智能機器人進(jìn)課堂的困惑與出路

洪亮

【摘 要】隨著課程改革的不斷深入，智能機器人走進(jìn)課堂已成必然趨勢，然而實踐層面遭遇的困惑，令機器人課堂教學(xué)成了少數(shù)幾所學(xué)校的“專利”。本文總結(jié)我校多年的實踐，就如何開展機器人課堂教學(xué)做出探討，希望更多的學(xué)校能成功開展機器人課堂教學(xué)。

【關(guān)鍵詞】智能機器人；機器人進(jìn)課堂；機器人教學(xué)

【中圖分類號】G424 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2014）01-0043-04

機器人為何難以進(jìn)入課堂

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能機器人（以下簡稱“機器人”）這一信息技術(shù)的前沿領(lǐng)域也得到了飛速發(fā)展。機器人集成了數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、機械、電子、材料、能源、計算機硬件、軟件、人工智能等眾多領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)知識，沒有一種技術(shù)平臺比智能機器人更綜合、更先進(jìn)。學(xué)生在實施智能機器人項目的自主體驗過程中能夠培養(yǎng)動手能力、創(chuàng)新能力、綜合能力、協(xié)作能力和進(jìn)取精神等。機器人也是信息技術(shù)教學(xué)的一個載體，正因如此，教育部在制訂《普通高中新課程標(biāo)準(zhǔn)》時，明確將“簡易機器人制作”模塊列入課程標(biāo)準(zhǔn)。而一些發(fā)達(dá)國家由于看好機器人教育對未來社會的作用和影響，都已不同程度地對學(xué)生進(jìn)行機器人教育。

十年前，北京景山學(xué)校的郭善渡、沙有威老師等多次呼吁，要普及機器人教學(xué)。然而十年過去了，機器人真正走進(jìn)課堂的學(xué)校有多少呢？絕大部分學(xué)校以興趣課、選修課形式開展教學(xué)，其目的主要是為了參加各級各類的機器人競賽，但這畢竟是少部分學(xué)生受益，并沒有真正走進(jìn)課堂。機器人進(jìn)課堂還面臨許多困難。

其一，學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)不重視。校長大多重視競賽，只有能拿獎，為學(xué)校爭光，校長才會重視。

其二，經(jīng)費、場地問題。機器人進(jìn)課堂需要投入資金，機器人公司的產(chǎn)品定價過高，如果購買幾臺用于競賽，學(xué)校尚能接受。即使購置了機器人，也缺少專用的活動場地。

其三，信息技術(shù)教師自身的緣故。畢竟機器人教學(xué)是新的領(lǐng)域，而且涉及的學(xué)科過多，信息技術(shù)教師本來就很忙，不愿意去鉆研機器人的相關(guān)知識。

其四，將機器人作為一門課來教學(xué)，到底該讓學(xué)生學(xué)些什么內(nèi)容？課程將如何定位？

讓機器人進(jìn)入課堂的做法

上述困難，大部分學(xué)校都遇過到，我們也不例外。但我們通過不懈努力，這些困難全部迎刃而解。

首先，要經(jīng)常和校長溝通機器人教學(xué)的意義。我校趙國良校長就提出，“不看眼前利益，為學(xué)生的明天著想”，果斷決定放棄那些極端的比賽，轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾暺占靶徒虒W(xué)。

其次，我校除了建設(shè)實驗室花了經(jīng)費（教室的裝修、電腦采購、定做機器人課桌與場地等），25臺機器人全部由我DIY而成。如果不建專門的實驗室，所用經(jīng)費與兩臺競賽機器人的價格相當(dāng)。

再次，機器人屬于交叉學(xué)科，信息技術(shù)教師教機器人，必然要花時間學(xué)習(xí)新知識，增加了教師“負(fù)擔(dān)”。然而，既然選擇了做一名信息技術(shù)教師，就注定要終身學(xué)習(xí)，要站在技術(shù)的最前沿。十年前，我任教信息技術(shù)的同時，開始努力鉆研機器人制作技術(shù)，經(jīng)過十年積累，已經(jīng)成功開發(fā)多套機器人主控板與傳感器模塊。我DIY的機器人曾多次幫我校在全國機器人比賽中獲得冠亞軍，我也從中體驗到了成功的喜悅與做教師的樂趣。

