运用开源硬件开展乡镇小学机器人教育的尝试 机器人硬件

运用开源硬件开展乡镇小学机器人教育的尝试

中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1671-7503（2015）09-0063-04 一、乡镇小学机器人教育存在的问题 小学生科学素养的提升是我国青少年自主创新能力提 升的重要一环。近年来，我国教育部门积极提倡将智能机器人引入小学信息技术课程中来，进一步优化课堂教学，引导 学生走向创新学习，取得了一定的成绩，获得了社会普遍的 认同。但不容否认的是，机器人教育在普通乡镇小学的开展 遇到了一定的困难，主要有如下几点。

1.费用昂贵且缺少专项资金扶持 适用于小学教育的教学机器人，一般需要便于学生拆装 研究，能够通过简易的编程实现智能控制。因此，教学机器 人通常需要开发专门的硬件和软件，这导致教学机器人的售 价在几千元到几万元不等。与其他课程相比，机器人教学的 投入对于办学经费较为紧张的乡镇小学无疑是较难承受的， 而对于来自农村家庭来说，机器人模型的投入更是他们无法 负担的。因此，资金困难严重制约了普通乡镇小学机器人教 育的发展。

2.机器人教学未能形成较为完善的体系 在小学信息技术课程中开展机器人教学可培养小学生 想象力和创造力，能有效修正当下小学信息技术课程中重视 模仿轻视创新、重视软件轻视硬件的趋向。但目前在乡镇小 学开展机器人教学仍处于摸索阶段，对小学机器人教学的指 导思想、教学目的、教学内容、教学方法、教学评价等还未形成体系，缺少激励机制，制约教师的教学积极性，机器人 教育的评价体系仍需不断探索和完善。

3.教育机器人竞赛的畸形发展影响深重 近年来，在教育机器人生产厂商的大力鼓动下，各级教 育主管部门和社会团体举办了类目繁多的机器人竞赛。部分 学校过分强调竞赛的成绩，走入误区，校方投资机器人项目 是为了能在竞赛中取得好成绩，提高学校知名度，而不是看 重机器人的竞技项目会给学生的身心成长带来如何长远的 影响。在这种思想的指导下，竞赛指导教师为了能让学生获 得好成绩，在竞赛现场中往往越俎代庖，自己动手完成比赛 的各个环节，然后让学生以自己的名义参加比赛，因此，这 种所谓的比赛比拼的不过是幕后的指导教师，光辉成绩的背 后，牺牲的往往是对学生真实能力的培养。

此外，由于资源和能力的限制，畸形的机器人竞赛，得 到学习机会的往往只能是极少部分尖子生，大部分的学生只 能望“机”兴叹，这就造成了一种新型的教育资源分配不公 的教育公平问题。

4.缺乏合适的机器人教材小学机器人教育缺少适用的教材，各学校往往以所购买 的教学机器人公司的产品说明书为蓝本，编写教材，这类教 材往往将机器人视为一种教具，教材内容侧重于对机器人所 能实现的功能进行介绍，再辅以几个教学应用案例，未能结 合小学生的身心特点编写，晦涩难懂。因此，这种教材无法 使学生全面掌握有关机器人学习和应用的基本知识，当然更 难以激发学生学习机器人的兴趣，效果始终较差。

5.机器人教学教法落后 由于配备的教学机器人数量有限，小学机器人教学仍然 采用传统的课堂方式，教师事先录制好教学视频，在课堂上 放给学生看，然后，分小组分任务让学生模仿。由于课堂的 时间和设备条件非常有限，学生往往只能在理想的条件下完 成一个较小的任务，脱离了真实的、复杂的环境，难以掌握 核心的机器人知识，难以满足机器人教学的实践性需要，这 严重制约了学生对机器人的兴趣的培养，更谈不上激发学生 的创造欲望，让学生体验成功感了。

