o b o t ) 第一章绪论 这个词。“r o b o t ”从古代斯拉夫语“r o b o t a ”一词演变而来，意为“强迫劳动”，汉 语音译为“罗伯特”。萨佩克在二十世纪工业革命后技术和生产快速发展的背景 下，根据它造出了具有“奴隶机器”含义的新词“r o b o t ”。 1 9 5 9 年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的 历史才真正开始。机器人问世已有几十年，但是机器人的定义仍然没有一个统一 的意见。原因之一是机器人还在发展，新的机器人、新的功能不断涌现。根本原 因是机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。 在1 9 6 7 年第一届机器人学术会议上，日本学者提出了两个有代表性的定义。 一是森政弘与合罔周平提出的：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、 通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7 个特征的柔性机器”。从这一定义 出发，森政弘又提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通 用性、信息性、柔性、有限性、移动性等l o 个特性来表示机器人的形象。另一 个是加藤一郎提出的具有如下3 个条件的机器称为机器人： ( 1 ) 具有脑、手、脚等三要素的个体； ( 2 ) 具有非接触传感器( 用眼、耳接受远方信息) 和接触传感器； f 3 ) 具有平衡觉和固有觉的传感器。 我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是 这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能 力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。 机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高技术的发展前沿，它在人类 生活的应用领域不断扩大。机器人技术作为2 0 世纪人类最伟大的发明之一，自 6 0 年代初问世以来，经历4 0 年的发展已取得长足的进步。随着机器人技术的飞 速发展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也将 不断充实和创新。 1 1 1 2 开展机器人学科教学的格要性” 机器人学科教学，是指把机器人学看成是一门科学和一种现代社会成员应该 掌握的文化，在各级各类教育中，以专门课程或学科渗透( 整合) 的方式，使所 有学生都掌握关于机器人学的基本知识与基本技能。在学生中进行机器人教学， 不仅可以普及电脑知识，同时也将有利于推动素质教育和提高中小学生的动手能 力。加强机器人学科教学，具有如下几个方面的必要性： fl1 普及机器人知识的需要。要破除对机器人的神秘感，提高全社会对机器 人的认识，促进机器人在社会各领域的应用，必须通过加强机器人学科教学，使 机器人知识普及化。 ( 2 ) 提高机器人应用水平的需要。机器人的应用中，存在着编程控制、管理 第一章绪论 维护、人机关系等一系列有待处理的工作。只有操作者了解机器人的原理、结构、 功能、使用方法、注意事项，才能提高机器人的应用效能。 ( 3 ) 提高机器人研制能力的需要。机器人的研制，需要一大批懂得多学科知 识的专门人才，特别是要不断学习与应用最新科研成果。这有赖于多形式多层次 的机器人教育。 ( 4 ) 加强机器人专业建设的需要。开展机器人学科教学，有助于为机器人专 业建设创设良好的环境。机器人学科课程、教材、教法的研究，能为机器人专业 系列课程的改革提供参考。 ( 5 ) 深入开展信息技术教育的需要。开展机器人教育，有助于克服信息技术 教育的一些弊端。例如，用机器人的教学内容作为程序设计教学的启蒙内容，可 以降低程序设计教学入门的门槛。在学习为机器人编写程序的过程中，学生能够 获得成功的喜悦、建立成功的信心。