創(chuàng)客空間2.0：開源機器人的發(fā)展歷程和競賽組織形式

創(chuàng)客空間是創(chuàng)客教育重要的核心要素。如果用“廚房”來類比創(chuàng)客空間的功能，那么很多中小學都已經(jīng)有了自己的“創(chuàng)客廚房”，解決了創(chuàng)意的“溫飽”問題，下一步的發(fā)展便是如何吃得有營養(yǎng)、吃得有特色的問題，還有就是如何把“吃”這種喜聞樂見而又不可或缺的消費行為轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新型國家建設(shè)的體制機制的營養(yǎng)的問題。為此，我們準備用一定的篇幅來討論創(chuàng)客空間2.0的概念，其中包含核心技術(shù)和體制機制建設(shè)兩個維度。在技術(shù)層面上，我們選取了開源機器人、人工智能和虛擬現(xiàn)實作為創(chuàng)客空間升級的技術(shù)抓手，還從教學、競賽、評價、升學等體制機制維度進行創(chuàng)新和規(guī)劃。在訪談嘉賓的層面上，我們注重從專家、一線教師、硬件企業(yè)、軟件企業(yè)、校外培訓機構(gòu)、綜合服務(wù)商等多角度呈現(xiàn)創(chuàng)客教育在創(chuàng)客空間2.0階段發(fā)展的一些新的形態(tài)。不負韶華，創(chuàng)客教育，一直在路上。

龍麗嫦

廣東省廣州市電化教育館應(yīng)用推廣部教育技術(shù)教研員，廣州市電化教育館紅棉創(chuàng)客空間聯(lián)合創(chuàng)始人、負責人，廣州市名教師工作室主持人，研究方向為STEAM創(chuàng)客教育和教師TPCK能力發(fā)展。全國普通高中信息技術(shù)教材（粵教版）選擇性必修《開源硬件項目》主編，出版創(chuàng)客教育專著兩本，主持開發(fā)廣州市中小學創(chuàng)客教育師資培訓線下課程兩大系列，主持并開發(fā)廣州市中小學教師繼續(xù)教育創(chuàng)客師資培訓線上課程四門，參與中國大學慕課創(chuàng)客教育關(guān)課程建設(shè)一門。

梁錦明

廣東順德德勝學校信息系副主任。致力于中小學信息技術(shù)教學、創(chuàng)客教育、人工智能教育研究，順德區(qū)中小學創(chuàng)客教育聯(lián)盟負責人。全國中小學計算機教育研究中心網(wǎng)絡(luò)教研員，廣東省教育學會網(wǎng)絡(luò)教育專業(yè)委員會常務(wù)理事，佛山市計算機學會中小學專業(yè)委員會理事。

吳俊杰

北京景山學校信息技術(shù)、物理教師，創(chuàng)客教育普惠課程創(chuàng)始人，STEM教育研究者，研究方向為創(chuàng)客教育的普及課程和教師專業(yè)發(fā)展。全國中小學STEAM教育大會聯(lián)合發(fā)起人，“貓友匯”社群聯(lián)合創(chuàng)始人，家庭創(chuàng)客空間計劃、LaserBlock開源結(jié)構(gòu)件項目發(fā)起人。發(fā)表論文百余篇，專著三本。在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)域，致力于從教育的角度推動可持續(xù)發(fā)展理念下的模塊可重用的設(shè)計，推進電子、家電、家具、建筑行業(yè)的可重用設(shè)計的理念和消費行為。

吳俊杰：我經(jīng)常去廣東，跟龍麗嫦老師和梁錦明老師都很熟悉了，特別是龍老師，我們還常常一起做一些創(chuàng)客項目的評審。龍老師，首先讓我們回顧一下，您是如何結(jié)緣開源硬件的呢？

龍麗嫦：說實話，與大多數(shù)女性一樣，我最早聽到“硬件”兩個字是本能性回避的，而我有幸結(jié)識了廣州市白云區(qū)景泰小學的曾祥潘老師，他是較早一批玩開源硬件的興趣者、創(chuàng)客教師。后來，我與曾祥潘老師、梁志成老師創(chuàng)建了創(chuàng)客流動工作室，隨后萌發(fā)了教育創(chuàng)客空間的想法，并與廣州市電化教育館合作在館內(nèi)創(chuàng)建了名為“廣州教育創(chuàng)客空間”（后更名為“紅棉創(chuàng)客空間”）的開源硬件和數(shù)控制造實驗室。

