智能機(jī)器人進(jìn)課堂的困惑與出路.doc

智能機(jī)器人進(jìn)課堂的困惑與出路 洪亮 【摘要】隨著課程改革的不斷深入，智能機(jī)器人走進(jìn)課堂已成必然趨勢(shì)，然而實(shí)踐層面遭遇的困惑，令機(jī)器人課堂教學(xué)成了少數(shù)幾所學(xué)校的“專(zhuān)利”。本文總結(jié)我校多年的實(shí)踐，就如何開(kāi)展機(jī)器人課堂教學(xué)做出探討，希望更多的學(xué)校能成功開(kāi)展機(jī)器人課堂教學(xué)。 關(guān)鍵詞智能機(jī)器人；機(jī)器人進(jìn)課堂；機(jī)器人教學(xué) 【】G424【】A 【論文編號(hào)】1671-7384（xx）01-0043-04 機(jī)器人為何難以進(jìn)入課堂 隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能機(jī)器人（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“機(jī)器人”）這一信息技術(shù)的前沿領(lǐng)域也得到了飛速發(fā)展。機(jī)器人集成了數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、機(jī)械、電子、材料、能源、計(jì)算機(jī)硬件、軟件、人工智能等眾多領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)知識(shí)，沒(méi)有一種技術(shù)平臺(tái)比智能機(jī)器人更綜合、更先進(jìn)。學(xué)生在實(shí)施智能機(jī)器人項(xiàng)目的自主體驗(yàn)過(guò)程中能夠培養(yǎng)動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、綜合能力、協(xié)作能力和進(jìn)取精神等。機(jī)器人也是信息技術(shù)教學(xué)的一個(gè)載體，正因如此，教育部在制訂普通高中新課程標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，明確將“簡(jiǎn)易機(jī)器人制作”模塊列入課程標(biāo)準(zhǔn)。而一些發(fā)達(dá)國(guó)家由于看好機(jī)器人教育對(duì)未來(lái)社會(huì)的作用和影響，都已不同程度地對(duì)學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人教育。 十年前，北京景山學(xué)校的郭善渡、沙有威老師等多次呼吁，要普及機(jī)器人教學(xué)。然而十年過(guò)去了，機(jī)器人真正走進(jìn)課堂的學(xué)校有多少呢？絕大部分學(xué)校以興趣課、選修課形式開(kāi)展教學(xué)，其目的主要是為了參加各級(jí)各類(lèi)的機(jī)器人競(jìng)賽，但這畢竟是少部分學(xué)生受益，并沒(méi)有真正走進(jìn)課堂。機(jī)器人進(jìn)課堂還面臨許多困難。 其一，學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)不重視。校長(zhǎng)大多重視競(jìng)賽，只有能拿獎(jiǎng)，為學(xué)校爭(zhēng)光，校長(zhǎng)才會(huì)重視。 其二，經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地問(wèn)題。機(jī)器人進(jìn)課堂需要投入資金，機(jī)器人公司的產(chǎn)品定價(jià)過(guò)高，如果購(gòu)買(mǎi)幾臺(tái)用于競(jìng)賽，學(xué)校尚能接受。即使購(gòu)置了機(jī)器人，也缺少專(zhuān)用的活動(dòng)場(chǎng)地。 其三，信息技術(shù)教師自身的緣故。畢竟機(jī)器人教學(xué)是新的領(lǐng)域，而且涉及的學(xué)科過(guò)多，信息技術(shù)教師本來(lái)就很忙，不愿意去鉆研機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)。 其四，將機(jī)器人作為一門(mén)課來(lái)教學(xué)，到底該讓學(xué)生學(xué)些什么內(nèi)容？課程將如何定位？ 讓機(jī)器人進(jìn)入課堂的做法 上述困難，大部分學(xué)校都遇過(guò)到，我們也不例外。 但我們通過(guò)不懈努力，這些困難全部迎刃而解。 首先，要經(jīng)常和校長(zhǎng)溝通機(jī)器人教學(xué)的意義。我校趙國(guó)良校長(zhǎng)就提出，“不看眼前利益，為學(xué)生的明天著想”，果斷決定放棄那些極端的比賽，轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾暺占靶徒虒W(xué)。 