☆ 曾冕

（惠州市三棟鎮(zhèn)中心小學，廣東惠州 516001）

運用開源硬件開展鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學機器人教育的嘗試

☆ 曾冕

（惠州市三棟鎮(zhèn)中心小學，廣東惠州 516001）

在Arduino開源硬件平臺上開發(fā)的教學機器人價格低廉，擴展性好，圖形化編程，網(wǎng)絡參考資源豐富，有利于解決鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學開展機器人教育中存在的問題。筆者設計了一套將開源硬件教育機器人應用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學的教學方案，本方案強調(diào)應讓小學生自己動手，分解、拼裝、使用機器人、編寫機器人程序，尤其是要鼓勵學生對現(xiàn)有機器人進行大膽的改造創(chuàng)新，以“機器人的手”為例詳細說明了機器人教學的思路、方法和注意事項，并以此說明開源硬件教育機器人對于經(jīng)費緊缺、場地狹小、師資水平較差的鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學具有較高的適用性。

小學信息技術(shù)；機器人教學；Arduino；開源硬件

一、鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學機器人教育存在的問題

小學生科學素養(yǎng)的提升是我國青少年自主創(chuàng)新能力提升的重要一環(huán)。近年來，我國教育部門積極提倡將智能機器人引入小學信息技術(shù)課程中來，進一步優(yōu)化課堂教學，引導學生走向創(chuàng)新學習，取得了一定的成績，獲得了社會普遍的認同。但不容否認的是，機器人教育在普通鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學的開展遇到了一定的困難，主要有如下幾點。

1.費用昂貴且缺少專項資金扶持

適用于小學教育的教學機器人，一般需要便于學生拆裝研究，能夠通過簡易的編程實現(xiàn)智能控制。因此，教學機器人通常需要開發(fā)專門的硬件和軟件，這導致教學機器人的售價在幾千元到幾萬元不等。與其他課程相比，機器人教學的投入對于辦學經(jīng)費較為緊張的鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學無疑是較難承受的，而對于來自農(nóng)村家庭來說，機器人模型的投入更是他們無法負擔的［1］。因此，資金困難嚴重制約了普通鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學機器人教育的發(fā)展。

2.機器人教學未能形成較為完善的體系

在小學信息技術(shù)課程中開展機器人教學可培養(yǎng)小學生想象力和創(chuàng)造力，能有效修正當下小學信息技術(shù)課程中重視模仿輕視創(chuàng)新、重視軟件輕視硬件的趨向。但目前在鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學開展機器人教學仍處于摸索階段，對小學機器人教學的指導思想、教學目的、教學內(nèi)容、教學方法、教學評價等還未形成體系，缺少激勵機制，制約教師的教學積極性，機器人教育的評價體系仍需不斷探索和完善。

3.教育機器人競賽的畸形發(fā)展影響深重

近年來，在教育機器人生產(chǎn)廠商的大力鼓動下，各級教育主管部門和社會團體舉辦了類目繁多的機器人競賽。部分學校過分強調(diào)競賽的成績，走入誤區(qū)，校方投資機器人項目是為了能在競賽中取得好成績，提高學校知名度，而不是看重機器人的競技項目會給學生的身心成長帶來如何長遠的影響。在這種思想的指導下，競賽指導教師為了能讓學生獲得好成績，在競賽現(xiàn)場中往往越俎代庖，自己動手完成比賽的各個環(huán)節(jié)，然后讓學生以自己的名義參加比賽，因此，這種所謂的比賽比拼的不過是幕后的指導教師，光輝成績的背后，犧牲的往往是對學生真實能力的培養(yǎng)。

此外，由于資源和能力的限制，畸形的機器人競賽，得到學習機會的往往只能是極少部分尖子生，大部分的學生只能望“機”興嘆，這就造成了一種新型的教育資源分配不公的教育公平問題。

4.缺乏合適的機器人教材

小學機器人教育缺少適用的教材，各學校往往以所購買的教學機器人公司的產(chǎn)品說明書為藍本，編寫教材，這類教材往往將機器人視為一種教具，教材內(nèi)容側(cè)重于對機器人所能實現(xiàn)的功能進行介紹，再輔以幾個教學應用案例，未能結(jié)合小學生的身心特點編寫，晦澀難懂。因此，這種教材無法使學生全面掌握有關(guān)機器人學習和應用的基本知識，當然更難以激發(fā)學生學習機器人的興趣，效果始終較差。