吳俊杰：看來“紅棉創(chuàng)客空間”的發(fā)展和開源硬件密不可分。梁老師，您又是如何和開源硬件結(jié)緣的呢？

梁錦明：對于開源硬件，我應(yīng)該是2013年的時候開始“入坑”的。2010年，我開始在學校里開展Scratch的教學，經(jīng)過兩年的教學后，感覺進入瓶頸，這時，我查到Scratch是可以連接硬件的，就嘗試著在淘寶上搜索相關(guān)的設(shè)備。有趣的是賣家也是一位教師，我們很有共同語言，我的硬件之路是從一塊Scratch傳感板開始的，后來慢慢接觸了Arduino。2014年，我正式把Arduino引入到所在學校的拓展課上，2017年全面進入信息技術(shù)常規(guī)課程。

吳俊杰：我認為，開源機器人是使用開源硬件和開源結(jié)構(gòu)件，自主設(shè)計外觀，制作結(jié)構(gòu)，通過編程實現(xiàn)功能、測試效果并不斷改進，最終把想法和圖紙再分享出去的一個完整的機器人創(chuàng)造過程。兩位老師怎么看開源硬件和開源機器人之間的關(guān)系呢？

龍麗嫦：我是這樣理解開源機器人的，開源機器人是指利于開源硬件搭建的具有物理運算功能的結(jié)構(gòu)較完整的裝置。開源硬件具備價格門檻低、技術(shù)開源等優(yōu)勢，這就讓更多的愛好者能夠進入“舞臺”，衍生出更多的開源機器人項目，讓地區(qū)差異、學校差異和家庭條件差異不再成為阻礙學生接受機器人教育的攔路石。下頁圖1就是我和紅棉創(chuàng)客導(dǎo)師高偉光老師于2018年針對開源機器人的想法，我們從機械結(jié)構(gòu)件和配合開源電子件安裝兩方面考慮，發(fā)起并聯(lián)合吳老師您等有關(guān)教師設(shè)計了激光切割開源結(jié)構(gòu)件，建模尺寸是根據(jù)紅棉創(chuàng)客空間采用的開源分立元器件方案進行繪制，因而命名為Laserblock@紅棉創(chuàng)客空間。而且，我們開發(fā)并組織了基于該結(jié)構(gòu)件開展的開源機器人搭建的師資培訓活動，得到廣大中小學教師的認可和喜愛。

吳俊杰：我很認可龍老師的觀點，我多次去順德參加梁老師負責組織的創(chuàng)客節(jié)，也看到了學生使用Laserblock做了很多開源硬件作品，讓我印象特別深刻。開源機器人雖然是一個新興事物，但梁老師一定有很多經(jīng)驗分享。

梁錦明：關(guān)于開源機器人項目，在順德的開展也是一件比較偶然的事情。2017年順德區(qū)舉辦首屆教育創(chuàng)客節(jié)，到第二屆教育創(chuàng)客節(jié)時，比賽由我來負責組織與設(shè)計。為了搞好創(chuàng)客節(jié)的比賽，我查閱了很多地方的創(chuàng)客節(jié)的比賽項目，感覺都是大同小異，基本都是學生制作好一個作品，到現(xiàn)場路演展示，學生參與度有多大并不知道。同時，我也了解到機器人項目的比賽大多是機器人企業(yè)在負責，學生的參與度其實也不高。因此，我萌發(fā)了一個想法：創(chuàng)客節(jié)的比賽是否可以做到把成績數(shù)字化，不再是人為主觀判斷打分。成績數(shù)字化，不外乎就是時間、距離、重量等顯性化的東西，如何讓學生的作品能夠與時間、距離、重量等拉上關(guān)系？在思考的過程中，我發(fā)現(xiàn)了輪式小車這個項目，然后就找廠家切割了一批Laserblock，讓小車完成一個最基本的巡線任務(wù)，并通過車輛的設(shè)計和完成時間兩個角度來考核學生。

吳俊杰：當時我就在現(xiàn)場，我記得梁老師帶著一些教師分器材，將價格不高的一批電子件分裝成一組一組的現(xiàn)場競賽器材包，然后每一組配幾張A4大小的激光切割的Laserblock木板，感覺就像是發(fā)卷子。這時我體會到了一種機器人競賽的“駕馭感”，可以說我從工作后參加機器人比賽以來，從來沒有這種感覺，一直覺得機器人比賽被各種器材廠家瓜分得七零八落，教師沒有駕馭感，沒有命題的主動權(quán)。而這一點能夠在順德實現(xiàn)一些改變，令人很欣慰。