最后，在教學(xué)過程中，我摸索出自己的教學(xué)方法，自編校本教材，在小學(xué)五年級開課。

下面重點介紹我校DIY教學(xué)機器人和機器人課程設(shè)置上的特色。

如何DIY教學(xué)機器人

相比競賽機器人，教學(xué)機器人的制作難度低得多，不需要太多高深的知識。每位教師都能自己動手制作，既可以省下一大筆經(jīng)費，也可以體驗DIY的樂趣，最重要的是，通過我們的努力將機器人進(jìn)課堂變成了現(xiàn)實。

（一）硬件部分

1. 結(jié)構(gòu)件

（1）經(jīng)濟版

義烏市每年都會舉行大規(guī)模的科技運動會，參與面廣、參與人數(shù)多，所以各個學(xué)校都會有曾經(jīng)用過的器材。智能車項目使用的結(jié)構(gòu)件有兩只馬達(dá)，一只萬向輪，一個電池盒，剛好可以作為機器人的結(jié)構(gòu)件。圖1是一臺改裝好的機器人，去掉原來的電路板，安裝M8微型主控板與馬達(dá)驅(qū)動板，安裝了紅外傳感器與灰度傳感器。這個機器人體積小、行走慢，無需專用的場地，學(xué)生的電腦桌或機房內(nèi)的空地，都可以作為活動場地。

圖1 用智能車的結(jié)構(gòu)件改裝成的機器人

（2）增強版

使用TT馬達(dá)，亞克力板做基板。如果用智能車改裝的機器人像玩具一樣，那么這套方案做的機器人明顯提高了檔次。相對智能車而言，TT馬達(dá)運轉(zhuǎn)速度較快，可以完成更多的教學(xué)與比賽任務(wù)。TT馬達(dá)配輪胎，每套10元左右（如圖2）。2013年5月，在北京景山學(xué)校舉辦的首屆全國中小學(xué)機器人教學(xué)展示活動，有一位教師在展示課中使用了DIY機器人，用的就是這種馬達(dá)。

圖2 性價比極高的TT馬達(dá)

（3）豪華版

使用金屬齒輪箱馬達(dá)，壓克力板做基板，帶充放保護(hù)的鋰電池（如圖3）。這是目前我校正在使用的方案，該方案中使用的鋰電池性能很好，已經(jīng)正常使用兩年，無一損壞。另外，該方案使用了競賽機器人中使用的Z型馬達(dá)與防滑輪胎，價格較貴。如果換成圖2中的TT馬達(dá)，則可以省下一半的費用。

圖3 我校DIY的教學(xué)機器人

2. 主控板

（1）M8主控板

圖1中使用這種主控板，采用Atmega8作為主控芯片，芯片成本大約5元，外圍零件極少。如果使用直插的芯片，甚至無須制作PCB板，直接使用實驗板手工焊接。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生也能動手焊接。這塊主控板很小，但功能并不弱——

輸入部分：6路模擬、數(shù)字復(fù)用輸入接口，可以接模擬或數(shù)字型的傳感器；IIC總線接口，方便與其他模塊進(jìn)行通訊。

輸出部分：2路數(shù)字輸出接口，可以控制LED或者伺服電機；2路馬達(dá)控制信號輸出；預(yù)留了液晶屏接口，可以接微型的OLED屏。

（2）M16主控板

圖3中使用的主控板，采用Atmega16作為主控芯片，除了具有M8主控板的功能，還增加了液晶屏，使程序的調(diào)試更加方便；增加了蜂鳴器，可以演奏音樂；增加了旋鈕與運行按鍵；輸入與輸出接口有所增加，可以接更多的傳感器與輸出設(shè)備。

（3）Arduino主控板

Arduino是一款開源主控板，有配套的軟件編譯環(huán)境，最大的優(yōu)點是價格低、資料多。

3. 馬達(dá)驅(qū)動板

馬達(dá)驅(qū)動芯片較多，常用的有：LG9110、L293、L298，控制電路都非常簡單。圖1和圖3中使用的都是L298制作的驅(qū)動板，優(yōu)點是輸出電流大，即使馬達(dá)堵轉(zhuǎn)，芯片也不會燒掉。