智能机器人使程序设计的学习与信息技术的 前沿领域紧密的结合在一起，从而提高了学生的学习兴趣，激发了学生的学习积 极性。 ( 6 ) 与国际接轨的需要。日本、美国等一些发达国家高度重视机器人学科教 育对高科技社会的作用和影响，己在信息技术课与课外科技活动中开设了有关机 器人的课程内容。要赶超世界教育先进水平，必须大力加强机器人教育。 ( 7 ) 迎接智能机器人时代的需要。据预测，2 l 世纪中期，人类社会将全面 进入以智能机器人为代表的智能时代。最近1 0 年，有关机器人的研究与应用水 平将取得重大突破。机器人的广泛应用将极大促进社会生产力的发展与产业结构 的调整；机器人的制造与销售将成为一个新的经济增长点。 1 1 2 我国中小学机器人教学的现状【4 j 丌展机器人教育，有助于使我们不至于在机器人时代落伍。目前我国已经认 识到开展机器人教育的重要性，许多中小学都开展了机器人的课常教学和课外活 动。北京、天津、上海、广东、浙江、江苏、湖北等省市已经先后将机器人纳入 地方课程或校本课程。 此外，我国每年定期举办各种机器人竞赛活动以促进机器人教学在学校中的 普及和发展。青少年机器人竞赛是以弘扬科学技术，突显创造与创新，强化团队 合作，培养科学素养，关联当今世界面临的问题与机遇为宗旨的一项综合多种学 科知识和技能的青少年科技活动。中小学机器人教育与实践活动，是落实新课标 要求，开展素质教育的一项崭新的内容。教育部从二0 0 三年起，把中小学机器 人比赛纳入全国中小学电脑制作活动，也显示了国家对机器人教育的重视。这些 竞赛活动的开展极大地推动了我国机器人教育的发展，也对我国的机器人教育提 第一章绪论 出了挑战和更高的要求。 综观我国的机器人教学，尚处在初级阶段。机器人进入中小学校仅仅几年时 恻，许多地区和学校的机器人教学都是各自为政，缺乏系统性。而从事机器人教 学工作的教师多数由科技辅导员或信息技术教师兼任，这些教师大都根据自己以 往的经验开展教学活动，这一学科的教学方式、教学手段都处于摸索时期。同时， 用于机器人教学的教育软件和平台也很匮乏。令人欣喜的是，随着机器人教学的 普及和深入开展，已经有不少学者和教师开始了相关的研究和探索。目前，已有 教师开发了用于枧器人教学的多媒体形式的课件和网站形式的教材，但是它们仅 仅是对学习内容的静态呈现，尚缺乏对整体教学环境、交互性及个别化教学的设 计。因此探索新型的更加符合机器人学科特点的机器人教学模式，构建和开发适 合的机器人教学系统和教育平台是我们面临的一个崭新课题。 1 1 3 传统教学模式的弊端p j 各种基本的教学方法与综合性教学方法几乎都可用于机器人学科教学，传统 的课堂教学模式长期统治着我国各级各类学校的课堂，在机器人教学中也被广泛 采用。但是，要使机器人教学发挥学科自身优势，培养创造型人材，应特别注意 克服传统教学模式的缺点。传统的教学模式基本上是以教师教、学生学的以教师 为中心的教学模式。这种教学模式有利于教师主导作用的发挥，便于教师组织、 监控整个教学活动进程，便于师生之间的情感交流，因而有利于系统的科学知识 的传授。但它也有着严重的弊端，即完全由教师主宰课堂，忽视学生的认知主体 作用，不能快速、有效地进行信息的反馈。 行为主义是以教师为中心的教学模式的理论基础。行为主义学派主张心理学 只研究外显行为，反对研究意识和内部心理过程。他们把个体行为归结为个体适 应外部环境的反应系统，即所谓“刺激一反应系统”，学习的起因被认为是对外 部刺激的反应。但是他们不关心刺激所引起的内部心理过程，认为学习与内部心 理过程无关，因此只要控制刺激就能控制行为和预测行为，从而也就能控制和预 测学习效果。这就是行为主义学习理论的基本观点。根据这种观点，人类学习过 程被解释为被动地接受外界刺激的过程，而教师的任务只是提供外部刺激，即向 学生灌输知识。学生的任务则是接受外界刺激，即理解和吸收教师传授的知识。 因此，以教师为中心的传统教学模式培养出的绝大部分是知识型人材，不利于培 养具有创新思维和创新能力的创造型人材，与机器人学科特点极不相衬，不利于 充分发挥这门学科应有的作用。 1 2 研究内容 4 第一章绪论 为克服传统教学模式对机器人教学的不利影响，优化机器人教学环境，本文 进行了探索和实践，提出了- - k o 基于w e b 的新型机器人教学模式。