開源平臺(tái)在中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)中的應(yīng)用

駱巍

我國(guó)的機(jī)器人教育在上世紀(jì)90年代才起步，相對(duì)于西方國(guó)家落后了近30年。目前我國(guó)機(jī)器人教育領(lǐng)域主要涉及機(jī)器人競(jìng)賽和課內(nèi)外教學(xué)，江蘇省《信息技術(shù)指導(dǎo)綱要》早在多年前就明確列入了機(jī)器人教育實(shí)施規(guī)劃和指導(dǎo)意見。

● 突出問題

雖然早有規(guī)劃，但實(shí)施情況令人堪憂。筆者在走訪的學(xué)校中進(jìn)行了問卷調(diào)查，歸納了如下幾個(gè)突出問題。

問題一：曲高和寡，發(fā)展失衡

在對(duì)機(jī)器人教育實(shí)施情況的問卷中，22所小學(xué)，僅有1所小學(xué)堅(jiān)持開展機(jī)器人教育，1所小學(xué)有籌備機(jī)器人專用教室、實(shí)施機(jī)器人教育的規(guī)劃。有2所學(xué)校過去曾經(jīng)開展過機(jī)器人興趣小組活動(dòng)，但因種種原因已停止。

機(jī)器人教育為何無法普及？在與教師的交談中，我發(fā)現(xiàn)很多教師認(rèn)為機(jī)器人教育是“錢堆出來的噱頭”。機(jī)器人器材動(dòng)輒幾千元，競(jìng)賽器材更是進(jìn)入萬元大關(guān)。同時(shí)，機(jī)器人教育師資匱乏也制約了機(jī)器人教育的普及。即使學(xué)校里有幾位“略懂”的教師，但他們的主要精力卻是放在應(yīng)試、應(yīng)賽上，很少顧及課堂。器材和師資的制約，是機(jī)器人教育發(fā)展失衡的主要因素。

問題二：技術(shù)落后，淺嘗即止

現(xiàn)行的教育機(jī)器人常常被教師們戲稱為“套子里的機(jī)器人”。教育機(jī)器人的核心部件大多被華麗的外殼“封裝”，學(xué)生看到的是“套”起來的標(biāo)準(zhǔn)件。這樣的器材，兼容性差，二次開發(fā)和功能拓展幾乎不可能。因此，教學(xué)中單片機(jī)、傳感器、電路知識(shí)等機(jī)器人核心技術(shù)只能就此略過。很多“套子里的機(jī)器人”技術(shù)落后，更像是傳統(tǒng)意義上的玩具，雖然價(jià)值不菲但并沒有讓學(xué)生“獲益良多”。

問題三：重“軟”輕“硬”，獨(dú)步難行

在開展機(jī)器人教育的學(xué)校中，有一種現(xiàn)象：重程序的編寫，輕硬件結(jié)構(gòu)的建構(gòu)；重虛擬軟件的模擬，輕機(jī)器人的實(shí)體調(diào)試。很多教師為了方便教學(xué)，干脆將所有硬件部分的制作包辦完成，學(xué)生只要編寫程序，寫入主機(jī)即可。造成了學(xué)生對(duì)硬件知識(shí)知之甚少，缺乏動(dòng)手實(shí)踐的能力。其實(shí)機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)是邏輯程序正確執(zhí)行的基礎(chǔ)保障，沒有設(shè)計(jì)合理的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和與之相匹配的動(dòng)力模塊、單片機(jī)系統(tǒng)，再好的程序也無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

問題四：只制作不設(shè)計(jì)，創(chuàng)新乏力

如果你來到機(jī)器人競(jìng)賽的現(xiàn)場(chǎng)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，很多機(jī)器人相似度極高，程序結(jié)構(gòu)雷同。在最能發(fā)揮學(xué)生想象力、創(chuàng)造力的機(jī)器人教學(xué)中，我們常常走入重制作、輕設(shè)計(jì)的怪圈。我們很少讓學(xué)生經(jīng)歷設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、調(diào)整設(shè)計(jì)、再驗(yàn)證的循環(huán)過程，只力求一步到位、分毫不差。如此教學(xué)的直接結(jié)果是：學(xué)生缺乏創(chuàng)新意識(shí)，毫無設(shè)計(jì)能力。

● 解決問題

筆者認(rèn)為，要扭轉(zhuǎn)機(jī)器人教育目前的窘境，當(dāng)務(wù)之急是必須構(gòu)建一個(gè)適合我國(guó)國(guó)情的機(jī)器人教育平臺(tái)。把價(jià)格降下來，讓知識(shí)更多元，讓實(shí)踐更豐富，讓創(chuàng)新更悠遠(yuǎn)。一年前，筆者接觸到了Arduino電子積木平臺(tái)，也有了機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)開源平臺(tái)下機(jī)器人知識(shí)普及與提高的教學(xué)實(shí)踐。

1.搭建廉價(jià)質(zhì)優(yōu)的學(xué)習(xí)平臺(tái)

Arduino電子積木平臺(tái)由一個(gè)基于單片機(jī)的硬件開源平臺(tái)和一套為Arduino板編寫程序的免費(fèi)開發(fā)環(huán)境組成。作為一款基于AVR單片機(jī)為核心的開源控制板，它的穩(wěn)定性、拓展性和性價(jià)比吸引了全球無數(shù)的“粉絲”。Arduino控制板價(jià)格低廉，最便宜的Arduino版本甚至可以自己動(dòng)手制作，即使是組裝好的成品，其價(jià)格也非常低廉。粗略地測(cè)算以Arduino平臺(tái)為基礎(chǔ)，構(gòu)建的具有巡線、測(cè)距等基本功能的機(jī)器人學(xué)習(xí)平臺(tái)造價(jià)可以控制在200元以內(nèi)，而且性能毫不遜色。

