簡述教育機器人的設計與應用

方國辰

（萊西市職業(yè)教育中心）

教育機器人是由專門的教育機器人生產企業(yè)開發(fā)的激發(fā)學生學習興趣、培養(yǎng)學生的綜合能力、鍛煉學生的邏輯思維生產成品套裝或散件，除教育機器人本體之外還有相應的教學課本和控制軟件。教育機器人在不斷發(fā)展與應用中需要滿足新課程教學改革的需要，遵循學生成長發(fā)育規(guī)律，對教學的模塊不斷更新，增強學生的科學素養(yǎng)，提高學生學習的積極性。讓學生在“玩中學，學中做?！蓖ㄟ^教育機器人的廣泛應用能夠極大地減輕教師的教學壓力，有更多的時間和精力進行深入的鉆研，提高課堂教學的質量。在教育機器人設計與研發(fā)中與實際課程教學相融合，真正提高教育機器人開發(fā)教學的整體水平。

一、教育機器人的發(fā)展

教育機器人本質是為教育服務，目前大部分的教育機器人主要以家用教育機器人或專業(yè)教育機器人為主。國外教育機器人發(fā)展較早，在上世紀六七十年代，以日本、美國為首的發(fā)達國家就已經開展了對教育機器人的研究，在大學課程中融入了教育機器人教學的內容[1]。我國的教育機器人研究在七八十年代開展，由于教育機器人研發(fā)起步較晚，目前教育機器人的設計和應用并不完善。在目前教育機器人研究中主要的領域有以下幾個方面：（1）教育機器人本體研究，重點針對教育機器人的應用領域進行分析，包括人工智能教育機器人學等，通過對教育機器人概念、特征、分類和相關理論進行解析，增強教育機器人的核心應用水平。（2）教育機器人教學角色和影響研究，主要涉及人型教育機器人，通常由教育機器人來扮演導師、同學和工具等不同的角色，根據學生的實際需求來調整不同的教學功能。（3）教育機器人設計研究，主要是針對移動教育機器人服務教育機器人遠程操控編程的重點研究。通過特定的教育機器人技術對相關的程序設定加以改造，從而實現教學目標或教學功能。（4）教育機器人教學實踐的主要研究對象為嬰幼兒，教育機器人課程設計教育技術支持、教育機器人教學等相關內容。教育機器人的應用場景主要是教學科研環(huán)境和個人環(huán)境根據不同兒童的成長需要設計出了不同的功能，針對特殊兒童群體可以設計出自閉癥兒童教育機器人，方便對自閉癥兒童進行正確的健康幫助。

二、教育機器人設計的原和作用分析

（一）教育機器人設計的主要原

首先，在教育機器人開發(fā)設計中要確保教育機器人本體的機械結構制作需要不斷的創(chuàng)新，對各種資源配置進行全面的調整。在電路體系設計中可以采用單片機形式，也可以采用嵌入式模式。單片機設計需要保證與通用技術和非功能標準的關系，對燒錄單片機的具體型號進行正確地挑選，選擇簡單的單片機編程內容。通過套件引進控制系統(tǒng)和功能，確保教育機器人的具體操作順利實施。其次，在教育機器人開發(fā)設計中要滿足兒童的需要，必須保證交互界面設計更加的簡潔高效。教育機器人教具必須要有一定的科學性，通過游戲、娛樂、影音等多種程序來使知識實現可視化滿足學生的認知特點，并且通過增加初級或中級語言編程教育，讓學生提前了解新語言和匯編語言，利用程序燒錄技術和紅外線技術來增強數據傳輸的穩(wěn)定性[2]。在教育機器人教育設計之前需要對所有教材的不同單元內容進行深入地研究，確保教育機器人教學與課堂教學緊密結合。每一個單元都可以設計成獨立的教育機器人介紹，隨機附帶課堂挑戰(zhàn)任務，引導學生對相關的基礎結構進行全面搭建，讓學生對相關的課堂知識有著更深入的了解。最后，還可以通過圖像、視頻、音樂等多媒體資料將課堂理論知識傳輸給學生，增強學生學習的整體效果。