5.機器人教學教法落后

由于配備的教學機器人數(shù)量有限，小學機器人教學仍然采用傳統(tǒng)的課堂方式，教師事先錄制好教學視頻，在課堂上放給學生看，然后，分小組分任務讓學生模仿。由于課堂的時間和設備條件非常有限，學生往往只能在理想的條件下完成一個較小的任務，脫離了真實的、復雜的環(huán)境，難以掌握核心的機器人知識，難以滿足機器人教學的實踐性需要，這嚴重制約了學生對機器人的興趣的培養(yǎng)，更談不上激發(fā)學生的創(chuàng)造欲望，讓學生體驗成功感了。

二、開源硬件教學機器人的特點

教學機器人的主要矛盾之一就是機器人設備內(nèi)核技術(shù)的開放問題。近年來，開源硬件的快速發(fā)展為解決這個矛盾提供了全新的解決方案。

所謂開源硬件，是指開發(fā)者公開有關(guān)硬件的所有資料，包括電路圖、結(jié)構(gòu)圖、原理圖、零件列表，也包括涉及硬件的所有軟件的源代碼等，任何人都可以免費使用這些資料。開源硬件的典型代表就是Arduino系統(tǒng)，使用Arduino可以制作各式極富創(chuàng)意的電子作品。近年來，國內(nèi)外電子愛好者和教育工作者推出了一系列的基于開源硬件Arduino技術(shù)的教學機器人［2］［3］［4］，把這種系統(tǒng)應用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學機器人教育優(yōu)勢顯著，主要有以下幾種表現(xiàn)。

1.機器人硬件價格便宜

基于開源硬件Arduino技術(shù)的教學機器人遵循Creative Commons許可，即任何人都被允許復制、生產(chǎn)別人設計的硬件電路板和有關(guān)軟件，也可以進行重新設計，均不需要支付任何專利費和版權(quán)費，因此，開源教育機器人的硬件價格也自然較低；同時，由于開源硬件的生產(chǎn)、制造、銷售沒有知識產(chǎn)權(quán)門檻限制，涉足的廠商數(shù)量眾多，競爭激烈，機器人售價也被拉低。這對于經(jīng)費較為緊張的鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學而言極具吸引力，相同的預算下能夠采購數(shù)量更多、質(zhì)量更高的教育機器人，為教學的開展奠定重要的物質(zhì)基礎。

2.可擴展性好

Arduino有“電子積木”的別稱，用戶可象搭積木一樣構(gòu)建工作系統(tǒng)，可連接各類亮度、濕度、溫度、聲音、壓力、氣味、觸摸屏以及振動等傳感器感知外界信息，根據(jù)需要也可以控制各類開關(guān)、步進電機、繼電器、LED陣列、蜂鳴器以及各類切換矩陣等部件進行干預控制。這些功能基本上滿足了教育機器人制作的各種基本要素，易于實現(xiàn)各類組合型、互動型的機器人，擴展性非常好，最大限度地保障了教學的需要，強大的智能表現(xiàn)和較低的成功門檻易于引起學生學習的興趣，有利于提高學生的學習積極性。

3.編程平臺實現(xiàn)了圖形化

以Arduino為代表的開源機器人平臺已經(jīng)實現(xiàn)了編程的圖形化。目前，Arduino平臺上已經(jīng)開發(fā)出了Ardu?Block、Miniblog、Scratch for Arduino等圖形化的編程工具，它們完全不同于傳統(tǒng)的代碼式的編程系統(tǒng)，采用的是一種圖形積木式的編程方式，實現(xiàn)了編程的交互性和可視化，極大地降低了編程門檻，即使是沒有任何編程經(jīng)驗的小學生也能輕松掌握和駕馭，完全符合小學生的認知能力水平，使得小學生對教學機器人進行編程成為了現(xiàn)實。

4.網(wǎng)絡參考資源豐富

Arduino的開源硬件思想使得其愛好者遍及全球，擁有數(shù)量眾多的學習網(wǎng)站、論壇和社區(qū)，世界各地的使用者把自己設計的硬件技術(shù)資料和軟件源代碼公開，與愛好者共享，任何人都可免費獲得，這對拓展創(chuàng)新思路、培養(yǎng)實踐精神非常有利。小學生初學時，大部分的項目都不需要自己從頭設計硬件或編寫程序，只需找到類似的案例，在教師的指導下按圖索驥，購買零件、裝配好以后就可燒錄、調(diào)試程序，并在此基礎上改進，即能形成特色鮮明的獨有項目。

