機(jī)器人模塊化編程教學(xué)的探索與實踐

毛敏 雷歡 雷黎智 何飛雄 何康 沈忱

摘 要

針對目前機(jī)器人教育存在著眾多的問題現(xiàn)狀，本文提出以模塊化機(jī)器人編程教學(xué)來推進(jìn)適合于機(jī)器人教育的解決方案，并分析其控制原理與優(yōu)勢所在。根據(jù)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，構(gòu)建出模塊化機(jī)器人教學(xué)課程設(shè)計，從課程的基本框架、設(shè)計模塊及理論基礎(chǔ)進(jìn)行探索。最后，通過具體實踐驗證了該課程能提高學(xué)生的動手實踐能力、計算思維及創(chuàng)新思維。

關(guān)鍵詞

機(jī)器人;模塊化;編程教學(xué);課程設(shè)計

中圖分類號： TP242 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 18 . 71

0 引言

隨著近年來人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人教育正逐步走進(jìn)課堂，這不僅讓廣大青少年開拓了視野、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，也能培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作意識、系統(tǒng)性思維與創(chuàng)新實踐能力等[1]。

然而，目前機(jī)器人教育面臨教育理論體系不完善、師資力量薄弱，城鄉(xiāng)發(fā)展失衡及教育機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等困。由于日常生活中很難接觸到機(jī)器人，大多數(shù)學(xué)生對機(jī)器人概念的理解僅僅停留于表面。在此背景下，本文針對當(dāng)前現(xiàn)狀，進(jìn)行面向于青少年的模塊化編程教學(xué)的相關(guān)探索與教學(xué)實踐，圖形化編程模式得到應(yīng)用。

1 機(jī)器人教學(xué)問題解決方案與推進(jìn)策略

1.1 模塊化機(jī)器人控制原理及優(yōu)勢所在

對于一個完整的機(jī)器人控制系統(tǒng)，由主控制器、軟件（包括控制機(jī)器人運行的動作指令及上位機(jī)編程系統(tǒng)）以及硬件（包括機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)與各傳感器檢測模塊等）等設(shè)備構(gòu)成[2]。

其中，傳感器檢測模塊作為機(jī)器人行為感知系統(tǒng)，能感知外界環(huán)境的各類信息，并傳輸?shù)街骺刂破餍盘栞斎攵?作為執(zhí)行者的機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)通過各模塊零件的拼接或脫離構(gòu)建出各式各樣的機(jī)械構(gòu)型來執(zhí)行不同的任務(wù)，其構(gòu)型設(shè)計決定著機(jī)器人的動作執(zhí)行，環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng);模塊化機(jī)器人各基本功能取決于上述硬件系統(tǒng)與機(jī)械構(gòu)型設(shè)計，控制指令通過圖形化編程系統(tǒng)實現(xiàn)，通過設(shè)置各模塊控制參數(shù)，并編譯類C代碼，生成可執(zhí)行文件下載到主控制器中。最后，以傳感器返回參數(shù)作為控制條件，機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行動作，模塊化機(jī)器人的軟硬件實現(xiàn)深度融合。

模塊化機(jī)器人教育，具有成本低、便于推廣、采用即插即用的開放式結(jié)構(gòu)，易于形成一致的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范市場;較強(qiáng)的柔順性與容錯性，便于構(gòu)造出不同類型的機(jī)器人、快速培養(yǎng)能勝任教學(xué)的師資隊伍及開放性與可擴(kuò)展性，能構(gòu)建符合認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的教育體系。

1.2 針對高中階段對應(yīng)的模塊化機(jī)器人教學(xué)策略

作為一類特殊的機(jī)器人，應(yīng)以學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律為基礎(chǔ)，高中生辯證邏輯思維開始快速發(fā)展，但水平仍低于形式邏輯思維。因此，推進(jìn)策略應(yīng)是要求高中生理解常規(guī)機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)和微機(jī)原理，制作簡易機(jī)器人;并學(xué)會利用相應(yīng)計算機(jī)語言完成簡易程序編寫和燒錄[3]。學(xué)生通過不斷調(diào)試，既完成任務(wù)，也提升自身動手實踐能力。

2 構(gòu)建模塊化機(jī)器人教學(xué)課程設(shè)計

模塊化機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容從易到難，循序漸進(jìn)，不僅有動手實踐內(nèi)容，也有強(qiáng)調(diào)機(jī)械、電子與計算機(jī)等理論知識的學(xué)習(xí)，注重學(xué)生全面可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)認(rèn)知發(fā)展特點，制定對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生或團(tuán)隊創(chuàng)造潛能，培養(yǎng)動手實踐能力、計算思維及創(chuàng)新思維等[4]。