这种教学模 式以建构主义理论为指导，以网络为平台，综合了讲授式、讨论式和个别化学习 等多种教学方式的应用，充分体现了学生的主体地位。为支持这一新型教学模式 的实践和应用，本课题以乐高机器人为具体研究对象，在i n t e r n e t 和校园网的基 础上，运用a s p 技术、多媒体著作工具和虚拟实验制作工具建立了一个高效的、 交互性良好的w e b 虚拟学习系统。 乐高机器人是目前中小学中较为流行的教育机器人之一，使用可编程乐高积 木r c x 微型电脑，搭建机器人模型，通过图形化的编程语言r o b o l a b 来编写程序，控制机器人的行动。乐高机器人的引入为我国的素质教育注入了活 力，但也存在些问题。首先，乐高机器人价格不菲，学校一般无力保障人手一 套，大多数学生也无力自费购置。因而，学生无论是在学校还是在家里都无法保 证得到足够的练习机会。此外，由于搭建机器人和编程相对独立，可以分别进行， 学生对程序如何控制机器人行动不易理解和掌握。而教师用机器人实物进行讲解 演示时，由于实物较小，机器人如何连接、如何动作学生无法看清，且经常用实 物进行演示和练习，对机器人的磨损也较大。为解决上述问题，本文提出了建立 虚拟实验室的构想，通过虚拟实验室将机器人编程和搭建整合在一起。为帮助学 生理解程序的功能，本文提出将每一个程序控制机器人所实现的特定动作视为一 个实验，虚拟实验室则是这些实验的集合和工作平台。虚拟实验室的建立给予了 学生充分的动手练习空间，使学生在不借助机器人实物的情况下也能进行学习， 并且缓解了机器人器材不足的矛盾，降低了器材的损耗。 机器人项目要求学生能够紧密合作，及时沟通和交流，为方便师生之间和 学生之间的交流，提供一个开展协作学习和活动的平台，本文最终实现了一个完 整的基于w e b 的机器人学习系统，并将虚拟实验系统发布为适于网络运行的形 式，实现了与w e b 学习系统的有机结合。 1 3 全文结构和内容安排 本文共分六章，各章主要内容为： 第一章：本章分析了传统教学方式的不足，阐述了开展机器人教学的必要性 以及教学现状，并概括介绍了本系统的研究对象r o b o l a b 机器人及系统情况。 第二章：本章主要分析了构建新型机器人教学模式依据的理论基础，并分析 了实现该系统用到的多媒体技术和w e b 数据库技术。 第三章：本章重点介绍了r o b o l a b 机器人学习系统中的虚拟实验子系统。 主要介绍了有关虚拟实验的理论和技术，阐述了开发虚拟实验子系统的目的，详 第一章绪论 细介绍了该系统的实现方法。 第四章：本章详细分析了r o b o l a b 机器人学习系统的总体设计，概括介 绍了实现该系统的相关w e b 技术。主要内容包括系统设计目标、系统功能分析、 数据库设计、系统开发方法和运行环境以及访问w e b 数据库的技术。 第五章：本章详细介绍了r o b o l a b 机器人学习系统的实现。该系统是一 个基于w e b 运行的学习平台，可以进行讲授式、协作式和个别化学习，包括 r o b o l a b 编程学习、多媒体演示、答疑教室、虚拟实验和作业处理等多个模块。 本章详细介绍了各模块的功能和具体实现方法。 第六章：本章对学习系统进行了总结，指出了该系统存在的不足之处，并对 未来改进进行了展望。 6 第二章基于w e b 的新型机器人教学模式 第二章基于w e b 的新型机器人教学模式 2 1以传统方式开展机器人教学的局限性 对中小学生们来说，机器人不再是一个遥远、神秘而陌生的词汇，它已经进 入许多中小学校，越来越多的人认识到机器人教育的重要意义。然而，由于各种 条件的限制，我国的机器人教学大都以传统教学方式进行，即教师讲授，学生听 讲，然后进行练习。学生的任务仅仅是接受外界刺激，即理解和吸收教师传授的 知识和方法。这种教学方式无法充分发挥学生的学习主动性，不利于培养具有创 新思维和创新能力的创造型人材。机器人教育旨在加强学生动手能力和创新精神 的培养，如果采取传统的以教师为中心的灌输式教育，则违背了开展机器人教育 的初衷。我们要做的是进行恰当的引导、适当的指导。如果能够给学生提供适宜 的学习环境，引导他们主动探究、自主学习，必将极大地调动他们的学习热情， 发挥他们的创造力。此外，阻传统方式进行机器人教学还会面临机器人零件体积 小、不方便教师演示和机器人器材不足等问题。