運用開源硬件開展鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學(xué)機器人教育的嘗試

☆ 曾冕

（惠州市三棟鎮(zhèn)中心小學(xué)，廣東惠州 516001）

運用開源硬件開展鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學(xué)機器人教育的嘗試

☆ 曾冕

（惠州市三棟鎮(zhèn)中心小學(xué)，廣東惠州 516001）

在Arduino開源硬件平臺上開發(fā)的教學(xué)機器人價格低廉，擴展性好，圖形化編程，網(wǎng)絡(luò)參考資源豐富，有利于解決鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學(xué)開展機器人教育中存在的問題。筆者設(shè)計了一套將開源硬件教育機器人應(yīng)用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學(xué)的教學(xué)方案，本方案強調(diào)應(yīng)讓小學(xué)生自己動手，分解、拼裝、使用機器人、編寫機器人程序，尤其是要鼓勵學(xué)生對現(xiàn)有機器人進行大膽的改造創(chuàng)新，以“機器人的手”為例詳細說明了機器人教學(xué)的思路、方法和注意事項，并以此說明開源硬件教育機器人對于經(jīng)費緊缺、場地狹小、師資水平較差的鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學(xué)具有較高的適用性。

小學(xué)信息技術(shù)；機器人教學(xué)；Arduino；開源硬件

一、鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學(xué)機器人教育存在的問題

小學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升是我國青少年自主創(chuàng)新能力提升的重要一環(huán)。近年來，我國教育部門積極提倡將智能機器人引入小學(xué)信息技術(shù)課程中來，進一步優(yōu)化課堂教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生走向創(chuàng)新學(xué)習(xí)，取得了一定的成績，獲得了社會普遍的認同。但不容否認的是，機器人教育在普通鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學(xué)的開展遇到了一定的困難，主要有如下幾點。

1.費用昂貴且缺少專項資金扶持

適用于小學(xué)教育的教學(xué)機器人，一般需要便于學(xué)生拆裝研究，能夠通過簡易的編程實現(xiàn)智能控制。因此，教學(xué)機器人通常需要開發(fā)專門的硬件和軟件，這導(dǎo)致教學(xué)機器人的售價在幾千元到幾萬元不等。與其他課程相比，機器人教學(xué)的投入對于辦學(xué)經(jīng)費較為緊張的鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學(xué)無疑是較難承受的，而對于來自農(nóng)村家庭來說，機器人模型的投入更是他們無法負擔(dān)的［1］。因此，資金困難嚴重制約了普通鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學(xué)機器人教育的發(fā)展。

2.機器人教學(xué)未能形成較為完善的體系

在小學(xué)信息技術(shù)課程中開展機器人教學(xué)可培養(yǎng)小學(xué)生想象力和創(chuàng)造力，能有效修正當(dāng)下小學(xué)信息技術(shù)課程中重視模仿輕視創(chuàng)新、重視軟件輕視硬件的趨向。但目前在鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學(xué)開展機器人教學(xué)仍處于摸索階段，對小學(xué)機器人教學(xué)的指導(dǎo)思想、教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)評價等還未形成體系，缺少激勵機制，制約教師的教學(xué)積極性，機器人教育的評價體系仍需不斷探索和完善。

3.教育機器人競賽的畸形發(fā)展影響深重

近年來，在教育機器人生產(chǎn)廠商的大力鼓動下，各級教育主管部門和社會團體舉辦了類目繁多的機器人競賽。部分學(xué)校過分強調(diào)競賽的成績，走入誤區(qū)，校方投資機器人項目是為了能在競賽中取得好成績，提高學(xué)校知名度，而不是看重機器人的競技項目會給學(xué)生的身心成長帶來如何長遠的影響。在這種思想的指導(dǎo)下，競賽指導(dǎo)教師為了能讓學(xué)生獲得好成績，在競賽現(xiàn)場中往往越俎代庖，自己動手完成比賽的各個環(huán)節(jié)，然后讓學(xué)生以自己的名義參加比賽，因此，這種所謂的比賽比拼的不過是幕后的指導(dǎo)教師，光輝成績的背后，犧牲的往往是對學(xué)生真實能力的培養(yǎng)。