三、開源機器人課程設計

由于開源硬件教學機器人的特點，傳統(tǒng)的小學機器人課程也須相應地做出調(diào)整。開源硬件機器人的教學應當側(cè)重于讓學生了解機器人的結(jié)構(gòu)和基本原理，特別是應讓小學生較為充分地理解機器人傳感器原理、掌握Arduino機器人的圖形編程語言。在教學方法上，應該留足時間讓小學生自己動手，分解、拼裝、使用機器人、編寫機器人程序，培養(yǎng)學生研究和使用機器人的興趣，尤其要鼓勵小學生對現(xiàn)有機器人進行大膽地改造創(chuàng)新，有意識地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神，同時，在團隊合作中培養(yǎng)協(xié)作精神。

鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學的機器人課程內(nèi)容可包括基礎知識、傳感器運用、執(zhí)行器運用、機器人主題設計四個部分，涉及機械、電子、計算機程序編寫等各方面，具體內(nèi)容安排如表1［5］［6］［7］［8］。

表1　鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學開源教學機器人課程內(nèi)容列表

1.基礎知識

此模塊旨在讓學生了解機器人，初步掌握Arduino機器人的程序編寫步驟。具體安排如下。

第1課《有趣的機器人》。讓學生通過觀看視頻、圖片和觀察實物機器人，了解機器人，消除機器人的神秘感。教師演示開源機器人的軟件編程步驟，學生練習使用圖形編程工具控制機器人上的LED燈亮滅。

2.傳感器運用

學生通過對傳感器學習，初步了解如何將外部信息輸入機器人。

第2課《害羞的機器人》。練習使用觸碰開關(guān)，觸摸一次，機器人上的LED燈逐漸明亮，然后逐漸變暗，如同蝴蝶害羞一般。

第3課《機器人怕吹風》。練習使用麥克風，學會將麥克風連接到Arduino主控板上，編制程序，對著麥克風吹一下，機器人上的LED燈逐漸明亮，而后逐漸變暗。

第4課《機器人測距》。練習使用超聲波傳感器，初步了解超聲波測距的原理。將超聲波傳感器模塊電路板連接到Arduino主控板上，燒錄好程序，將障礙物放在離超聲波探頭不同的距離內(nèi)，觀察LED數(shù)碼管上的距離讀數(shù)。

第5課《機器人起床啦》。練習使用光敏傳感器。將光敏二極管接入機器人的Arduino主控板，編制程序，將障礙物放在離超聲波探頭不同的距離內(nèi)，觀察LED數(shù)碼管上的距離讀數(shù)。

3.執(zhí)行器運用

學生通過對執(zhí)行器的學習，初步了解機器人是如何通過控制部件對外界施加作用。

第6課《機器人唱歌》。認識揚聲器與Arduino控制板的正確連接，能夠編制程序控制揚聲器發(fā)出樂音，可以給出若干曲譜讓學生改寫對應的程序。

第7課《機器人升旗》。認識步進電機，學會正確地將步進電機連接到Arduino主控板的數(shù)字端口，能夠編制程序控制步進電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，學會用滑輪和拉線連接步進電機與旗幟。

第8課《機器人的手》。機器人手臂的夾持器是連接在舵機上的，學生要了解舵機的結(jié)構(gòu)、簡單原理與作用，理解舵機偏轉(zhuǎn)角的概念，學會編制程序控制舵機偏轉(zhuǎn)到指定角度，帶動機器人手臂旋轉(zhuǎn)到特定角度，控制夾持器產(chǎn)生閉與合的動作。

4.機器人主題設計

本模塊是綜合實踐創(chuàng)新活動，設計一系列機器人任務，要求學生在全面掌握所學內(nèi)容的基礎上，通過拆卸、拼裝、重新編制程序的形式，學習對機器人的改造創(chuàng)新，并主要通過教學比賽檢驗學習成果。這些開放性的設計、制作任務將更有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。

第9課《機器人賽跑》。讓學生在現(xiàn)有車型機器人的基礎上，改進機器人的傳動機構(gòu)，利用超聲波傳感器探測障礙物，使得機器人能在“S”形賽道上競速前進，誰最先抵達終點誰的得分高。

第10課《機器人會話》。本課程關(guān)鍵使用了Arduino的語音識別模塊，該模塊可通過語音中的關(guān)鍵詞匹配算法進行語音識別。讓學生編寫語音對話腳本，并通過事先錄制對話語音設定語音檢測關(guān)鍵詞。組織全體學生做評委，評比看看誰的語音對話最準確、內(nèi)容最生動有趣。

第10課《機器人夾乒乓球》。本課使用到Arduino控制的六自由度機器人手臂。要求學生編程序控制機器人手臂將指定位置的乒乓球夾持起來，投入放在特定位置的玻璃杯中，不能把乒乓球夾扁。該課程有較大難度，而又極為有趣，能較大程度地激發(fā)學生對機器人的學習興趣。