2.1 課程設(shè)計目的

目前對“基于模塊化教育機(jī)器人的課程體系”的開發(fā)，我國尚未完整提出，本文提出該設(shè)計主要是為了培養(yǎng)計算思維、動手實踐及拓展創(chuàng)新等能力。通過簡易機(jī)器人的拼接制作、側(cè)重程序三大基本結(jié)構(gòu)的理解、巡線和避障等進(jìn)行教學(xué)，編程過程盡可能的可視化與簡潔化。

2.2 課程整體設(shè)計

本文課程理論框架分為初級、中級、高級三階段。其中，在初級階段依據(jù)機(jī)器人模型圖樣，學(xué)生以個人或小組為單位根據(jù)應(yīng)用需求將機(jī)器人拼接制作完成，用情節(jié)導(dǎo)入方式講授程序設(shè)計的三大基本結(jié)構(gòu);中級階段將熟悉的初級規(guī)則、高級規(guī)則進(jìn)行組合，學(xué)生對于程序的認(rèn)知技能與動作技能逐漸增長，基本能應(yīng)用機(jī)器人來解決問題，該階段側(cè)重巡線與避障程序的設(shè)計與應(yīng)用;高級階段主要以競賽為主，培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐、自我思考及創(chuàng)新能力，學(xué)生通過具體情境自我嘗試、自我創(chuàng)造及自我設(shè)計以實現(xiàn)拓展創(chuàng)新。

總之，課程總框架是一個螺旋式擴(kuò)散過程：在廣度上，學(xué)生從中學(xué)會利用所學(xué)知識解決實際問題;在深度上，各階段層層遞進(jìn)，在鞏固前一階段的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加深對知識點難度，更注重計算思維、動手實踐及拓展創(chuàng)新等能力的培養(yǎng)。

2.3 課程模塊設(shè)計

（1）初級階段是課程的基礎(chǔ)，為符合身心發(fā)展水平，并非直接講授程序、原理知識，而是采用故事概述方式，讓學(xué)生通過故事情境、實際動手操作、建構(gòu)完善的體系來表征應(yīng)用，使學(xué)生主動思考，明白其中概念與原理。該階段主要鍛煉學(xué)生的動手實踐能力、編程思維，促進(jìn)技能與知識的雙向發(fā)展。

（2）中級階段課程進(jìn)一步拓展，在回顧初級階段舊知識基礎(chǔ)上開啟中級階段學(xué)習(xí)。該階段強(qiáng)調(diào)動手實踐與計算思維的進(jìn)一步培養(yǎng)，在設(shè)計環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計任務(wù)解決流程圖，使程序思維明朗化，提高解決問題的能力。同時，以螺旋式展開教學(xué)，以源代碼程序作為參考，給予學(xué)生與教師及時的反饋。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生對機(jī)械結(jié)構(gòu)、程序認(rèn)知技能與動作技能逐漸增長，發(fā)展成為可應(yīng)用機(jī)器人解決問題的高素質(zhì)者[5]。

（3）高級階段屬于開放型階段，正是這種不固定性更加凸顯學(xué)生拓展創(chuàng)新和動手實踐能力。本階段采用自主探究的模式。

3 機(jī)器人模塊化編程教學(xué)具體實踐案例分析

本次教學(xué)案例分析采用上海未來伙伴機(jī)器人有限公司的能力風(fēng)暴機(jī)器人系列，硬件機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)采用積木拼接方式，即插即用;用圖形化界面進(jìn)行編程，教學(xué)面向普通高中一年級學(xué)生。在課程中，以生活中的實際問題，如發(fā)射衛(wèi)星過程，激發(fā)學(xué)生興趣，讓學(xué)生知道要做什么、解決什么問題。通過模擬生活的真實情境導(dǎo)入，學(xué)生開始以兩人為單位作為一個小組進(jìn)行模型的拼接。隨著問題產(chǎn)生、問題探究及問題解決，在教學(xué)過程中分階段進(jìn)行教學(xué)，在不同環(huán)節(jié)設(shè)置不同程度的問題，幫助學(xué)生思維拓展。在后續(xù)階段學(xué)習(xí)過程中，通常具有知識回顧的環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)需教師與學(xué)生配合與互動，帶領(lǐng)學(xué)生回顧舊知識并開啟新知識的學(xué)習(xí)。同時，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生繪制問題解決的思路流程圖，學(xué)生們可通過小組討論與集體討論相結(jié)合的方式完成老師所布置的各項任務(wù)，學(xué)會將不同程度的問題解決思維演繹成流程圖、再將流程圖演繹成程序算法，讓機(jī)器人代替人類去解決問題。