此外，由于資源和能力的限制，畸形的機器人競賽，得到學(xué)習(xí)機會的往往只能是極少部分尖子生，大部分的學(xué)生只能望“機”興嘆，這就造成了一種新型的教育資源分配不公的教育公平問題。

4.缺乏合適的機器人教材

小學(xué)機器人教育缺少適用的教材，各學(xué)校往往以所購買的教學(xué)機器人公司的產(chǎn)品說明書為藍本，編寫教材，這類教材往往將機器人視為一種教具，教材內(nèi)容側(cè)重于對機器人所能實現(xiàn)的功能進行介紹，再輔以幾個教學(xué)應(yīng)用案例，未能結(jié)合小學(xué)生的身心特點編寫，晦澀難懂。因此，這種教材無法使學(xué)生全面掌握有關(guān)機器人學(xué)習(xí)和應(yīng)用的基本知識，當(dāng)然更難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機器人的興趣，效果始終較差。

5.機器人教學(xué)教法落后

由于配備的教學(xué)機器人數(shù)量有限，小學(xué)機器人教學(xué)仍然采用傳統(tǒng)的課堂方式，教師事先錄制好教學(xué)視頻，在課堂上放給學(xué)生看，然后，分小組分任務(wù)讓學(xué)生模仿。由于課堂的時間和設(shè)備條件非常有限，學(xué)生往往只能在理想的條件下完成一個較小的任務(wù)，脫離了真實的、復(fù)雜的環(huán)境，難以掌握核心的機器人知識，難以滿足機器人教學(xué)的實踐性需要，這嚴重制約了學(xué)生對機器人的興趣的培養(yǎng)，更談不上激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造欲望，讓學(xué)生體驗成功感了。

二、開源硬件教學(xué)機器人的特點

教學(xué)機器人的主要矛盾之一就是機器人設(shè)備內(nèi)核技術(shù)的開放問題。近年來，開源硬件的快速發(fā)展為解決這個矛盾提供了全新的解決方案。

所謂開源硬件，是指開發(fā)者公開有關(guān)硬件的所有資料，包括電路圖、結(jié)構(gòu)圖、原理圖、零件列表，也包括涉及硬件的所有軟件的源代碼等，任何人都可以免費使用這些資料。開源硬件的典型代表就是Arduino系統(tǒng)，使用Arduino可以制作各式極富創(chuàng)意的電子作品。近年來，國內(nèi)外電子愛好者和教育工作者推出了一系列的基于開源硬件Arduino技術(shù)的教學(xué)機器人［2］［3］［4］，把這種系統(tǒng)應(yīng)用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學(xué)機器人教育優(yōu)勢顯著，主要有以下幾種表現(xiàn)。

1.機器人硬件價格便宜

基于開源硬件Arduino技術(shù)的教學(xué)機器人遵循Creative Commons許可，即任何人都被允許復(fù)制、生產(chǎn)別人設(shè)計的硬件電路板和有關(guān)軟件，也可以進行重新設(shè)計，均不需要支付任何專利費和版權(quán)費，因此，開源教育機器人的硬件價格也自然較低；同時，由于開源硬件的生產(chǎn)、制造、銷售沒有知識產(chǎn)權(quán)門檻限制，涉足的廠商數(shù)量眾多，競爭激烈，機器人售價也被拉低。這對于經(jīng)費較為緊張的鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學(xué)而言極具吸引力，相同的預(yù)算下能夠采購數(shù)量更多、質(zhì)量更高的教育機器人，為教學(xué)的開展奠定重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.可擴展性好

