基于STEM教育的雙足行走機(jī)器人制作應(yīng)用研究

文/廣東省理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校 楊 亭 田世鋒 李輝輝

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》強(qiáng)調(diào)提高學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問(wèn)題的實(shí)踐能力。如今機(jī)器人技術(shù)已廣泛滲透到人們生活、學(xué)習(xí)等各領(lǐng)域。機(jī)器人智能技術(shù)能夠通過(guò)解決實(shí)際問(wèn)題激發(fā)學(xué)生對(duì)于計(jì)算機(jī)學(xué)科、科學(xué)、技術(shù)、工程設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)的興趣，是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、科學(xué)品質(zhì)、探索精神、實(shí)踐能力為目標(biāo)的學(xué)科。隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字技術(shù)與教育不斷融合，學(xué)生的培養(yǎng)從應(yīng)試能力向立足于學(xué)生全面發(fā)展的綜合素質(zhì)培養(yǎng)轉(zhuǎn)變是教育發(fā)展的趨勢(shì)。

機(jī)器人取代勞動(dòng)力已經(jīng)成為必然，人才培養(yǎng)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)催生了教育機(jī)器人的快速發(fā)展。國(guó)內(nèi)外一些企業(yè)紛紛生產(chǎn)教育機(jī)器人或教學(xué)平臺(tái)，如SmartCar、SUUNY618、博思威科教育機(jī)器人等均已投入市場(chǎng)。但以企業(yè)牽頭推動(dòng)發(fā)展教育機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，大多自成體系，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，商業(yè)化嚴(yán)重，開(kāi)放度低。機(jī)器人教學(xué)的“教材”屬于“產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)”或“用戶(hù)指南”式的居多，缺少課程與教育教學(xué)專(zhuān)家的參與和指導(dǎo)，而基于STEM教育的雙足行走機(jī)器人制作應(yīng)用研究是各學(xué)科工程技術(shù)人員創(chuàng)意的交流融合、多學(xué)科知識(shí)的跨界整合，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的探索能力、協(xié)作能力和創(chuàng)新能力具有促進(jìn)作用，因此，進(jìn)行基于STEM教育的雙足行走機(jī)器人制作應(yīng)用研究以適應(yīng)中職學(xué)生的“做學(xué)結(jié)合”學(xué)習(xí)特點(diǎn)來(lái)推廣控制機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用，提高學(xué)生的培育質(zhì)量就很有必要。

在國(guó)外，機(jī)器人教育一直是個(gè)熱點(diǎn)，早在1994年麻省理工學(xué)院(MIT)就設(shè)立了“設(shè)計(jì)和建造 LEGO 機(jī)器人”課程(Martin)，目的是提高工程設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的設(shè)計(jì)和創(chuàng)造能力，嘗試機(jī)器人教育與理科實(shí)驗(yàn)的整合；麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室“終身幼兒園”項(xiàng)目小組開(kāi)發(fā)了各種教學(xué)工具，通過(guò)與著名積木玩具商樂(lè)高公司的緊密合作，該項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)出可編程的樂(lè)高玩具，幫孩子們學(xué)會(huì)在數(shù)字時(shí)代怎樣進(jìn)行設(shè)計(jì)活動(dòng)。

國(guó)內(nèi)也已有一些企業(yè)和公司可以生產(chǎn)教育機(jī)器人或教學(xué)平臺(tái)。如北京水木寰虹教育公司的i奇機(jī)器人，有著自己獨(dú)創(chuàng)的易學(xué)編譯平臺(tái)，并將機(jī)器人教育理念深入到小學(xué)、中學(xué)、大學(xué)各個(gè)層次。

教育機(jī)器人雖然已經(jīng)有了不少，但是對(duì)于廣大的機(jī)器人愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，這并不是他們的首選。他們喜歡自己選擇零件，自己設(shè)計(jì)電路板，自己編寫(xiě)程序，從頭到尾自己設(shè)計(jì)出一套機(jī)器人來(lái)。

一、研究?jī)?nèi)容及方法

1.研究?jī)?nèi)容

首先，基于STEM模式的跨界雙足行走機(jī)器人的設(shè)計(jì)研制，包括人文藝術(shù)元素的模型設(shè)計(jì)、模具制作、外殼3D打印成型，金屬連接件制作，控制電路板的設(shè)計(jì)制作，各類(lèi)電機(jī)、舵機(jī)、傳感器、控制器的原理應(yīng)用、安裝調(diào)試，針對(duì)中職學(xué)生特點(diǎn)的可視圖形化編程軟件的開(kāi)發(fā)調(diào)試，過(guò)程成本的核算控制等。