梁錦明：2018年的第二屆還在摸索期，學生使用的是成本300元的器材，2019年的時候每組學生的器材成本就壓縮到150元了，指導(dǎo)教師更傾向于讓學生通過編程算法來解決問題，而不是搞硬件裝備方面的競賽，去比誰的傳感器多。

我查閱了大量關(guān)于輪式小車的資料，在設(shè)計比賽的項目時，要使學生可以最大程度地參與到比賽中來，那么比賽的規(guī)則、評分標準、對設(shè)備的要求等都是非常重要的，而且這些還不能讓企業(yè)來包辦，因此，我們規(guī)定了從第二屆創(chuàng)客節(jié)開始，所有的品牌機器人將不再允許進入創(chuàng)客節(jié)的比賽項目中。

為了不讓教師對學生的比賽干預(yù)太多，我們不允許學生自帶設(shè)備，不提前公布比賽所用到的地圖，賽前只公布比賽的基本評分規(guī)則（任務(wù)分+時間分），公布比賽用小車的硬件清單，學生只需要帶上筆記本電腦，裝好開源硬件編程所需要用的軟件即可（如下表）。第二屆創(chuàng)客節(jié)雖然由于經(jīng)驗不足，比賽的個別項目出現(xiàn)了一些小問題，但并不影響整個比賽的精彩程度以及學生的參與程度。到了第三屆創(chuàng)客節(jié)，我們的項目更加完備，對硬件的要求更加簡單，對學生的技術(shù)水平要求也更高了。場地的變化、小車的尺寸要求等，都更加真實地反映了學生的現(xiàn)場制作與編程水平。同時，教師賽的出現(xiàn)，也讓教師們無法把精力放在學生比賽上，因為他們更加頭痛的是自己的比賽，假如學生拿到了好成績，而自己成績不好，是非常打臉的事情。因此，師生的興致就更加高昂了。2019年競賽的水平以及比賽的規(guī)則都上了一個新臺階，教師的參與熱情也更高了。

吳俊杰：龍老師，您現(xiàn)在的工作主要是區(qū)域?qū)用嫔系恼w規(guī)劃，看了梁老師分享的這些特別具體的活動細節(jié)之后，您覺得此類活動的推廣價值在哪里？

龍麗嫦：開源機器人的傳播，有五大好處：第一，將鼓勵分享的開源理念所倡導(dǎo)的開放（項目）協(xié)作精神和開放社區(qū)治理傳播開來，這是我們過往在普通民眾中并未廣泛科普過的;第二，擺脫原有以主題器材分類為主導(dǎo)的比賽規(guī)則制訂的綁架，重新規(guī)范機器人教育科普、教育教學活動開展、器材生產(chǎn)、商業(yè)活動推廣、專家制訂賽事規(guī)則的全鏈條活動;第三，讓參與者能夠參與到機器人教育教學活動及其賽事規(guī)則的制訂和演化中，具體細節(jié)成為踐行開源、開放準則的表現(xiàn)，能有效體現(xiàn)教育功能;第四，引導(dǎo)師生從注重技術(shù)轉(zhuǎn)向注重工程和設(shè)計，在開源機器人的DIY設(shè)計和制造中，在基于創(chuàng)客空間場域的指尖造物學習中，從調(diào)研、制作到調(diào)試，親身參與開源機器人的生成過程;第五，通過鏈條的改變，使倡導(dǎo)開源普惠的創(chuàng)客教育改革了教育的供給側(cè)，極大地擴大了機器人教育的受益面，打破機器人教育精英化的局面，一定程度上破解了機器人教育不均衡帶來的矛盾問題，促進了機器人教育的教育公平。

綜上所述，我覺得可以重新給開源機器人下個定義，開源機器人是指倡導(dǎo)開源、開放、協(xié)作理念，借助開源機器人教育社區(qū)共治而設(shè)計、維護規(guī)則與標準的，以開源軟硬件為核心平臺搭建的反映技術(shù)、工程和設(shè)計特性的裝置。我認為，開源機器人是為滋養(yǎng)創(chuàng)客師生提供的載體和路徑之一。

吳俊杰：龍老師總結(jié)得特別好，這些優(yōu)點也證實了“開源機器人”是創(chuàng)客空間2.0當中一個先導(dǎo)性的活動，從具體技術(shù)上來講難度并不大，但是從教學效果和教學的有效性以及STEM綜合育人的效果上來說，上了一個新臺階。