因此，以传统方式开展机器人教 学是不可取的。 2 2 建构主义理论支持下的机器人教学模式 6 j 7 1 教学模式是指在定的教育思想、教学理论和学习理论指导下的，在一定环 境中展开的教学活动进程的稳定结构形式。二十世纪九十年代以来，随着多媒体 和i n t e r n e t 应用的迅猛发展，建构主义的学习理论与教学理论在西方同渐风行。 建构主义学习理论认为：学习过程是人的认知思维活动的主动建构的过程，是人 们通过原有的知识经验与外界环境进行交互活动以获取、建构新知识的过程。知 识不是通过教师灌输得到的，而是学习者在一定的情景即社会文化背景下，通过 协作、讨论、交流、互相帮助( 包括教师提供的指导与帮助) ，并借助必要的信 息资源主动建构的。 建构主义理论支持下的现代教学模式强调以学生为中心，充分体现学生的主 体地位。学习者不是知识的被动接受者，而是知识的主动建构者。外界施加的信 息只有通过学习者的主动建构才能变成自身的知识。学生不再是教学内容的被动 接受者，而是知识的主动获取与建构者；教师也不再是教学内容的传递者和知识 灌输者，而是教学活动的组织者和指导者；要求教师应当在教学过程中采用全新 的教育思想与教学模式( 彻底摒弃以教师为中心、强调知识传授、把学生当作知 识灌输对象的传统教育思想与教学模式) 、全新的教学方法和全新的教学设计。 第二章基下w e b 的新型机器人教学模式 机器人学科具有很强的实践性，特别需要学生的主动参与，因此机器人教学更适 合采用这种以学生为中心的现代教学模式。 为克服传统教学的弊端，充分发挥机器人教学的优势，本文提出这样一种以 建构主义为理论指导的新型机器人教学模式，即以学生为教学中心，以计算机网 络为平台，以“理论学习一动画演示一虚拟演练一编程实践”为教学活动进程， 教学中综合应用讲授式、讨论式、任务驱动式和个别化学习等多种教学方式。讲 授式是指以教师为主体的教学，主要由教师进行系统授课。讲授式虽然是传统教 学方法，但也不能完全弃置不用。如果应用恰当亦能弥补建构主义教学模式容易 忽视教师作用的弊病，收到事半功倍的效果，也是将传统教学与网络教学相结合 的种有效方法。讨论式也是由传统教学方式演变而来，但由于网络的应用使其 富有了更强的生命力。传统的讨论模式缺乏足够的参与机会，只能在有限的范围 内，利用有限的资源进行。而基于网络的讨论教学模式可以让任何人在任何地方 加入讨论，极大地方便了教师和学生以及学生和学生之间的交流。任务驱动式是 信息技术学科常用的教学方式，它强调学生的学习活动必须与任务或问题相结 合，以探索问题来引导和维持学习者的学习兴趣和动机，让学生带着真实的任务 学习，以使学生拥有学习的主动权。这一方式非常适合于机器人教学，因为机器 人根据程序做出动作就是一个个再真实不过的任务。个别化学习是以发展个性为 目标，以适合个人需要为原则，以学生自我管理和自主学习为活动方式的教学， 它是体现建构主义理论的重要形式。这种模式下，学生主要使用基于网络的c a i 课件或网页立体教材进行自主学习。 为支持这一新型教学模式的实践和应用，本文以乐高机器人为具体研究对 象，实现了一个完整的r o b o l a b 学习系统。系统中着重体现了“理论学习一 动画演示一虚拟演练一编程实践”的教学进程，解决了上述几种教学方式基于网 络的应用。 2 3 基于w e b 的学习系统8 】1 9 信息技术特别是网络技术和多媒体技术的蓬勃发展，为实现建构主义的学习 环境提供了最理想的条件。基于w e b 的学习系统正以一种崭新的教育方式呈现 在我们面前。与传统教育相比较，基于w e b 的教学系统具有以下一些优势和特 点： 1 、基于w e b 的学习信息传播量大、信息传递速度快 基于w e b 的学习系统通过计算机网络使学生与计算机之间频繁地、交互性 对话，学生与授课老师可以对话，学生可以提问，老师可以直接回答学生的问题， 甚至可以随时展开交流和辩论。计算机能及时对学生的作业、提问、难点等作出 第一二章基丁w e b 的新犁机器人教学模式 评判，并输出正确信息加以强化。由于学习过程是在互联网络上进行和实现的， 教学信息传播量大、速度快，学生直接参与其中，信息能得到快速传递和及时反 馈。 2 、方便教学过程，优化教学结构。