下面分階段進(jìn)行案例分析：

3.1 初級階段

（1）學(xué)生以小組為單位，根據(jù)解決方案搭建示例開始動手實踐，將機(jī)器人與任務(wù)模型搭建完整。

（2）模型搭建完成后，為完成本次任務(wù)，學(xué)生需開始對機(jī)器人行駛路徑進(jìn)行合理規(guī)劃。由于場地地圖中有三類路口，學(xué)生根據(jù)任務(wù)，設(shè)置合理路徑，明白流程概念，并領(lǐng)悟程序三大基本結(jié)構(gòu)。

3.2 中級階段

本案例所用機(jī)器人的傳感器檢測模塊為紅外傳感器，“巡線”特指讓機(jī)器人沿著場地中一條固定線路（黑線）行進(jìn)來完成相應(yīng)任務(wù)。同時，為使機(jī)器人遇障礙物后能安全行進(jìn)，需加避障效果，以順利到達(dá)基地。初級階段任務(wù)可培養(yǎng)學(xué)生動手實踐與軟件編程能力，為高級階段任務(wù)完成打下堅實基礎(chǔ)。其編程界面遵循模塊圖形化，對于初學(xué)者可編寫流程圖程序;對于有編程基礎(chǔ)、層次較高的學(xué)生可編寫JC代碼程序。

3.3 高級階段

學(xué)生根據(jù)初級、中級階段的學(xué)習(xí)與鞏固，開啟高級階段的競賽與拓展創(chuàng)新，為了檢驗學(xué)習(xí)情況，設(shè)置相應(yīng)的競賽規(guī)則：（1）場地上放置有一個衛(wèi)星模型，轉(zhuǎn)柄豎直;（2）低難度得分：機(jī)器人使衛(wèi)星升起，脫離保護(hù)架，衛(wèi)星底部高于發(fā)射架（衛(wèi)星最下端高于126.78°梁并保持到比賽結(jié)束），可得40分;（3）高難度得分：機(jī)器人使衛(wèi)星升起，脫離保護(hù)架，并且使衛(wèi)星明顯轉(zhuǎn)動起來（一圈以上），可得60分。為公平起見，該階段以量化評分的方式，檢驗學(xué)生任務(wù)的完成情況。

同時，在學(xué)生動手操作環(huán)節(jié)中，以因材施教方式進(jìn)行，鼓勵學(xué)生多動手、多實踐、多提問題。在提問環(huán)節(jié)，選擇合適問題讓學(xué)生集體解答，從多角度、多方面引導(dǎo)學(xué)生，提高學(xué)生解決問題的發(fā)散思維。在課程過程中也設(shè)置反思環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)既讓自我評估，也能體現(xiàn)出學(xué)生對本次內(nèi)容的學(xué)習(xí)態(tài)度。

綜上，通過各模塊環(huán)節(jié)的評估，教師既可了解學(xué)生的一般水平，以設(shè)置接下來的拓展內(nèi)容，也可對學(xué)生有較為定性的評價。

4 小結(jié)

本次探索通過對機(jī)器人教育的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，分析模塊化機(jī)器人的控制原理及作為機(jī)器人教育載體其優(yōu)勢所在。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，構(gòu)建模塊化機(jī)器人的教學(xué)課程。在整個課程設(shè)計過程之中，通過總體框架設(shè)計與各階段逐一細(xì)化的方式進(jìn)行課程設(shè)計，保證了課程的整體性與連續(xù)性，問題難度也具有梯度性，并經(jīng)過實踐驗證該課程有利于學(xué)生思維的拓展與動手實踐能力的鍛煉?；谀K化機(jī)器人的編程教學(xué)，有效提高學(xué)生的動手實踐能力、計算思維及創(chuàng)新思維。

參考文獻(xiàn)

[1]劉朕.普通高中開設(shè)機(jī)器人課程思考[J].科技創(chuàng)報，2016，13（30）：122-123.

[2]趙子建，梁建宏，張代兵.模塊化機(jī)器人圖形化編程系統(tǒng)的開發(fā)與研究[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2016（01）：32-35.

[3]黃芹，陶云，王玉金，吳昌林.中小學(xué)模塊化機(jī)器人教育探究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2018，28（07）：113-119.