（二）教育機器人應用的重要作用

教育機器人主要是針對不同教育學科和教材制定的教學輔助工具，能夠成為學生學習的重要伙伴。在傳統(tǒng)的教學中，由于教學方式老套陳舊，教學內容落后很難跟上時代發(fā)展的步伐，而且大部分的教學傾向于給定特定的問題，讓幼兒形成固定的思維，教學方式無法激發(fā)學生的學習主動性，嚴重限制了學生的想象力和創(chuàng)造力。通過教育機器人不僅可以設計開放性的問題，讓學生運用不同的方法和思路來快速地尋找問題的關鍵，也能夠進一步鼓勵學生發(fā)揮創(chuàng)造力和想象力，增強學生的開放性思維。在課堂教學中應用教育機器人不僅可以探討更加有趣充滿趣味挑戰(zhàn)性的主題，同時也可以動手實踐操作獲取相關的知識，在多學科知識學習中也能夠讓學生的思維具有邏輯性和緊密性，通過對整個項目進行構思設計與開發(fā)與實際工作和生活場景相結合，真正像編程人員一樣對項目進行研究、策劃。在教育機器人教學中能夠讓學生成為學習小組，共同設計屬于自己的教育機器人，鼓勵學生為教育機器人編寫個性化程序，主動提高學生的探索能力和動手能力[3]。通過親身體驗和實踐操作來感受教育機器人的相關知識，增強學生的學習能力、溝通能力和交流能力，教育機器人的設計融入了機械學電子學、傳感器、人工智能等多種先進的技術領域，而通過在教學中應用教育機器人，可以提高學生的創(chuàng)新思維，引導學生在觀察思考中去了解相關的知識，提高學生的綜合素質。

（三）教育機器人進行學科教學的必要性

在現代化學科教育中更強調學生的核心素養(yǎng)，而學生的核心素養(yǎng)培養(yǎng)必須要通過恰當的方法，通過加強對教育機器人學科教學，能夠讓學生從小了解并認識教育機器人的重要作用，提高全社會對教育機器人的正確認識，進一步促進教育機器人技術的快速普及和推廣。在教育機器人教學應用中通過對編程控制管理、維護人機關系等重要知識進行分析，能夠讓學生進一步了解教育機器人的原理結構、使用方法、操作技巧。確保教育機器人的應用水平全面提高。隨著教育機器人的研制水平不斷提高，對于教育機器人研發(fā)領域的人才培養(yǎng)也在不斷加深，能夠不斷地掌握各種最新的科研技術成果，從而豐富教育機器人的層次感。在新時期要高度重視對教育機器人專業(yè)的設計與開發(fā)，通過為教育機器人專業(yè)營造良好的課堂環(huán)境，真正地為教育機器人專業(yè)改革提供重要的依據。在教育機器人不斷應用中能夠打破現有信息技術教育的問題讓學生可以更靈活地掌握教育機器人的相關操作技巧[4]。通過在中小學開展教育機器人教育能夠使得青少年科技創(chuàng)新活動不斷發(fā)展進一步普及相關的知識，增強學生對現代技術的興趣。