1 1 w 与传统班级课堂教学和广播电视教学相比，它能够实现教师与学生、学生与 学生之间的多向互动和及时反馈，具有更强的灵活性。生动活泼的多媒体软件和 教材，有利于学生理解和掌握知识，有利于开发大脑潜能，启迪创造和创新意识。 w e b 学习系统突破了学习时间的局限，每个人都可以在任何时候，点播适当的 教育信息，获得自己所需的任何教育内容，最有利于创造出一种“实时的学习”。 3 、减少教师大量的重复劳动，提高教学效果和授课质量。 现代教育要求使受教育者既掌握现代科学技术知识，又要有从事现代化生产 的技能，要求在传授知识技能的同时，坷i 但注意发展智力，还应着重培养能力， 造就具有自学能力和创新精神的应用型和能力型人才。基于w e b 的学习系统所 提倡的正是这样一种以素质教育为主要内容，知识和技能有机结合，实用性强， 知识面拓宽的深度个性化的教育形式。 4 、教学方式由原来以教为主变为以学为主，突出个别化教学，增强学习内 容的选择性，使受教育者有更大的自主学习的权利，培养自学能力，提高学习效 率。【川【1 2 】 基于w e b 的学习系统教学形式和表现手法丰富，有文字、图像、声音、动 画等多种表现方式，这是其他形式教学所无法做到的。这样能使个别化教育、个 性化教育成为可能。因为计算机可以一对一的对学生进行辅导、教学和对话，实 现教学过程的个别化。通过网络，教师能针对个别学生的提问及时作出解答、评 判、帮助、辅导和肯定。计算机可以模拟许多实际过程，还可以模拟通常情况下 因设备复杂或条件限制或有危险而无法进行的实验或不易观察到的一些现象。基 于w e b 学习系统交互性好，学生有很大的选择权，这就会养成学生自主学习的 习惯，调动他们的主观能动性，也提高了学习效率。 综上所述，基于w e b 的学习系统可以为学习者提供符合人类联想思维与联 想记忆特点的、按超文本结构组织的学习内容，最大限度地发挥学习者的主动性、 积极性，为其实现探索式、发现式学习创造有利条件，真正达到让学习者主动建 构知识的意义、实现自己获取知识、自我更新甚至创造知识的理想目标。因而新 型的机器人教学模式应用基于w e b 的学习系统作为教学平台和手段，有利于促 进机器人教学，提高教学效果和教学质量。基于w e b 的机器人学习系统必将成 为机器人教学发展的一个重要方向。 第二章虚拟实验系统的设计与实现 第三章虚拟实验系统的设计与实现 虚拟实验系统是本学习系统中的一个子系统，是系统的核心内容之一，也是 本文的一个重要特色和创新之处。本章详细介绍这一系统的设计思路、实现的功 能和具体实现方法。 3 1 要解决的问题 本人所在学校使用乐高机器人开展机器人教学。在教学过程中，我发现学生 在学习时，搭建机器人和编写程序两个环节经常脱节。学生对程序如何控制机器 人行动较难理解和掌握，不是马达接反，就是光感接错端口。这是开展机器人教 学的一个重点和难点。另外，教师用机器人实物进行讲解和演示时，由于实物较 小，机器人的马达和传感器等器件如何连接，机器人如何动作学生无法看清，而 且经常用实物进行演示和练习，对机器人的磨损也较大。此外，由于机器人设备 一般比较贵重，学生大都没有条件在家进行练习。因此如果能开发一个辅助学生 进行编程学习的虚拟学习系统，一方面通过软件形象地演示机器人动作与程序的 关系，另一方面将模型搭建与程序编写两部分集成在一起，让学生在不借助机器 人实物的情况下也能进行学习，并且可以不受时空的限制自主学习。这样上述问 题就迎刃而解了。 3 2 乐高机器人简介”】 乐高机器人是中小学中较流行的教育机器人之一，本课题研究也是针对这种 机器人进行的，因此下面对乐高机器人做一简单介绍。 3 2 1 乐高机器人 乐高机器人使用可编程乐高积木r c x 微型电脑，搭建智能机器人模型， 通过图形化的编程语言r o b o l a b 来编写程序，控制机器人的行动。 乐高机器人套装中包括丰富多样的乐高积木和其它配件，还有马达、灯、传 感器和r c x 微型电脑等。积木与配件可以构成机器人的身体，而机器人的思想 和动作则依靠编写的程序来完成。我们可以用多种高级计算机语言或图形化的 r o b o l a b 软件为乐高机器人编写程序，再通过与计算机相联的红外发射仪将程 序下载到机器人的微型电脑一r c x 里，这样机器人就可以独立地按照程序指令， 第三章虚拟实验系统的设计与实现 根据周围环境的输入信息来做出判断，决定自己的一切行动，从而实现智能化。 