Arduino有“電子積木”的別稱，用戶可象搭積木一樣構(gòu)建工作系統(tǒng)，可連接各類亮度、濕度、溫度、聲音、壓力、氣味、觸摸屏以及振動等傳感器感知外界信息，根據(jù)需要也可以控制各類開關(guān)、步進電機、繼電器、LED陣列、蜂鳴器以及各類切換矩陣等部件進行干預(yù)控制。這些功能基本上滿足了教育機器人制作的各種基本要素，易于實現(xiàn)各類組合型、互動型的機器人，擴展性非常好，最大限度地保障了教學(xué)的需要，強大的智能表現(xiàn)和較低的成功門檻易于引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3.編程平臺實現(xiàn)了圖形化

以Arduino為代表的開源機器人平臺已經(jīng)實現(xiàn)了編程的圖形化。目前，Arduino平臺上已經(jīng)開發(fā)出了Ardu?Block、Miniblog、Scratch for Arduino等圖形化的編程工具，它們完全不同于傳統(tǒng)的代碼式的編程系統(tǒng)，采用的是一種圖形積木式的編程方式，實現(xiàn)了編程的交互性和可視化，極大地降低了編程門檻，即使是沒有任何編程經(jīng)驗的小學(xué)生也能輕松掌握和駕馭，完全符合小學(xué)生的認知能力水平，使得小學(xué)生對教學(xué)機器人進行編程成為了現(xiàn)實。

4.網(wǎng)絡(luò)參考資源豐富

Arduino的開源硬件思想使得其愛好者遍及全球，擁有數(shù)量眾多的學(xué)習(xí)網(wǎng)站、論壇和社區(qū)，世界各地的使用者把自己設(shè)計的硬件技術(shù)資料和軟件源代碼公開，與愛好者共享，任何人都可免費獲得，這對拓展創(chuàng)新思路、培養(yǎng)實踐精神非常有利。小學(xué)生初學(xué)時，大部分的項目都不需要自己從頭設(shè)計硬件或編寫程序，只需找到類似的案例，在教師的指導(dǎo)下按圖索驥，購買零件、裝配好以后就可燒錄、調(diào)試程序，并在此基礎(chǔ)上改進，即能形成特色鮮明的獨有項目。

三、開源機器人課程設(shè)計

由于開源硬件教學(xué)機器人的特點，傳統(tǒng)的小學(xué)機器人課程也須相應(yīng)地做出調(diào)整。開源硬件機器人的教學(xué)應(yīng)當(dāng)側(cè)重于讓學(xué)生了解機器人的結(jié)構(gòu)和基本原理，特別是應(yīng)讓小學(xué)生較為充分地理解機器人傳感器原理、掌握Arduino機器人的圖形編程語言。在教學(xué)方法上，應(yīng)該留足時間讓小學(xué)生自己動手，分解、拼裝、使用機器人、編寫機器人程序，培養(yǎng)學(xué)生研究和使用機器人的興趣，尤其要鼓勵小學(xué)生對現(xiàn)有機器人進行大膽地改造創(chuàng)新，有意識地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神，同時，在團隊合作中培養(yǎng)協(xié)作精神。

鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學(xué)的機器人課程內(nèi)容可包括基礎(chǔ)知識、傳感器運用、執(zhí)行器運用、機器人主題設(shè)計四個部分，涉及機械、電子、計算機程序編寫等各方面，具體內(nèi)容安排如表1［5］［6］［7］［8］。

表1　鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學(xué)開源教學(xué)機器人課程內(nèi)容列表

1.基礎(chǔ)知識

此模塊旨在讓學(xué)生了解機器人，初步掌握Arduino機器人的程序編寫步驟。具體安排如下。

第1課《有趣的機器人》。讓學(xué)生通過觀看視頻、圖片和觀察實物機器人，了解機器人，消除機器人的神秘感。教師演示開源機器人的軟件編程步驟，學(xué)生練習(xí)使用圖形編程工具控制機器人上的LED燈亮滅。

