利用機(jī)器人中的物理知識(shí)激發(fā)學(xué)習(xí)物理的興趣

林鏡棍

近幾年，人工智能發(fā)展迅速，其中機(jī)器人在我們生活中隨處可見，如掃地機(jī)器人，炒菜機(jī)器人等，機(jī)器人運(yùn)用了很多物理知識(shí)，所以可以借助機(jī)器人的一些相關(guān)物理知識(shí)來引起學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，提高物理成績，同時(shí)也可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。我在上課之前先上網(wǎng)購買了一些與物理知識(shí)有關(guān)的零件和一些現(xiàn)成的機(jī)器人組裝配件，如傳感器和光感小夜燈等，當(dāng)我教到相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候就把它用于課堂上，并解釋這些零件的原理和在機(jī)器人中的應(yīng)用，下面是我這幾年積累的一些經(jīng)驗(yàn)與大家分享。

一、力與機(jī)械運(yùn)動(dòng)在機(jī)器人中的應(yīng)用

在高一學(xué)習(xí)力與機(jī)械時(shí)，先讓學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)：力的效果、力的三要素、二力平衡;簡單機(jī)械（斜面、楔形、螺旋、杠桿、滑輪、輪軸）;常用傳動(dòng)裝置（齒輪嚙合、皮帶傳送、傳動(dòng)鏈）;再舉生活實(shí)例建構(gòu)模型如：秋千、蹺蹺板、打蛋器、奇怪的時(shí)鐘、起重機(jī)、烤肉架、手動(dòng)風(fēng)扇、履帶車等。接著解釋模型用到的知識(shí)：秋千（用到三角形穩(wěn)定性、三角形實(shí)例、能量轉(zhuǎn)換）; 蹺蹺板（杠桿五要素、杠桿平衡條件、杠桿分類）。講這些知識(shí)時(shí)可以聯(lián)系機(jī)器人的知識(shí)了，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及能量的轉(zhuǎn)換傳輸?shù)榷寂c杠桿作用有著莫大的聯(lián)系。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式大致分為腿和輪胎兩種。輪胎這種方式靈活性大、組織起來也較為方便，因而被廣泛使用。而制作機(jī)器人選擇輪胎的知識(shí)點(diǎn)就是摩擦力知識(shí)，傳統(tǒng)教學(xué)中，摩擦力是一個(gè)非常抽象且不容易理解的內(nèi)容。課堂中拿出機(jī)器人之后很多知識(shí)點(diǎn)就有了具體的例證，這部分的學(xué)習(xí)也就化抽象為具體，讓學(xué)生自己觀察、解釋相關(guān)的物理知識(shí)。

二、電磁知識(shí)在機(jī)器人中的應(yīng)用

在高二學(xué)習(xí)磁學(xué)知識(shí)時(shí)，先學(xué)習(xí)電學(xué)常識(shí)（電的發(fā)展、電路、串聯(lián)并聯(lián)電路、歐姆定律），磁場(chǎng)知識(shí)（磁體互相作用規(guī)律、電磁感應(yīng)、變壓器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等）。學(xué)習(xí)這些知識(shí)同時(shí)拿出機(jī)器人解釋這些知識(shí)用在哪，機(jī)器人身上主板上有用到很多電學(xué)知識(shí)，如電源、串并聯(lián)電路，用到電阻、電容、可變電阻等，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器（電機(jī)）。指出電機(jī)和發(fā)電機(jī)給學(xué)生觀察，細(xì)心的學(xué)生經(jīng)過比較就會(huì)發(fā)現(xiàn)二者的有完全一樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不同的在于外界提供電源時(shí)線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，而外界提供傳動(dòng)力時(shí)線圈中出現(xiàn)感應(yīng)電流。接著可以設(shè)問：若是電動(dòng)機(jī)的線圈先轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)不會(huì)讓發(fā)電機(jī)發(fā)電呢？然后拿出兩個(gè)一樣的電動(dòng)機(jī)并將二者連接，先將其中一個(gè)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，學(xué)生可以很快的發(fā)現(xiàn)另外的一個(gè)電動(dòng)機(jī)可開始運(yùn)轉(zhuǎn)。這就足以說明電動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造是相同的，其不同的地方在于能量的轉(zhuǎn)化方向不一樣。在教學(xué)中為學(xué)生演示這一實(shí)驗(yàn)，看到學(xué)生驚訝的表情便知道這一知識(shí)點(diǎn)已被他們記住，且留下了深刻的印象。由此可見，物理科學(xué)知識(shí)與人工智能的結(jié)合對(duì)于課堂教學(xué)是事半功倍的。

三、傳感器在機(jī)器人中的應(yīng)用

在高三，我們加強(qiáng)了下面知識(shí)的學(xué)習(xí)：（1）簡單邏輯電路相關(guān)知識(shí);（2）電子技術(shù)相關(guān)知識(shí)-熱敏傳感器、光敏傳感器、紅外線傳感器、干簧管等元件的特性。（3）電路的組成和簡單的串、并聯(lián)知識(shí)。會(huì)設(shè)計(jì)簡單的自動(dòng)控制電路。而傳感器在機(jī)器人中是非常重要的，傳感器就是機(jī)器人的感覺器官，機(jī)器人工作時(shí)，電腦根據(jù)傳感器獲得的信息控制機(jī)器人動(dòng)作。如：視覺傳感器是機(jī)器人的“眼睛”，它可測(cè)量物體的距離和位置，識(shí)別物體的形狀、顏色等特性;溫度傳感器相當(dāng)于人的皮膚，機(jī)器人通過它感知環(huán)境溫度的變化;移動(dòng)機(jī)器人在工作時(shí)，采用距離傳感器檢測(cè)障礙物的位置，告訴機(jī)器人及時(shí)躲避，確保工作安全，如果這種傳感器用于汽車上，將可大大提高汽車的安全系數(shù)。其它還有嗅覺、聽覺、味覺傳感器等。解釋完后拿出掃地機(jī)器人讓學(xué)生觀察，智能掃地機(jī)器人，它包含許多物理知識(shí)：智能掃地機(jī)器人通過電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生高速氣流，將灰塵、雜物吸入集塵盒;其輪子的防滑皮采用凸凹材質(zhì)制成;底部安裝有塑料刷，在運(yùn)動(dòng)中與地面摩擦而帶上電，吸引地板上的灰塵及輕小物體，達(dá)到清掃的目的;前端裝有感應(yīng)器，通過發(fā)射、接收超聲波或紅外線來偵測(cè)障礙物。當(dāng)剩余電量減為電池容量的20%時(shí)，機(jī)器人會(huì)主動(dòng)尋找充電器充電 .當(dāng)關(guān)閉電源時(shí)，機(jī)器人由于慣性不能立即停下來。

每次學(xué)生都非常興奮，主動(dòng)去觀察并提出一些問題，學(xué)生都喜歡上這樣的物理課，課堂氣氛非?；钴S，學(xué)習(xí)效果也很好，也對(duì)物理產(chǎn)生了濃厚的興趣，同時(shí)對(duì)物理成績的提高也有很大的幫助。

責(zé)任編輯 徐國堅(jiān)