乐高机器人各组成部分简介如下： ( 1 ) 乐高机器人整体构成 电脑红外线发射器与电缆软件r c xl e g o 积木传感器 ( 2 ) r c x r c x 是一个微型电脑，相当于机器 人的大脑，程序编写好以后下载到r c x 中，即可控制机器人的行动。r c x g b 观 如图3 1 所示。 l 、2 、3 为输入端口 a 、b 、c 为输出端口 o n o 罐为开关( 红色) r u n 键为运行键( 绿色) p r g m 键选择程序( 灰色) v i e w 键可监视各端口( 黑色) ( 3 ) 编程语言 编程语言使用基于l a b v i e w 开发的 图3 1r c x 外观 最新的程序设计图标语言r o b o l a b ，具有非常直观、易懂和快速掌握的特点， 编程者不需要了解复杂的源代码。程序下载时只能从3 开始，i 、2 为内置模式， 即可存储的实际程序为3 、4 、5 - - - 个。 使用乐高机器人套装，学生就像真正的工程师一样，针对项目主题，进行研 究、策划、设计、组装和测试。在设计与制作机器人的活动中，学生不仅可以学 到有关机械、电子、计算机等技术知识，更可以帮助他们培养良好的生活习惯、 掌握技能：如与人的沟通与合作、对他人的尊重、毅力与自信心的树立及时间的 合理分配、利用，了解自己的兴趣所在，为将来走上社会，面对新的挑战做好充 分的准备。因此，目前全国有许多中小学都使用乐高机器人开展机器人教学和课 外科技活动，很多比赛也采用乐高机器人作为竞赛器材。 3 2 2r o b o l a b 软件 r o b o l a b 是在美国国家仪器公司n i 的图形化编程软件l a b v i e w 基础上开 发出来的，它的编程环境直观明了，全部采用图标连线方式，设计者只需要把所 需的图标从功能模块抓取下来进行连线即可实现程序编写。r o b o l a b 容易上 手，却功能强大。它提供了对r c x 的所有控制能力，另外它还提供： ( 1 ) 将程序变为h t m l 页面或j p g 图像，便于在网上发布。 第三章虚拟实验系统的殴计与实现 ( 2 ) 通过使用r o b o l a b 服务器，可以通过i n t e m e t 来控制在其它地方的 r c x 。 ( 3 ) 监控r c x 。 ( 4 ) 强大的数据采集和处理功能，可以从乐高或d c p 传感器( 例如湿度、 p h 值) 采集数据，并进行数据处理及作图。 ( 5 ) 结合l a b v i e w 进行更专业的数据分析。 r o b o l a b 最特别的优点是它提供不同的水平等级以及不同的编程方式。 r o b o l a b 提供两种方式一“编程者”和“研究者”。研究者提供了数据采集分 析功能。“编程者”分为导航者和发明家者。导航者级别提供的编程环境和例子 较为简单，适宜初学者；它为初学者提供了固定的编程模块，可以在这里面用鼠 标点击图标模块并在下拉图标模块中选取所需图标来完成。发明家级别则提供全 部的控制能力。在这两种级别中，又划分了四个等级，由浅至深。 3 3 虚拟实验和机器人教学 虚拟实验是随着现代计算机技术的进步而产生和发展的一种实验模式。虚拟 实验利用鼠标的点击、拖动，将计算机上虚拟的各种仪器，按实验要求、过程组 装成一个完整的实验系统，同时在这个系统上完成整个实验。虚拟实验一般分成 两大类：一类是“演示型”实验，只对实验现象进行演示，实验者仅仅是观众： 另一类是“操作型”实验，实验者亲自参与实验，是实验的主导者。 机器人学科教学具有很强的实践性，各种用于机器人教学的设备大都分为机 器人硬件和程序两部分。一般按照先搭建好机器人，然后编制程序，再下载到机 器人中，从而实现对机器人的自动控制。机器人教学的关键则是让学生理解程序 对机器人的控制是如何实现的。从这一点上来说，机器人课程属于一种实验课程。 我们可以将用程序控制机器人完成一个动作或一个任务，看成是一个实验。这也 是制作虚拟实验系统的一个指导思想。本文实现的虚拟实验系统主要属于“操作 型”实验，同时也采用了“演示型”实验。