梁錦明：是的，2019年，我們就不允許學生使用熱熔膠，而且不再發(fā)放已經(jīng)切割好的小車底盤，所有底盤必須要現(xiàn)場設(shè)計、現(xiàn)場制作。器材要簽字領(lǐng)取，不能歸還的，學校要賠償。這些細節(jié)的建設(shè)，保證了活動的可持續(xù)發(fā)展。2018年，活動現(xiàn)場只有1臺激光切割機，大部分學生是使用統(tǒng)一規(guī)定的底盤參加走迷宮比賽;2019年，現(xiàn)場有7臺激光切割機，學生都是自己設(shè)計小車底盤，對于走迷宮這個項目來說，超聲波測距傳感器的安裝角度非常關(guān)鍵，統(tǒng)一設(shè)計的底盤雖然方便，但還是不如現(xiàn)場設(shè)計和制作、調(diào)試的底盤效果好（如圖2）。這也說明活動的效果得到了認可，教學水平和設(shè)施環(huán)境都得到很好的改善。

不少學校在創(chuàng)客節(jié)比賽結(jié)束的時候就開始主動了解明年創(chuàng)客節(jié)大概的方向，有的學校圍繞創(chuàng)客節(jié)的項目在學校里開展相應(yīng)的第二課堂課程，有的學校甚至著手編寫創(chuàng)客節(jié)項目中開源機器人比賽的相關(guān)教材，這些都讓我們感到鼓舞，也明確了開源機器人的比賽方向是正確的。今年，我們的開源機器人比賽項目將全面引進人工智能，場地競速、迷宮競速項目都將提供攝像頭，讓有能力的學生可以通過人工智能視覺識別進行開源機器人的設(shè)計。

吳俊杰：龍老師，作為創(chuàng)客教師隊伍的帶頭人，我還想聽聽您的意見。

龍麗嫦：開源機器人從民間實踐活動到帶頭者發(fā)起“開源機器人”的推廣，近五年也積累了不少經(jīng)驗。首先，普及最為廣泛的就是以Arduino系列為代表的開源硬件平臺的學習和使用，基于ArduinoUNO或NANO，全國各地創(chuàng)客教育師生玩出了不少令人雀躍的成果。我在主編全國普通高中信息技術(shù)課程新教材《開源硬件項目設(shè)計》（粵教版）時，就把Arduino開源硬件及利用它搭建的開源機器人項目編寫了進去。

其次，我最看好的就是Laserblock項目（又稱樂造項目），因為它利用激光切割機滿足和實現(xiàn)了機器人結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)開放、樣式多元、制件可重用、技術(shù)開源這幾個典型需求，讓激光切割的木制結(jié)構(gòu)件可以堆滿校園創(chuàng)客空間、家庭創(chuàng)客空間的制作桌，讓我們步入了開源機器人的時代，就如吳老師所說的“徹底告別機器人物質(zhì)匱乏的時代”。至于開展開源機器人的活動形式，以產(chǎn)品原型設(shè)計的造物為目的的項目學習活動是最好不過的，但據(jù)我觀察到的一些情況來看，還有比較多的教師偏重于技術(shù)步驟的學習，缺乏對項目整體調(diào)研、設(shè)計和迭代的整體教授，對學生的設(shè)計思維、計算思維和工程思維培養(yǎng)方法的認識，需要進一步增強。

吳俊杰：我身邊有不少樂高積木的粉絲，我也有一些朋友在機器人公司從事積木設(shè)計的工作。這些設(shè)計好的積木或成品都有一個共同的特點，就是“天才的設(shè)計，傻瓜的應(yīng)用”，教師拿到這些成品的積木，沒有改進的能力，只有按照說明書“照本宣科”，自然沒有教學的熱情。學生學習了一些基礎(chǔ)知識之后，很快就面臨著知識的天花板，難以從機械和電子這兩個角度開展更深入的教學?！霸O(shè)計軟件—加工設(shè)備—機械知識—電子模塊—電路知識—編程水平—競技意識”是一個“七合一”的綜合結(jié)構(gòu)，它們共同構(gòu)成了機器人作為一個非常好的信息技術(shù)、綜合實踐、勞動技術(shù)的結(jié)合點的獨特的教學價值。有了開源機器人，機器人的教學價值才能充分地挖掘出來，這種能力才能夠更適切地配合高校相關(guān)專業(yè)的育人要求，對于未來建立適應(yīng)創(chuàng)新型國家建設(shè)的選材育人體制也有著重要的示范意義。