二、开源硬件教学机器人的特点 教学机器人的主要矛盾之一就是机器人设备内核技术 的开放问题。近年来，开源硬件的快速发展为解决这个矛盾提供了全新的解决方案。

1.机器人硬件价格便宜 基于开源硬件Arduino技术的教学机器人遵循Creative Commons许可，即任何人都被允许复制、生产别人设计的硬 件电路板和有关软件，也可以进行重新设计，均不需要支付 任何专利费和版权费，因此，开源教育机器人的硬件价格也 自然较低；
同时，由于开源硬件的生产、制造、销售没有知 识产权门槛限制，涉足的厂商数量众多，竞争激烈，机器人 售价也被拉低。这对于经费较为紧张的乡镇小学而言极具吸 引力，相同的预算下能够采购数量更多、质量更高的教育机 器人，为教学的开展奠定重要的物质基础。

2.可扩展性好 Arduino有“电子积木”的别称，用户可象搭积木一样 构建工作系统，可连接各类亮度、湿度、温度、声音、压力、 气味、触摸屏以及振动等传感器感知外界信息，根据需要也 可以控制各类开关、步进电机、继电器、LED阵列、蜂鸣器 以及各类切换矩阵等部件进行干预控制。这些功能基本上满 足了教育机器人制作的各种基本要素，易于实现各类组合型、互动型的机器人，扩展性非常好，最大限度地保障了教学的 需要，强大的智能表现和较低的成功门槛易于引起学生学习 的兴趣，有利于提高学生的学习积极性。

3.编程平台实现了图形化 以Arduino为代表的开源机器人平台已经实现了编程的 图形化。目前，Arduino平台上已经开发出了Ardu-Block、 Miniblog、Scratch for Arduino等图形化的编程工具，它 们完全不同于传统的代码式的编程系统，采用的是一种图形 积木式的编程方式，实现了编程的交互性和可视化，极大地 降低了编程门槛，即使是没有任何编程经验的小学生也能轻 松掌握和驾驭，完全符合小学生的认知能力水平，使得小学 生对教学机器人进行编程成为了现实。

4.网络参考资源丰富 Arduino的开源硬件思想使得其爱好者遍及全球，拥有 数量众多的学习网站、论坛和社区，世界各地的使用者把自 己设计的硬件技术资料和软件源代码公开，与爱好者共享， 任何人都可免费获得，这对拓展创新思路、培养实践精神非 常有利。小学生初学时，大部分的项目都不需要自己从头设 计硬件或编写程序，只需找到类似的案例，在教师的指导下 按图索骥，购买零件、装配好以后就可烧录、调试程序，并在此基础上改进，即能形成特色鲜明的独有项目。

三、开源机器人课程设计 由于开源硬件教学机器人的特点，传统的小学机器人课 程也须相应地做出调整。开源硬件机器人的教学应当侧重于 让学生了解机器人的结构和基本原理，特别是应让小学生较 为充分地理解机器人传感器原理、掌握Arduino机器人的图 形编程语言。在教学方法上，应该留足时间让小学生自己动 手，分解、拼装、使用机器人、编写机器人程序，培养学生 研究和使用机器人的兴趣，尤其要鼓励小学生对现有机器人 进行大胆地改造创新，有意识地培养学生的创新意识和创新 精神，同时，在团队合作中培养协作精神。

乡镇小学的机器人课程内容可包括基础知识、传感器运 用、执行器运用、机器入主题设计四个部分，涉及机械、电 子、计算机程序编写等各方面，具体内容安排如表1。

1.基础知识 此模块旨在让学生了解机器人，初步掌握Arduino机器 人的程序编写步骤。具体安排如下。第1课《有趣的机器人》。让学生通过观看视频、图片 和观察实物机器人，了解机器人，消除机器人的神秘感。教 师演示开源机器人的软件编程步骤，学生练习使用图形编程 工具控制机器人上的LED灯亮灭。

2.传感器运用 学生通过对传感器学习，初步了解如何将外部信息输入 机器人。

第2课《害羞的机器人》。练习使用触碰开关，触摸一 次，机器人上的LED灯逐渐明亮，然后逐渐变暗，如同蝴蝶 害羞般。

第3课《机器人怕吹风》。练习使用麦克风，学会将麦 克风连接到Arduino主控板上，编制程序，对着麦克风吹一 下，机器人上的LED灯逐渐明亮，而后逐渐变暗。

第4课《机器人测距》。练习使用超声波传感器，初步 了解超声波测距的原理。将超声波传感器模块电路板连接到 Arduino主控板上，烧录好程序，将障碍物放在离超声波探 头不同的距离内，观察LED数码管上的距离读数。第5课《机器人起床啦》。练习使用光敏传感器。将光 敏二极管接入机器人的Arduino主控板，编制程序，将障碍 物放在离超声波探头不同的距离内，观察LED数码管上的距 离读数。