首先用计算机虚拟出乐高机器人的 个个部件，学生通过鼠标的点击、拖动进行搭建练习，然后在模拟编程环境中编 制相应的程序控制机器人运行，机器人运行的情况通过动画演示。 3 4 虚拟实验系统结构设计”1 虚拟实验系统将搭建机器人和编写程序集成在一起，学生可以在这罩进行搭 建练习，然后编写相应的控制程序，运行程序并观察程序的作用，从而加深对 r o b o l a b 基本程序图标的认识和理解。这一系统功能的实现，不仅解决了学生 第三章虚拟实验系统的设计与实现 学习的难点，而且缓解了学校机器人器材不足的矛盾，降低了器材的损耗。系统 总体结构设计如图3 - 2 所示。用户首先选择实验任务，即要编写的机器人程序任 务，然后进入搭建环境。搭建环境将调用器件库中的数据，并通过显示控制模块 显示出搭建机器人所需要的器件。正误检测模块用于检测机器人器件是否按照程 序任务要求放置到正确的位置，如果位置正确器件将被置于目标处，若位置错误 器件将返回原处。搭建完成后，进入模拟的编程环境进行程序编写。由于是图标 化程序，因而先通过显示控制模块显示出图标库中的图标，然后使用鼠标将图标 拖放到正确的位置。正误检测模块功能如前所述，工具选择模块用于显示工具面 板和选择画线工具，并完成图标连线。程序编写完成后，点击“运行”按钮将调 用动画演示模块的动画将程序控制机器人实现的动作演示出来。 图3 - 2 虚拟实验系统结构设计 3 5 系统实现的相关技术 本虚拟实验系统使用多媒体创作工具a u t h o r w a r e 7 0 和虚拟实验制作工具 f i a s hm x 制作，a u t h o r w a r e 7 0 用于制作虚拟r o b o l a b 编程环境和机器人搭建 环境，f l a s h m x 用于制作演示机器人运行情况的动画。系统运行的首页如图3 - 3 所示。 第三章虚拟实验系统的设计与实现 图3 - 3 虚拟实验系统首页 3 5 1 多媒体开发工具a u t h o r w a r e 【1 6 i t 7 1 1 8 在各种多媒体应用软件的开发工具中，m a c r o m e d i a 公司推出的多媒体制作 软件a u t h o r w a r e 是不可多得的开发工具之一。a u t h o r w a r e 采用面向对象的设计 思想，是一种基于图标( i c o n ) 和流线( l i n e ) 的多媒体开发工具。它把众多的 多媒体素材交给其他软件处理，本身则主要承担多媒体素材的集成和组织工作。 a u t h o r w a r e 操作简单，程序流程明了，开发效率高，并且能够结合其他多种开发 工具，共同实现多媒体的功能。因此本系统采用这一工具制作虚拟的r o b o l a b 编程环境。在系统制作中使用了多种函数和变量来实现系统功能，下面就此作一 简单介绍。 3 5 1 1 a u t h o r w a r e 变量 a u t h o r w a r e7 0 提供了1 8 个类别共3 5 8 个系统函数和1 1 个类别2 2 4 个系 统变量，这些系统函数和变量使开发人员能够更加灵活地控制a u t h o r w a r e 应用 程序的流程分支，跟踪用户信息，采集、分析、处理数据等，实现各种复杂的功 能。 a u t h o r w a r e 中的变量的概念和各种编程语言中变量的概念一样，都是用来 储存结果信息的。但a u t h o r w a r e 提供的系统变量则有些不同，它们是a u t h o r w a r e 预先定义好的一套变量，用于跟踪a u t h o r w a r e 应用程序运行时的各种信息，如 各种图标的状态、用户的响应动作、系统时间、用户记录文件的存放目录等，它 们的值是由a u t h o r w a r e 自动确定和更新的，比如系统变量p e r c e n t c o r r e c t 中储存 的就是用户回答问题的f 确率。当然，用户也可以很方便地在a u t h o r w a r e 中创 1 4 第三章虚拟实验系统的设计与实现 建自己的变量，用来储存运算的中间值或进行用户跟踪数据的汇总、统计等，这 种变量称为自定义变量。a u t h o r w a r e 7 0 的11 个类别系统