其次，科學(xué)規(guī)劃適合中職學(xué)生學(xué)習(xí)訓(xùn)練的機(jī)器人教學(xué)方法，開(kāi)展職業(yè)學(xué)校學(xué)生創(chuàng)新教育研究。

(1)規(guī)范中職學(xué)生工程技術(shù)能力。機(jī)器人是一門(mén)綜合交叉的學(xué)科，涉及機(jī)械、3D打印、人工智能、電子、運(yùn)動(dòng)學(xué)、傳感檢測(cè)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科，是激發(fā)中職學(xué)生動(dòng)手學(xué)習(xí)的有效方法。同時(shí)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很好地體現(xiàn)了工程的標(biāo)準(zhǔn)化及規(guī)范化。在機(jī)器人制作中，指導(dǎo)中職學(xué)生學(xué)習(xí)使用標(biāo)準(zhǔn)化組件和芯片；訓(xùn)練優(yōu)化算法；理解機(jī)器人的工作方式，解除學(xué)生對(duì)機(jī)器人的神秘感，激發(fā)其創(chuàng)新能力，為他們提供“用知識(shí)”的機(jī)會(huì)，努力將他們的奇思妙想激發(fā)出來(lái)。

(2)培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)意識(shí)，增強(qiáng)其協(xié)作精神。當(dāng)今社會(huì)大環(huán)境要求學(xué)生具備較強(qiáng)的合作能力?，F(xiàn)在中職學(xué)生大多自覺(jué)自律不足，團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)欠缺，機(jī)器人制作涉及的知識(shí)面很廣泛，不可能一個(gè)人獨(dú)立完成所有任務(wù)，需要多人協(xié)作。教師應(yīng)教會(huì)中職學(xué)生在協(xié)作中相互探索，將有用的信息和其他成員共享，讓學(xué)生在實(shí)踐中去感受，學(xué)會(huì)容忍伙伴的缺點(diǎn)與不足，去體驗(yàn)團(tuán)結(jié)協(xié)作的力量。

第三，研究培養(yǎng)一支適合未來(lái)教育教學(xué)的STEM教學(xué)應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才隊(duì)伍，以適合職業(yè)技術(shù)教育中STEM課程的順利開(kāi)發(fā)和開(kāi)展。

2.研究方法

依據(jù)STEM教育實(shí)踐課題建設(shè)研究總項(xiàng)目及基于STEM教育的雙足行走機(jī)器人制作應(yīng)用研究子項(xiàng)目的研究思路，制定該子項(xiàng)目建設(shè)技術(shù)路線，如圖1所示。

二、制作雙足行走機(jī)器人的STEM教育

1.硬件設(shè)計(jì)

(1)腿部

機(jī)器人的雙腿可由舵機(jī)和若干支架連接而成，如圖2所示。教師引導(dǎo)各個(gè)小組學(xué)生參考人類(lèi)腿部特征，每個(gè)可活動(dòng)關(guān)節(jié)處應(yīng)該配置一個(gè)舵機(jī)。接下來(lái)，讓各個(gè)小組進(jìn)行討論，設(shè)計(jì)并組裝機(jī)器人腿部。允許學(xué)生根據(jù)自身需要來(lái)設(shè)計(jì)腿部的高度、關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)、關(guān)節(jié)的可活動(dòng)范圍等，從而組裝出不同的機(jī)器人腿部。

圖1 基于STEM教育的雙足行走機(jī)器人制作應(yīng)用研究建設(shè)技術(shù)線路圖

支架 舵機(jī)

(a)鉆孔前

(2)軀干

教師先組織學(xué)生討論如何將機(jī)器人兩條獨(dú)立的腿有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。軀干部分主要由橫梁、肩部支架和角鋁等元件構(gòu)成，這些元件可根據(jù)自身需要進(jìn)行不同尺寸和形狀的裁剪。與此同時(shí)，教師要組織學(xué)生探索機(jī)器人兩條腿之間的距離應(yīng)該多大最為合適。再組織學(xué)生討論如何將所需的元件加工出來(lái)。如圖3所示，是學(xué)生使用鉗工設(shè)備、鉆孔機(jī)等加工出來(lái)的橫梁、肩部支架、角鋁。

圖4 機(jī)器人雛形

接下來(lái)，教師則組織學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人軀干部分的組裝。如圖4所示，機(jī)器人的雛形初步形成。