創(chuàng)客空間的升級是近幾年創(chuàng)客教育發(fā)展的一個自然需求，而對于創(chuàng)客空間2.0而言，其發(fā)展也肯定不單單是技術(shù)的進步，這次突如其來的疫情，一方面打亂了很多人的安排，另一方面也讓我們意識到家庭作為創(chuàng)客教育的載體的重要性，如一些學生在沒有任何加工設(shè)備的情況下，自己繪制圖紙，用家里的泡沫塑料完成了一個機器人消毒車作品的設(shè)計。

龍麗嫦：廣州市電化教育館紅棉創(chuàng)客空間是融合了項目開發(fā)、教師培訓、競賽活動為一體的區(qū)域性創(chuàng)客空間，它從創(chuàng)建的時候起走的就是開源、普惠的路線。中小學一線教師通過參與我們組織的針對開源硬件、激光切割機及其應(yīng)用設(shè)計、教育項目設(shè)計的一些培訓，在基于紅棉創(chuàng)客空間場域的動手搭建學習體驗中，認識到開源硬件和開源機器人的教育功能和教育價值，并能夠“帶著課程回家”，將學習到的開源器材、搭建方法和學習方式復(fù)制回學校，移植作用在學生身上。走過了五年，這類培訓課程仍然受到教師們的熱捧，而開源硬件也一直在迭代更新，更加多元化，中小學師生學習和發(fā)展開源機器人的創(chuàng)造性成果預(yù)期無限。

梁錦明：我覺得開源機器人推廣起來成本是很低的，政策比經(jīng)費重要?；剡^頭來看我們順德區(qū)的開源機器人教育之路，創(chuàng)客節(jié)比賽項目的改革之所以非常重要，也正是因為有創(chuàng)客節(jié)的比賽作為引導(dǎo)，以及順德區(qū)教育發(fā)展中心的大力推動，尤其是2019年第三屆創(chuàng)客節(jié)啟動了鎮(zhèn)街預(yù)選賽，要求全區(qū)所有初中、小學必須參加鎮(zhèn)街預(yù)選賽其中一個項目的比賽，區(qū)屬高中和職校必須參加創(chuàng)客節(jié)其中一個項目的比賽，如果不報名，將在年終績效考核中扣除信息化項目的積分。

這項規(guī)定就把開源機器人比賽推廣到全區(qū)所有的學校，而教育發(fā)展中心聯(lián)合順德區(qū)創(chuàng)客教育聯(lián)盟的講師團，借創(chuàng)客節(jié)的機會，連續(xù)三年舉辦全區(qū)的創(chuàng)客教育培訓，要求所有學校必須派人參加，提供培訓所用設(shè)備，甚至培訓完可以把設(shè)備帶回學校，保證了每所學校均有兩名以上教師參加過創(chuàng)客培訓，每所學校都至少擁有一套開源硬件的入門套件。

順德區(qū)創(chuàng)客教育聯(lián)盟講師團，把自己多年來玩開源硬件的經(jīng)驗歸納起來，給全區(qū)學校推出一套開源硬件的入門套件，所有的設(shè)備均源于網(wǎng)絡(luò)，沒有企業(yè)在中間賺取利潤，堅持走草根、平民化路線，推廣萬元創(chuàng)客計劃，一所學校裝備一個開源機器人的實驗室，基礎(chǔ)設(shè)備一萬元內(nèi)完成。同時也聯(lián)合鎮(zhèn)街教育局，支持部分經(jīng)費充足的學校購買激光切割機、3D打印機等設(shè)備，然后片區(qū)兄弟學?？梢缘皆搶W校去使用這些設(shè)備。這就使得順德區(qū)的創(chuàng)客教育及開源機器人的教育可以順利地開展下去，并能真正地使學生得到鍛煉與成長。

結(jié)語：相信很多老師最后看到“萬元創(chuàng)客計劃”都覺得眼前一亮，這一期我們聚焦在開源機器人的發(fā)展歷程和競賽牽引下的競賽組織形式的探討，畢竟中小學機器人活動有一個“以賽促學”的歷史傳統(tǒng)，但是開源機器人不是一個空降的概念，它有著龐大的群眾基礎(chǔ)，下一期我們以開源機器人課程和開源機器人主題的創(chuàng)客空間建設(shè)為抓手，呈現(xiàn)推動開源機器人的“任務(wù)清單”，力爭讓教師和學校有更明確的操作規(guī)范，“既做好蛋糕胚的工作，又做好奶油和水果裝飾的工作”是創(chuàng)客空間2.0階段一個基本的工作要求。