2.傳感器運用

學(xué)生通過對傳感器學(xué)習(xí)，初步了解如何將外部信息輸入機器人。

第2課《害羞的機器人》。練習(xí)使用觸碰開關(guān)，觸摸一次，機器人上的LED燈逐漸明亮，然后逐漸變暗，如同蝴蝶害羞一般。

第3課《機器人怕吹風(fēng)》。練習(xí)使用麥克風(fēng)，學(xué)會將麥克風(fēng)連接到Arduino主控板上，編制程序，對著麥克風(fēng)吹一下，機器人上的LED燈逐漸明亮，而后逐漸變暗。

第4課《機器人測距》。練習(xí)使用超聲波傳感器，初步了解超聲波測距的原理。將超聲波傳感器模塊電路板連接到Arduino主控板上，燒錄好程序，將障礙物放在離超聲波探頭不同的距離內(nèi)，觀察LED數(shù)碼管上的距離讀數(shù)。

第5課《機器人起床啦》。練習(xí)使用光敏傳感器。將光敏二極管接入機器人的Arduino主控板，編制程序，將障礙物放在離超聲波探頭不同的距離內(nèi)，觀察LED數(shù)碼管上的距離讀數(shù)。

3.執(zhí)行器運用

學(xué)生通過對執(zhí)行器的學(xué)習(xí)，初步了解機器人是如何通過控制部件對外界施加作用。

第6課《機器人唱歌》。認識揚聲器與Arduino控制板的正確連接，能夠編制程序控制揚聲器發(fā)出樂音，可以給出若干曲譜讓學(xué)生改寫對應(yīng)的程序。

第7課《機器人升旗》。認識步進電機，學(xué)會正確地將步進電機連接到Arduino主控板的數(shù)字端口，能夠編制程序控制步進電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，學(xué)會用滑輪和拉線連接步進電機與旗幟。

第8課《機器人的手》。機器人手臂的夾持器是連接在舵機上的，學(xué)生要了解舵機的結(jié)構(gòu)、簡單原理與作用，理解舵機偏轉(zhuǎn)角的概念，學(xué)會編制程序控制舵機偏轉(zhuǎn)到指定角度，帶動機器人手臂旋轉(zhuǎn)到特定角度，控制夾持器產(chǎn)生閉與合的動作。

4.機器人主題設(shè)計

本模塊是綜合實踐創(chuàng)新活動，設(shè)計一系列機器人任務(wù)，要求學(xué)生在全面掌握所學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，通過拆卸、拼裝、重新編制程序的形式，學(xué)習(xí)對機器人的改造創(chuàng)新，并主要通過教學(xué)比賽檢驗學(xué)習(xí)成果。這些開放性的設(shè)計、制作任務(wù)將更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

第9課《機器人賽跑》。讓學(xué)生在現(xiàn)有車型機器人的基礎(chǔ)上，改進機器人的傳動機構(gòu)，利用超聲波傳感器探測障礙物，使得機器人能在“S”形賽道上競速前進，誰最先抵達終點誰的得分高。

第10課《機器人會話》。本課程關(guān)鍵使用了Arduino的語音識別模塊，該模塊可通過語音中的關(guān)鍵詞匹配算法進行語音識別。讓學(xué)生編寫語音對話腳本，并通過事先錄制對話語音設(shè)定語音檢測關(guān)鍵詞。組織全體學(xué)生做評委，評比看看誰的語音對話最準確、內(nèi)容最生動有趣。

第10課《機器人夾乒乓球》。本課使用到Arduino控制的六自由度機器人手臂。要求學(xué)生編程序控制機器人手臂將指定位置的乒乓球夾持起來，投入放在特定位置的玻璃杯中，不能把乒乓球夾扁。該課程有較大難度，而又極為有趣，能較大程度地激發(fā)學(xué)生對機器人的學(xué)習(xí)興趣。

四、教學(xué)案例

【課題】機器人的手

【設(shè)計意圖】舵機是驅(qū)動機器人進行動作的主要部件之一，它集直流電機、電機控制器和減速器于一體，是一個能夠利用簡單的輸入信號比較精確地轉(zhuǎn)動給定角度的精密機電設(shè)備。在先修的Arduino機器人內(nèi)容中，課例均較為簡單，此課例涉及機器人的動作控制，趣味性較強，是一個較為綜合的內(nèi)容，將使小學(xué)生的圖形編程和空間想象能力得到較大鍛煉。