其次，我校除了建設(shè)實(shí)驗(yàn)室花了經(jīng)費(fèi)（教室的裝修、電腦采購(gòu)、定做機(jī)器人課桌與場(chǎng)地等），25臺(tái)機(jī)器人全部由我DIY而成。如果不建專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)室，所用經(jīng)費(fèi)與兩臺(tái)競(jìng)賽機(jī)器人的價(jià)格相當(dāng)。 再次，機(jī)器人屬于交叉學(xué)科，信息技術(shù)教師教機(jī)器人，必然要花時(shí)間學(xué)習(xí)新知識(shí)，增加了教師“負(fù)擔(dān)”。 然而，既然選擇了做一名信息技術(shù)教師，就注定要終身學(xué)習(xí)，要站在技術(shù)的最前沿。十年前，我任教信息技術(shù)的同時(shí)，開(kāi)始努力鉆研機(jī)器人制作技術(shù)，經(jīng)過(guò)十年積累，已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)多套機(jī)器人主控板與傳感器模塊。我DIY的機(jī)器人曾多次幫我校在全國(guó)機(jī)器人比賽中獲得冠亞軍，我也從中體驗(yàn)到了成功的喜悅與做教師的樂(lè)趣。 最后，在教學(xué)過(guò)程中，我摸索出自己的教學(xué)方法，自編校本教材，在小學(xué)五年級(jí)開(kāi)課。 下面重點(diǎn)介紹我校DIY教學(xué)機(jī)器人和機(jī)器人課程設(shè)置上的特色。 如何DIY教學(xué)機(jī)器人 相比競(jìng)賽機(jī)器人，教學(xué)機(jī)器人的制作難度低得多，不需要太多高深的知識(shí)。每位教師都能自己動(dòng)手制作，既可以省下一大筆經(jīng)費(fèi)，也可以體驗(yàn)DIY的樂(lè)趣，最重要的是，通過(guò)我們的努力將機(jī)器人進(jìn)課堂變成了現(xiàn)實(shí)。 （一）硬件部分 1.結(jié)構(gòu)件 （1）經(jīng)濟(jì)版 義烏市每年都會(huì)舉行大規(guī)模的科技運(yùn)動(dòng)會(huì)，參與面廣、參與人數(shù)多，所以各個(gè)學(xué)校都會(huì)有曾經(jīng)用過(guò)的器材。智能車(chē)項(xiàng)目使用的結(jié)構(gòu)件有兩只馬達(dá)，一只萬(wàn)向輪，一個(gè)電池盒，剛好可以作為機(jī)器人的結(jié)構(gòu)件。圖1是一臺(tái)改裝好的機(jī)器人，去掉原來(lái)的電路板，安裝M8微型主控板與馬達(dá)驅(qū)動(dòng)板，安裝了紅外傳感器與灰度傳感器。這個(gè)機(jī)器人體積小、行走慢，無(wú)需專(zhuān)用的場(chǎng)地，學(xué)生的電腦桌或機(jī)房?jī)?nèi)的空地，都可以作為活動(dòng)場(chǎng)地。 （2）增強(qiáng)版 使用TT馬達(dá)，亞克力板做基板。如果用智能車(chē)改裝的機(jī)器人像玩具一樣，那么這套方案做的機(jī)器人明顯提高了檔次。相對(duì)智能車(chē)而言，TT馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)速度較快，可以完成更多的教學(xué)與比賽任務(wù)。TT馬達(dá)配輪胎，每套10元左右（如圖2）。xx年5月，在北京景山學(xué)校舉辦的首屆全國(guó)中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)展示活動(dòng)，有一位教師在展示課中使用了DIY機(jī)器人，用的就是這種馬達(dá)。 （3）豪華版 使用金屬齒輪箱馬達(dá)，壓克力板做基板，帶充放保護(hù)的鋰電池（如圖3）。這是目前我校正在使用的方案，該方案中使用的鋰電池性能很好，已經(jīng)正常使用兩年，無(wú)一損壞。另外，該方案使用了競(jìng)賽機(jī)器人中使用的Z型馬達(dá)與防滑輪胎，價(jià)格較貴。如果換成圖2中的TT馬達(dá)，則可以省下一半的費(fèi)用。 2.主控板 （1）M8主控板 圖1中使用這種主控板，采用Atmega8作為主控芯片，芯片成本大約5元，外圍零件極少。如果使用直插的芯片，甚至無(wú)須制作PCB板，直接使用實(shí)驗(yàn)板手工焊接。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生也能動(dòng)手焊接。這塊主控板很小，但功能并不弱 輸入部分：6路模擬、數(shù)字復(fù)用輸入接口，可以接模擬或數(shù)字型的傳感器；IIC總線接口，方便與其他模塊進(jìn)行通訊。 輸出部分：2路數(shù)字輸出接口，可以控制LED或者伺服電機(jī)；2路馬達(dá)控制信號(hào)輸出；預(yù)留了液晶屏接口，可以接微型的OLED屏。 （2）M16主控板 圖3中使用的主控板，采用Atmega16作為主控芯片，除了具有M8主控板的功能，還增加了液晶屏，使程序的調(diào)試更加方便；增加了蜂鳴器，可以演奏音樂(lè)；增加了旋鈕與運(yùn)行按鍵；輸入與輸出接口有所增加，可以接更多的傳感器與輸出設(shè)備。 （3）Arduino主控板 Arduino是一款開(kāi)源主控板，有配套的軟件編譯環(huán)境，最大的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低、資料多。 3.馬達(dá)驅(qū)動(dòng)板 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)芯片較多，常用的有：LG9110、L293、L298，控制電路都非常簡(jiǎn)單。圖1和圖3中使用的都是L298制作的驅(qū)動(dòng)板，優(yōu)點(diǎn)是輸出電流大，即使馬達(dá)堵轉(zhuǎn)，芯片也不會(huì)燒掉。 4.傳感器 （1）灰度傳感器。經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，使用ST188（價(jià)格2元左右）制作的灰度傳感器性能最好，黑白差值大，不容易損壞。接在模擬輸入口時(shí)，黑線返回800左右，白線返回60左右，便于編程調(diào)試，還可以接在數(shù)字輸入口上。而使用光敏電阻與發(fā)光二極管做成的灰度傳感器，因沒(méi)有開(kāi)模做外殼，很容易損壞。TCRT5000也可以使用，但其對(duì)安裝高度要求很?chē)?yán)，不建議使用。 （2）紅外避障傳感器。可以使用光電開(kāi)關(guān)D80NK，體積較小，缺點(diǎn)是距離調(diào)節(jié)不方便。也可以使用38K的一體接收頭自制。傳感器配有指示燈，發(fā)射距離可以調(diào)節(jié)。如購(gòu)買(mǎi)成品，價(jià)格在15元左右，手工制作大約需要6元成本。 （3）光線傳感器（光敏電阻）。直插的光敏電阻容易損壞，建議使用0805貼片型光敏電阻。 （4）超聲傳感器。超聲傳感器不僅可以測(cè)量是否有障礙，還可以測(cè)量距離的遠(yuǎn)近。如果配合一個(gè)伺服電機(jī)，可以做一個(gè)特別酷的避障小車(chē)。 （5）其他傳感器。另有溫度、濕度、指南針、加速度等各種傳感器或模塊，可根據(jù)教學(xué)的需要自行選擇。在經(jīng)費(fèi)緊張的情況下，應(yīng)盡量壓縮結(jié)構(gòu)件的成本，要把有限的經(jīng)費(fèi)花在購(gòu)買(mǎi)或制作傳感器上。另外，還要考慮后續(xù)的維護(hù)問(wèn)題，購(gòu)買(mǎi)或制作不容易損壞的傳感器，否則看似節(jié)省，實(shí)則浪費(fèi)。主板及傳感器的制作，都要使用標(biāo)準(zhǔn)接口，便于購(gòu)買(mǎi)兼容的傳感器，也便于日后的升級(jí)與擴(kuò)展。 （二）軟件部分 1.使用BAS編程軟件，推薦使用DEMO版。 BASIC語(yǔ)言是學(xué)習(xí)編程的啟蒙語(yǔ)言，語(yǔ)句簡(jiǎn)單好記。該軟件的DEMO版有2K代碼限制，功能上不做限制，做相對(duì)簡(jiǎn)單的教學(xué)任務(wù)已經(jīng)足夠了。我們?cè)趚x年開(kāi)設(shè)興趣課時(shí)曾使用過(guò)這種編程語(yǔ)言。 2使用的AVRGCC作為編譯器，編制專(zhuān)門(mén)的流程圖軟件。該軟件最大的優(yōu)點(diǎn)是適合小學(xué)生，使用拖動(dòng)圖塊的方法來(lái)編程，并實(shí)時(shí)生成代碼（如圖4）。 課程如何設(shè)置 使用任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，每節(jié)課完成一個(gè)或多個(gè)小任務(wù)，幾節(jié)課合起來(lái)完成一較大的任務(wù)。課程設(shè)置可以依照三條主線： 一是以傳感器及硬件結(jié)構(gòu)作為學(xué)習(xí)的主線，以下為課堂任務(wù)設(shè)計(jì)舉例。 （1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)：機(jī)器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、走圓圈、走正方形。 （2）避障傳感器：自由行走機(jī)器人，走迷宮機(jī)器人。（3）灰度傳感器：走軌跡，結(jié)合其他傳感器，可以設(shè)計(jì)很多任務(wù)。 （4）LED控制類(lèi)：呼吸燈、螢火蟲(chóng)LED。 （5）光敏傳感器：智能臺(tái)燈。 （6）聲音傳感器：聲控臺(tái)燈。 （7）音樂(lè)類(lèi)：編制簡(jiǎn)單的兒歌，如兩只老虎、娃哈哈；還可模擬聽(tīng)過(guò)的聲音，如救護(hù)車(chē)、消防車(chē)的聲音。 二是以流程圖軟件中的圖塊為主線，如圖5所示。 三是直接以任務(wù)為主線，淡化程序的學(xué)習(xí)，在做任務(wù)中滲透程序設(shè)計(jì)的思想。任務(wù)設(shè)計(jì)前后關(guān)聯(lián)，層層遞進(jìn)，由易到難，逐步演變