三、教育機器人的設計總體思路

（一）硬件設計

在教學教育機器人教育實踐中，教師可以先構建網絡平臺，將相關的教學資源傳輸到網絡課程之中。通過將教育機器人教學的實踐與理論知識傳輸給學生，讓學生能夠對教育機器人課程有著初步的印象，同時也可以幫助學生了解控制原理和基礎的操作技能。在教育機器人總體設計中可以對教育機器人的功能和結構進行全面優(yōu)化，可以不在附加設備的同時直接開發(fā)教育機器人程序。在教育機器人結構設計時為了滿足教育機器人的具體功能需求，整個系統(tǒng)應該包括傳感器，控制器和執(zhí)行器三大部分，而且還增加了幾十個傳感器用于拓展，增強教育機器人對環(huán)境感知能力?？刂破黝愃朴谌说拇竽X，可以對各種操控指令進行快速的分析和判斷，主要由中央處理單元，輔助電路和程序共同組成執(zhí)行器能夠類似于人的四肢完成各種操作指令，CPU可以采用16位數字信號處理芯片不僅內容豐富而且處理速度極快，具有所有單片機的優(yōu)點，同時包括程序存儲器、數據存儲器脈沖、寬度調制，但與單片機不同的是。CPU能夠實現復利液變換也是DSP的內核，可以及時進行音頻和視頻的處理，主板上有電源電路兩個電機驅動電器等這種教育機器人的額定電壓為5V。教育機器人在使用中電池電壓會逐漸下降，所以必須要保證教育機器人電池電壓穩(wěn)定在5伏，而設備的檢測接口包括前后左右紅外線障礙物檢測，通過電位器對紅外發(fā)射管和紅外接收管連接，不斷調整紅外發(fā)射功率對障礙物的具體情況進行檢測，剛發(fā)射的紅外線被障礙物反射彈回時接收管會接收，發(fā)出低電平。光敏三極管用于檢測兩邊的火源，路面檢測由光電模塊組成，不同的顏色對光的吸收各不相同，快速識別路面軌跡。

（二）教育機器人的用戶軟件開發(fā)

在針對教育機器人用戶軟件開發(fā)時，首先，要對對象和軟件功能以及使用目標進行準確的評估，目前，大多數的教育機器人用戶主要以中小學生和教師為主，在軟件開發(fā)設計中要根據教師和學生的不同需求進行設計軟件語言、C語言編程，真正做到了易學易用。在軟件不同模塊設計中，主要包括窗體模塊繪制模塊、數據結構模塊和文件處理模塊等窗體模塊，可以用于快速接收各類信息，也能夠集成窗口、菜單、工具欄、狀態(tài)欄等。繪制模塊主要是被其他模塊函數調用，能夠快速繪制較小的繪圖單位。結構數據模塊包括處理模塊繪制模塊輸入模塊和輸出模塊，在文件處理模塊中能夠用于打開或保存流程圖，快速保存生成的源代碼等[5]。在用戶使用教育機器人時可以利用C語言進行編程，也可以通過圖形化交互式C語言界面編程。最后，利用串口下載，每次下載都能自動拆除，上一次的程序為了完全滿足用戶需要。在不運行任何外部數據庫或動態(tài)鏈接庫的情況下技術軟件層面有了廣泛的應用，能夠實現流程圖到程序源代碼在可執(zhí)行程序轉換屬于自動化編程軟件，這也是軟件未來發(fā)展的重要方向。在用戶界面設計中需要基于windows操作系統(tǒng)，利用C語言編程和圖形化交互式C語言編程兩種不同的形式。通過新型教育機器人的設計，不僅采用了領先的圖形化交互式C語言，而且還能夠實現算法描述和程序設計，具有非常先進的教學功能。