【教學(xué)目標】了解舵機的結(jié)構(gòu)、簡單原理與作用，理解舵機偏轉(zhuǎn)角的概念，學(xué)會編制程序控制舵機偏轉(zhuǎn)到指定角度，帶動機器人手臂夾持器產(chǎn)生閉與合的動作。

【器材準備】必備硬件：Arduino主控板；舵機控制板；兩自由度或三自由度機器人手臂；S4A軟件；電源；連接導(dǎo)線線若干。

【認知建構(gòu)路徑】

（1）認識元件：認識機器人手臂，觀察其外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，重點觀察舵機的位置，了解舵機的作用。

（2）動手操作：用連接導(dǎo)線將電源、Arduino主控板、舵機控制板、機器人手臂上的舵機連接起來，運行測試程序檢查機器人手臂是否能做出夾持、偏轉(zhuǎn)的動作。

（3）編寫程序?qū)崿F(xiàn)互動：使用S4A軟件編程，實現(xiàn)“機器手臂夾持器打開”→“機器手臂夾持器閉合”→“機器手臂偏轉(zhuǎn)”→“機器手臂夾持器打開”的系列轉(zhuǎn)運動作，使學(xué)生懂得如何克服困難并掌握逐步趨于成功的解決問題方法。

（4）課外拓展延伸：如何實現(xiàn)機器人手臂夾持乒乓球，要求不能將乒乓球夾扁？

【教學(xué)反思】

機器人手臂的探究學(xué)習(xí)是小學(xué)生興趣最濃厚、思維最活躍的學(xué)習(xí)項目，課程中學(xué)生能夠?qū)W習(xí)到機電控制的有關(guān)知識，而通過S4A的互動編程又能實現(xiàn)學(xué)生自己的想法與意圖，最能實現(xiàn)機器人教學(xué)的目標與價值。但傳統(tǒng)課堂的40分鐘往往難以完成這類較為復(fù)雜的任務(wù)，因此，本課內(nèi)容最好安排在科學(xué)活動時間內(nèi)進行，留充裕的時間讓學(xué)生觀察、拆解、安裝、編程，將更有利于學(xué)生的探究與實踐。

五、總結(jié)

運用開源硬件開展鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學(xué)機器人教育，是開展素質(zhì)教育、落實自主探究性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)小學(xué)生觀察能力，提升科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新素質(zhì)的有效途徑。由于有了較為廉價、豐富的開源機器人硬件作為支撐，鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學(xué)的機器人教育變成了現(xiàn)實和可能。我們要重視課堂教學(xué)流程的設(shè)計，在教材設(shè)計中，既要教學(xué)目的明晰，又要由淺入深、形成體系。在教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)充分考慮小學(xué)生的學(xué)習(xí)特點，盡可能滿足小學(xué)生的求知欲、求新欲、喜歡游戲的天性，務(wù)求使得他們的情感得到體驗，個性得到張揚，科學(xué)技術(shù)素養(yǎng)得到提高，從而領(lǐng)悟到機器人學(xué)習(xí)的快樂，使鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學(xué)機器人教育真正落到實處。

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［3］王娟，胡來林.中小學(xué)Arduino機器人特性及其實例開發(fā)［J］.中國教育信息化，2013，（12）：69-71.

［4］曾祥潘.基于開源硬件Arduino的小學(xué)機器人微型課程內(nèi)容設(shè)計［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2012，（18）：75-76.

［5］卞云松.基于Arduino單片機的避障小車機器人［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2014，（01）：16-19.

［6］杜美珊，丁海倫.Arduino開源平臺在中小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科的應(yīng)用［J］.民營科技，2014，（12）：91.

［7］龍麗嫦.“智造機器人”小學(xué)S4A個性化課程實驗［J］.中小學(xué)信息技術(shù)教育，2014，（05）：22-24.

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［編輯：陳鉞］

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