3.执行器运用 学生通过对执行器的学习，初步了解机器人是如何通过 控制部件对外界施加作用。

第6课《机器人唱歌》。认识扬声器与Arduino控制板的 正确连接，能够编制程序控制扬声器发出乐音，可以给出若 干曲谱让学生改写对应的程序。

第7课《机器人升旗》。认识步进电机，学会正确地将 步进电机连接到Arduino主控板的数字端口，能够编制程序 控制步进电机的正转和反转，学会用滑轮和拉线连接步进电 机与旗帜。

第8课《机器人的手》。机器人手臂的夹持器是连接在 舵机上的，学生要了解舵机的结构、简单原理与作用，理解 舵机偏转角的概念，学会编制程序控制舵机偏转到指定角度， 带动机器人手臂旋转到特定角度，控制夹持器产生闭与合的动作。

4.机器人主题设计 本模块是综合实践创新活动，设计一系列机器人任务， 要求学生在全面掌握所学内容的基础上，通过拆卸、拼装、 重新编制程序的形式，学习对机器人的改造创新，并主要通 过教学比赛检验学习成果。这些开放性的设计、制作任务将 更有利于培养学生的创新精神。

第9课《机器人赛跑》。让学生在现有车型机器人的基 础上，改进机器人的传动机构，利用超声波传感器探测障碍 物，使得机器人能在“S”形赛道上竞速前进，谁最先抵达 终点谁的得分高。

第10课《机器人夹乒乓球》。本课使用到Arduino控制 的六自由度机器人手臂。要求学生编程序控制机器人手臂将 指定位置的乒乓球夹持起来，投入放在特定位置的玻璃杯中， 不能把乒乓球夹扁。该课程有较大难度，而又极为有趣，能 较大程度地激发学生对机器人的学习兴趣。

四、教学案例【课题】机器人的手 【设计意图】舵机是驱动机器人进行动作的主要部件之 一，它集直流电机、电机控制器和减速器于一体，是一个能 够利用简单的输入信号比较精确地转动给定角度的精密机 电设备。在先修的Arduino机器人内容中，课例均较为简单， 此课例涉及机器人的动作控制，趣味性较强，是一个较为综 合的内容，将使小学生的图形编程和空间想象能力得到较大 锻炼。

【教学目标】了解舵机的结构、简单原理与作用，理解 舵机偏转角的概念，学会编制程序控制舵机偏转到指定角度， 带动机器人手臂夹持器产生闭与合的动作。

【器材准备】必备硬件：Arduino主控板；
舵机控制板；

两自由度或三自由度机器人手臂；
S4A软件；
电源；
连接导 线线若干。

【认知建构路径】 （1）认识元件：认识机器人手臂，观察其外观和内部 结构，重点观察舵机的位置，了解舵机的作用。（2）动手操作：用连接导线将电源、Arduino主控板、 舵机控制板、机器人手臂上的舵机连接起来，运行测试程序 检查机器人手臂是否能做出夹持、偏转的动作。

（3）编写程序实现互动：使用S4A软件编程，实现“机 器手臂夹持器打开”→“机器手臂夹持器闭合”→“机器手 臂偏转”→“机器手臂夹持器打开”的系列转运动作，使学 生懂得如何克服困难并掌握逐步趋于成功的解决问题方法。

（4）课外拓展延伸：如何实现机器人手臂夹持乒乓球， 要求不能将乒乓球夹扁？ 【教学反思】 机器人手臂的探究学习是小学生兴趣最浓厚、思维最活 跃的学习项目，课程中学生能够学习到机电控制的有关知识， 而通过S4A的互动编程又能实现学生自己的想法与意图，最 能实现机器人教学的目标与价值。但传统课堂的40分钟往往 难以完成这类较为复杂的任务，因此，本课内容最好安排在 科学活动时间内进行，留充裕的时间让学生观察、拆解、安 装、编程，将更有利于学生的探究与实践。