2.搭建軟硬結(jié)合的研習(xí)平臺(tái)

Arduino可以讀取大量的開關(guān)和傳感器信號(hào)，并且可以控制各式各樣的電燈、電機(jī)和其他物理設(shè)備。在Arduino構(gòu)建的學(xué)習(xí)平臺(tái)中，你無須了解過多的硬件的工作原理，只須設(shè)計(jì)正確、硬件合理連接、融入個(gè)性的程序設(shè)計(jì)，就可以完成豐富多彩的互動(dòng)項(xiàng)目。與枯燥、生澀的單片機(jī)編程不同的是，Arduino提供了人性化的編程環(huán)境，讓我們無須關(guān)心單片機(jī)的瑣碎細(xì)節(jié)，就可以完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)。學(xué)生既可以使用在Arduino ide編寫簡(jiǎn)潔的程序代碼，也可以通過圖形化編程環(huán)境快速入門。

以Arduino平臺(tái)為核心，筆者由淺入深，設(shè)計(jì)了豐富的活動(dòng)課程：面包板揭秘、神奇的機(jī)器腦，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)電子元件，了解簡(jiǎn)單電路；閃爍流水燈、神奇呼吸燈，帶領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)LED燈的閃爍實(shí)驗(yàn)，了解怎樣用程序控制硬件；馬達(dá)轉(zhuǎn)起來、機(jī)器人會(huì)跳舞，讓學(xué)生經(jīng)歷項(xiàng)目開發(fā)的過程，從硬件驅(qū)動(dòng)模塊的構(gòu)建，到程序的編寫調(diào)試，獨(dú)立完成機(jī)器人項(xiàng)目；機(jī)器人拉力賽、機(jī)器人走迷宮等競(jìng)賽活動(dòng)，將學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情推向高潮。從底層技術(shù)入門，逐步了解機(jī)器人的核心硬件、軟件技術(shù)是開源平臺(tái)相對(duì)于其他產(chǎn)品的獨(dú)有優(yōu)勢(shì)。

3.搭建創(chuàng)新實(shí)踐的開源平臺(tái)

Arduino是一個(gè)強(qiáng)大的開源平臺(tái)。具有很多功能強(qiáng)大的擴(kuò)展模塊，可以控制直流電機(jī)、伺服電機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、液晶顯示、獲取溫度、濕度等。全球的Arduino愛好者還編寫了很多擴(kuò)展庫。大家在完成某一功能的拓展后本著開源的思想將這些資源放在網(wǎng)上共享，同時(shí)根據(jù)其他愛好者的使用情況進(jìn)行完善。使用者如同搭建電子積木一般，獲取自己需要的模塊，開發(fā)更加個(gè)性化的創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目。

開源平臺(tái)為筆者輔導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)作機(jī)器人作品提供了極大的便利：在十二足機(jī)器人的創(chuàng)意制作中，一位學(xué)生提出如果能用游戲機(jī)的手柄無線控制機(jī)器人就可以大大拓展機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。在這個(gè)思路指導(dǎo)下，筆者和學(xué)生一同上網(wǎng)搜索解決方案，最后利用一個(gè)淘汰的PS2游戲機(jī)的無線手柄，在其開源共享庫的支持下，完成了無線遙控的設(shè)計(jì)要求。在球形機(jī)器人創(chuàng)意項(xiàng)目開發(fā)中，為了讓機(jī)器人可以通過狹窄的管道，學(xué)生們找來了圣誕裝飾球做機(jī)器人的外殼，廢舊玩具電機(jī)做機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用小巧玲瓏的Arduino Nano做控制板，利用身邊的簡(jiǎn)易資源，設(shè)計(jì)完成了機(jī)器人的軟硬件結(jié)構(gòu)。閑置玩具、廢舊電器皆可成為資源，新穎想法、獨(dú)特創(chuàng)造皆可成為現(xiàn)實(shí)，這就是開源的精神，開源的魅力。

4.搭建自主學(xué)習(xí)的拓展平臺(tái)

每節(jié)課筆者都會(huì)留出3～5分鐘的時(shí)間給學(xué)生搜索有關(guān)開發(fā)資料，進(jìn)行項(xiàng)目推薦交流。救援小車、循跡機(jī)器人、八足機(jī)器人、機(jī)械手等成熟的Arduino案例成為學(xué)生們向往渴求的開發(fā)項(xiàng)目。由于網(wǎng)絡(luò)上基于Ardiuno平臺(tái)的開發(fā)案例、學(xué)習(xí)資源極其豐富。教師和學(xué)生可以隨時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行自學(xué)。也可以將自己的得意之作上傳到論壇與他人交流互動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)中的眾多“優(yōu)秀項(xiàng)目”不僅激勵(lì)著學(xué)生探究拓展平臺(tái)的功能，還有可能直接得到高手的指導(dǎo)、幫助。這一切都是免費(fèi)的、開源的，盡可以享有全球的豐富資源。網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)成為課堂教學(xué)的重要補(bǔ)充，成為機(jī)器人教學(xué)可持續(xù)發(fā)展的拓展平臺(tái)。

如Arduino平臺(tái)一樣的開源平臺(tái)，讓機(jī)器人教育跳出競(jìng)賽、牟利怪圈的期望成為現(xiàn)實(shí)，為解決機(jī)器人教學(xué)長(zhǎng)期以來的諸多困擾提供了新思路。希望在不久的將來，機(jī)器人教育不再遙不可及、高不可攀，更多開源平臺(tái)的開發(fā)能使機(jī)器人教育真正融入我們的生活，讓更多的學(xué)生從中受益。