（三）教育機器人教育實驗任務的具體設計

教育機器人可以直接安裝在具有履帶雙輪或四輪的運動模型中，能夠對路面進行識別與檢測，快速規(guī)劃行駛路線，具有非常強的移動能力，而目前的教育機器人教學應該注重培養(yǎng)學生的綜合素質和動手能力，普通學生家中都可以有遙控玩具車，學生能夠通過對相關的玩具進行動手改裝，構建自己的教育機器人，通過學生親自編制指令，并且在技術教育機器人中。存儲幫助教育機器人執(zhí)行各種操作，不僅增強了學生實踐操作的真實體驗，而且也可以對計算機語言教學進行直觀地展示，提高學生的計算機核心素養(yǎng)，真正滿足創(chuàng)新發(fā)展的需求。教育機器人還具備輸入輸出接口，同時接入多種模塊，實現障礙物躲避、滅火、自動行走等功能，可以為學生的計算機學習提供更廣闊的空間，也能夠幫助學生按照自己的想象增加其他的各種功能，提高學生的創(chuàng)新思維和想象能力。教育機器人教育具有良好的普及性，通過學生親自動手操作能夠減少制作成本，同樣大部分的教育機器人主要采取鎳氫充電電池，有效減少了對環(huán)境的破壞，教育機器人具有先進的開放性、普及性、可拓展性，是目前在教學中應用最廣泛的教學工具，也是培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力的重要途徑。在教育機器人教學實踐應用中教師可以提前設計小規(guī)模的教育機器人挑戰(zhàn)任務，并且在每次課堂教學中與課后練習中，都能夠讓學生親身體驗，共同探討教育機器人硬件如何運行才能保證教育機器人的運動。在課堂教學完成之后要主動地培養(yǎng)學生傳感器運用技能，積極鼓勵學生主動參與。

四、教育機器人教育的具體應用案例

在挑戰(zhàn)任務設計時，教師可以讓學生利用教育機器人進行快速搜救與滅火，通過挑戰(zhàn)任務帶給學生競賽的體驗，每一塊區(qū)域中所選擇的圖案都各不相同，所以教師可以先將學生劃分不同的學習小組，讓學生有足夠的時間進行準備，針對這一問題如果單純選擇里程計算或者簡單地定時循環(huán)遠遠不符合實踐要求，而通過場地優(yōu)化讓學生充分的認識并了解控制技術的重要作用，在接受任務的同時也會受到程序優(yōu)先級的影響[6]。通過小組挑戰(zhàn)與合作的方式增強學生對教育機器人的感悟，針對學生制作教育機器人的情況包括時間結構和定量任務的調整進行全方面的評估，讓學生能夠對教育機器人運動狀態(tài)的同時引入人工干預。通過設計平滑性的功能來確保教育機器人運行軌跡更加的穩(wěn)定。在運行教育機器人時需要與電池電壓結合在短時間內快速完成任務挑戰(zhàn)減少能量消耗，提高節(jié)能效果，要將學生劃分為不同的學習小組。通過相關的硬件設備分給小組內成員，讓學生可以在課余時間共同完成教育機器人教學設計。在教育機器人開發(fā)設計中，需要主動引導學生對表面的張力進行判斷，利用系統(tǒng)設計仿生器水繩，在實驗操作中將控制系統(tǒng)和紅外傳感器安裝，并且對目標水域進行自動化搜索，教育機器人在感知目標后會及時釋放信號，吸引更多教育機器人進行快速感知，從而尋找目標，在整個實驗中風扇具有反作用力，能夠快速推動驅動裝置追蹤紅外線來源，因為水表面張力能夠在水面上移動，如果風扇轉速較差時機器水可能就會向左或右移動，整個系統(tǒng)中硬件需要承載硬件，驅動硬件和探測硬件。而探測硬件還包括光敏二極管用于兩者接收，紅外線的強弱程度并不一致，輸入端電壓也各不相同，通過AD轉換器、單片機可以及時吸收電壓信息，驅動硬件和劃槳以及電機驅動電路相結合，可以保證劃槳進行反向或正向運轉，進而對電機快速驅動。在機器人的學習過程中，通過制作機器人過程中的實際問題解決，可以學到模擬電路、力學等方面知識，不但對物理學科、計算機學科的教學起到促進作用，同時也擴大、加深了學生科學知識；通過完成任務和模擬項目使學生在為機器人擴充接口的過程中學習有關數字電路方面的知識。

五、結束語

在現代化課堂教學改革的背景下，通過教育機器人的設計和應用能夠增強對學生的積極引導，具有非常強的實踐探究能力，能夠不斷地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新和發(fā)散性思維。在課堂教學的同時要加強對教育機器人教育課程資源的深入開發(fā)與應用，更好地推動教育機器人教育的全面發(fā)展。