四、教學案例

【課題】機器人的手

【設計意圖】舵機是驅(qū)動機器人進行動作的主要部件之一，它集直流電機、電機控制器和減速器于一體，是一個能夠利用簡單的輸入信號比較精確地轉(zhuǎn)動給定角度的精密機電設備。在先修的Arduino機器人內(nèi)容中，課例均較為簡單，此課例涉及機器人的動作控制，趣味性較強，是一個較為綜合的內(nèi)容，將使小學生的圖形編程和空間想象能力得到較大鍛煉。

【教學目標】了解舵機的結(jié)構(gòu)、簡單原理與作用，理解舵機偏轉(zhuǎn)角的概念，學會編制程序控制舵機偏轉(zhuǎn)到指定角度，帶動機器人手臂夾持器產(chǎn)生閉與合的動作。

【器材準備】必備硬件：Arduino主控板；舵機控制板；兩自由度或三自由度機器人手臂；S4A軟件；電源；連接導線線若干。

【認知建構(gòu)路徑】

（1）認識元件：認識機器人手臂，觀察其外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，重點觀察舵機的位置，了解舵機的作用。

（2）動手操作：用連接導線將電源、Arduino主控板、舵機控制板、機器人手臂上的舵機連接起來，運行測試程序檢查機器人手臂是否能做出夾持、偏轉(zhuǎn)的動作。

（3）編寫程序?qū)崿F(xiàn)互動：使用S4A軟件編程，實現(xiàn)“機器手臂夾持器打開”→“機器手臂夾持器閉合”→“機器手臂偏轉(zhuǎn)”→“機器手臂夾持器打開”的系列轉(zhuǎn)運動作，使學生懂得如何克服困難并掌握逐步趨于成功的解決問題方法。

（4）課外拓展延伸：如何實現(xiàn)機器人手臂夾持乒乓球，要求不能將乒乓球夾扁？

【教學反思】

機器人手臂的探究學習是小學生興趣最濃厚、思維最活躍的學習項目，課程中學生能夠?qū)W習到機電控制的有關(guān)知識，而通過S4A的互動編程又能實現(xiàn)學生自己的想法與意圖，最能實現(xiàn)機器人教學的目標與價值。但傳統(tǒng)課堂的40分鐘往往難以完成這類較為復雜的任務，因此，本課內(nèi)容最好安排在科學活動時間內(nèi)進行，留充裕的時間讓學生觀察、拆解、安裝、編程，將更有利于學生的探究與實踐。

五、總結(jié)

運用開源硬件開展鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學機器人教育，是開展素質(zhì)教育、落實自主探究性學習，培養(yǎng)小學生觀察能力，提升科學素養(yǎng)和創(chuàng)新素質(zhì)的有效途徑。由于有了較為廉價、豐富的開源機器人硬件作為支撐，鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學的機器人教育變成了現(xiàn)實和可能。我們要重視課堂教學流程的設計，在教材設計中，既要教學目的明晰，又要由淺入深、形成體系。在教學中，應當充分考慮小學生的學習特點，盡可能滿足小學生的求知欲、求新欲、喜歡游戲的天性，務求使得他們的情感得到體驗，個性得到張揚，科學技術(shù)素養(yǎng)得到提高，從而領悟到機器人學習的快樂，使鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學機器人教育真正落到實處。

［1］趙振龍，呼力雅格其.對新形勢下中小學機器人教育意義的思考［J］.教育教學論壇，2011，（23）：240-241.

［2］孫作雷，張波，曾連蓀.基于Arduino和Qt的低成本開源實驗機器人平臺設計［J］.上海海事大學學報，2013，（02）：80-83+94.

［3］王娟，胡來林.中小學Arduino機器人特性及其實例開發(fā)［J］.中國教育信息化，2013，（12）：69-71.

［4］曾祥潘.基于開源硬件Arduino的小學機器人微型課程內(nèi)容設計［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2012，（18）：75-76.

［5］卞云松.基于Arduino單片機的避障小車機器人［J］.自動化技術(shù)與應用，2014，（01）：16-19.

［6］杜美珊，丁海倫.Arduino開源平臺在中小學信息技術(shù)學科的應用［J］.民營科技，2014，（12）：91.

［7］龍麗嫦.“智造機器人”小學S4A個性化課程實驗［J］.中小學信息技術(shù)教育，2014，（05）：22-24.

［8］王同聚.“微課導學”教學模式構(gòu)建與實踐——以中小學機器人教學為例［J］.中國電化教育，2015，（02）：112-117.

［編輯：陳鉞］

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