4. 傳感器

（1）灰度傳感器。經(jīng)過實踐檢驗，使用ST188（價格2元左右）制作的灰度傳感器性能最好，黑白差值大，不容易損壞。接在模擬輸入口時，黑線返回800左右，白線返回60左右，便于編程調(diào)試，還可以接在數(shù)字輸入口上。而使用光敏電阻與發(fā)光二極管做成的灰度傳感器，因沒有開模做外殼，很容易損壞。TCRT5000也可以使用，但其對安裝高度要求很嚴(yán)，不建議使用。

（2）紅外避障傳感器?？梢允褂霉怆婇_關(guān)D80NK，體積較小，缺點是距離調(diào)節(jié)不方便。也可以使用38K的一體接收頭自制。傳感器配有指示燈，發(fā)射距離可以調(diào)節(jié)。如購買成品，價格在15元左右，手工制作大約需要6元成本。

（3）光線傳感器（光敏電阻）。直插的光敏電阻容易損壞，建議使用0805貼片型光敏電阻。

（4）超聲傳感器。超聲傳感器不僅可以測量是否有障礙，還可以測量距離的遠(yuǎn)近。如果配合一個伺服電機，可以做一個特別酷的避障小車。

（5）其他傳感器。另有溫度、濕度、指南針、加速度等各種傳感器或模塊，可根據(jù)教學(xué)的需要自行選擇。

在經(jīng)費緊張的情況下，應(yīng)盡量壓縮結(jié)構(gòu)件的成本，要把有限的經(jīng)費花在購買或制作傳感器上。另外，還要考慮后續(xù)的維護(hù)問題，購買或制作不容易損壞的傳感器，否則看似節(jié)省，實則浪費。主板及傳感器的制作，都要使用標(biāo)準(zhǔn)接口，便于購買兼容的傳感器，也便于日后的升級與擴展。

（二）軟件部分

1.使用BASCOM 編程軟件，推薦使用DEMO版。BASIC語言是學(xué)習(xí)編程的啟蒙語言，語句簡單好記。該軟件的 DEMO版有2K代碼限制，功能上不做限制，做相對簡單的教學(xué)任務(wù)已經(jīng)足夠了。我們在2007年開設(shè)興趣課時曾使用過這種編程語言。

2.使用免費的AVRGCC作為編譯器，編制專門的流程圖軟件。該軟件最大的優(yōu)點是適合小學(xué)生，使用拖動圖塊的方法來編程，并實時生成代碼（如圖4）。

圖4 流程圖軟件

課程如何設(shè)置

使用任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)模式，每節(jié)課完成一個或多個小任務(wù)，幾節(jié)課合起來完成一較大的任務(wù)。課程設(shè)置可以依照三條主線：

一是以傳感器及硬件結(jié)構(gòu)作為學(xué)習(xí)的主線，以下為課堂任務(wù)設(shè)計舉例。

（1）電機驅(qū)動：機器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、走圓圈、走正方形。

（2）避障傳感器：自由行走機器人，走迷宮機器人。

（3）灰度傳感器：走軌跡，結(jié)合其他傳感器，可以設(shè)計很多任務(wù)。

（4）LED控制類：呼吸燈、螢火蟲LED。

（5）光敏傳感器：智能臺燈。

（6）聲音傳感器：聲控臺燈。

（7）音樂類：編制簡單的兒歌，如《兩只老虎》、《娃哈哈》；還可模擬聽過的聲音，如救護(hù)車、消防車的聲音。

二是以流程圖軟件中的圖塊為主線，如圖5所示。

圖5 流程圖中的命令圖塊

三是直接以任務(wù)為主線，淡化程序的學(xué)習(xí)，在做任務(wù)中滲透程序設(shè)計的思想。任務(wù)設(shè)計前后關(guān)聯(lián)，層層遞進(jìn)，由易到難，逐步演變?yōu)榫C合型任務(wù)（如圖6、圖7）。

圖6 燈光控制類任務(wù)

圖7 燈光控制類任務(wù)（綜合）

機器人進(jìn)課堂既是機遇，也是挑戰(zhàn)，我們在探索的路上會遇到很多困惑，但只要我們不放棄，多學(xué)習(xí)、多動手，所有困難都能解決。希望越來越多的學(xué)校將機器人引入課堂。

注：流程圖軟件、M8主控板原理圖等資料都可以在以下地址下載，歡迎交流！

http：//blog.sina.com.cn/u/2985133074

（作者單位：浙江義烏市私立群星學(xué)校）