(3)電路板

教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)電路板的作用：一方面解決機(jī)器人舵機(jī)、單片機(jī)、傳感器等用電器的供電問(wèn)題；另一方面確保舵機(jī)與單片機(jī)之間的通信順暢。電路板制作主要包括三方面的內(nèi)容：設(shè)計(jì)電路原理圖，焊接實(shí)際電路，將電路板安裝到機(jī)器人上去。為獲得最佳電路，在制作電路時(shí)，教師組織學(xué)生進(jìn)行充分的討論。如圖5所示，是學(xué)生制作出來(lái)的雙足行走機(jī)器人的最終效果圖。

(a)正視圖

(b)側(cè)視圖

(c)后視圖

2.軟件編程及其調(diào)試

教師先引導(dǎo)學(xué)生探索人類(lèi)在步行走路時(shí)各關(guān)節(jié)的動(dòng)作分解，必要時(shí)可以讓學(xué)生親自走幾步來(lái)對(duì)走路原理進(jìn)行探究。讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到人類(lèi)走路其實(shí)是各個(gè)關(guān)節(jié)之間先后轉(zhuǎn)動(dòng)，并且連貫地組合在一起而成的。再組織學(xué)生通過(guò)C語(yǔ)言編程，讓單片機(jī)控制各個(gè)舵機(jī)的協(xié)同轉(zhuǎn)動(dòng)，從而讓機(jī)器人模仿人的動(dòng)作步行走路。

在調(diào)試過(guò)程中，機(jī)器人在雙足行走時(shí)可能并不順暢，甚至容易摔倒。此時(shí)，教師組織學(xué)生探索影響機(jī)器人正常走路的因素，并探索相應(yīng)的解決辦法，從而改進(jìn)機(jī)器人步行走路的穩(wěn)定性能。

3.后續(xù)完善

當(dāng)機(jī)器人可以模仿人類(lèi)走路以后，教師則組織學(xué)生討論和探索如何賦予機(jī)器人更多“人”的元素。例如，運(yùn)用3D打印技術(shù)給機(jī)器人上裸露的電路板和舵機(jī)支架安裝外罩，使其看起來(lái)更像一個(gè)人，再給機(jī)器人安裝傳感器，使其可以感知周?chē)沫h(huán)境。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)該研究組織4組學(xué)生進(jìn)行雙足行走機(jī)器人的制作，每組3～5個(gè)中職學(xué)生，有一年級(jí)的學(xué)生，也有二年級(jí)的學(xué)生。其中有3組學(xué)生完成機(jī)器人的制作，并且能讓機(jī)器人較為平穩(wěn)地模仿人類(lèi)的動(dòng)作步行走路。剩余一組未能完成制作的學(xué)生因?yàn)橹型緟⒓訉?shí)習(xí)而耽誤了部分課程，并且均是來(lái)自一年級(jí)的學(xué)生，他們還沒(méi)有完成電路設(shè)計(jì)和軟件編程等課程系統(tǒng)學(xué)習(xí)。

(2)每組學(xué)生在制作機(jī)器人的過(guò)程中，能夠積極溝通，一起查找資料解決問(wèn)題。同時(shí)，組員之間也能做到分工合作，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，確保項(xiàng)目順利完成。

(3)教師主要是起到引導(dǎo)和把控局面的作用，課堂的真正主角是學(xué)生。

三、結(jié)束語(yǔ)

(1)該研究著重點(diǎn)在于通過(guò)制作雙足行走機(jī)器人，來(lái)研究適合中職學(xué)生的STEM教育。

(2)該研究學(xué)生在制作機(jī)器人的過(guò)程中，能夠做到各抒己見(jiàn)，極大地發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)造力，積極為團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)力量。同時(shí)，在機(jī)器人的制作過(guò)程中學(xué)生能較好地結(jié)合機(jī)械、電氣、人文藝術(shù)、3D打印等學(xué)科知識(shí)，充分體現(xiàn)了STEM教育跨學(xué)科的特點(diǎn)。

(3)該研究能較好地形成基于STEM教育的雙足行走機(jī)器人研究制作開(kāi)發(fā)教學(xué)平臺(tái)，該教學(xué)平臺(tái)可應(yīng)用于中職學(xué)生職業(yè)教育。

(4)通過(guò)該研究能夠培養(yǎng)出2～3名適合未來(lái)教育教學(xué)的STEM教學(xué)應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才。雖然在課堂上教師的角色有所淡化，但是每節(jié)課都是經(jīng)過(guò)多位教師集體備課、精心準(zhǔn)備的結(jié)晶。