智能机器人进课堂的困惑与出路

2014-01-25洪亮

中小学信息技术教育 2014年1期

关键词：机器人教学智能机器人

洪亮

【摘要】随着课程改革的不断深入，智能机器人走进课堂已成必然趋势，然而实践层面遭遇的困惑，令机器人课堂教学成了少数几所学校的“专利”。本文总结我校多年的实践，就如何开展机器人课堂教学做出探讨，希望更多的学校能成功开展机器人课堂教学。

【关键词】智能机器人；机器人进课堂；机器人教学

【中图分类号】G424 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2014）01-0043-04

机器人为何难以进入课堂

随着信息技术的发展，智能机器人（以下简称“机器人”）这一信息技术的前沿领域也得到了飞速发展。机器人集成了数学、物理、化学、生物、机械、电子、材料、能源、计算机硬件、软件、人工智能等众多领域的科学与技术知识，没有一种技术平台比智能机器人更综合、更先进。学生在实施智能机器人项目的自主体验过程中能够培养动手能力、创新能力、综合能力、协作能力和进取精神等。机器人也是信息技术教学的一个载体，正因如此，教育部在制订《普通高中新课程标准》时，明确将“简易机器人制作”模块列入课程标准。而一些发达国家由于看好机器人教育对未来社会的作用和影响，都已不同程度地对学生进行机器人教育。

十年前，北京景山学校的郭善渡、沙有威老师等多次呼吁，要普及机器人教学。然而十年过去了，机器人真正走进课堂的学校有多少呢？绝大部分学校以兴趣课、选修课形式开展教学，其目的主要是为了参加各级各类的机器人竞赛，但这毕竟是少部分学生受益，并没有真正走进课堂。机器人进课堂还面临许多困难。

其一，学校领导不重视。校长大多重视竞赛，只有能拿奖，为学校争光，校长才会重视。

其二，经费、场地问题。机器人进课堂需要投入资金，机器人公司的产品定价过高，如果购买几台用于竞赛，学校尚能接受。即使购置了机器人，也缺少专用的活动场地。

其三，信息技术教师自身的缘故。毕竟机器人教学是新的领域，而且涉及的学科过多，信息技术教师本来就很忙，不愿意去钻研机器人的相关知识。

其四，将机器人作为一门课来教学，到底该让学生学些什么内容？课程将如何定位？

让机器人进入课堂的做法

上述困难，大部分学校都遇过到，我们也不例外。但我们通过不懈努力，这些困难全部迎刃而解。

首先，要经常和校长沟通机器人教学的意义。我校赵国良校长就提出，“不看眼前利益，为学生的明天着想”，果断决定放弃那些极端的比赛，转变为重视普及型教学。

其次，我校除了建设实验室花了经费（教室的装修、电脑采购、定做机器人课桌与场地等），25台机器人全部由我DIY而成。如果不建专门的实验室，所用经费与两台竞赛机器人的价格相当。

再次，机器人属于交叉学科，信息技术教师教机器人，必然要花时间学习新知识，增加了教师“负担”。然而，既然选择了做一名信息技术教师，就注定要终身学习，要站在技术的最前沿。十年前，我任教信息技术的同时，开始努力钻研机器人制作技术，经过十年积累，已经成功开发多套机器人主控板与传感器模块。我DIY的机器人曾多次帮我校在全国机器人比赛中获得冠亚军，我也从中体验到了成功的喜悦与做教师的乐趣。

最后，在教学过程中，我摸索出自己的教学方法，自编校本教材，在小学五年级开课。

下面重点介绍我校DIY教学机器人和机器人课程设置上的特色。

如何DIY教学机器人

相比竞赛机器人，教学机器人的制作难度低得多，不需要太多高深的知识。每位教师都能自己动手制作，既可以省下一大笔经费，也可以体验DIY的乐趣，最重要的是，通过我们的努力将机器人进课堂变成了现实。

（一）硬件部分

1. 结构件

（1）经济版

义乌市每年都会举行大规模的科技运动会，参与面广、参与人数多，所以各个学校都会有曾经用过的器材。智能车项目使用的结构件有两只马达，一只万向轮，一个电池盒，刚好可以作为机器人的结构件。图1是一台改装好的机器人，去掉原来的电路板，安装M8微型主控板与马达驱动板，安装了红外传感器与灰度传感器。这个机器人体积小、行走慢，无需专用的场地，学生的电脑桌或机房内的空地，都可以作为活动场地。

图1 用智能車的结构件改装成的机器人

（2）增强版

使用TT马达，亚克力板做基板。如果用智能车改装的机器人像玩具一样，那么这套方案做的机器人明显提高了档次。相对智能车而言，TT马达运转速度较快，可以完成更多的教学与比赛任务。TT马达配轮胎，每套10元左右（如图2）。2013年5月，在北京景山学校举办的首届全国中小学机器人教学展示活动，有一位教师在展示课中使用了DIY机器人，用的就是这种马达。

图2 性价比极高的TT马达

（3）豪华版

使用金属齿轮箱马达，压克力板做基板，带充放保护的锂电池（如图3）。这是目前我校正在使用的方案，该方案中使用的锂电池性能很好，已经正常使用两年，无一损坏。另外，该方案使用了竞赛机器人中使用的Z型马达与防滑轮胎，价格较贵。如果换成图2中的TT马达，则可以省下一半的费用。

图3 我校DIY的教学机器人

2. 主控板

（1）M8主控板

图1中使用这种主控板，采用Atmega8作为主控芯片，芯片成本大约5元，外围零件极少。如果使用直插的芯片，甚至无须制作PCB板，直接使用实验板手工焊接。在教师的指导下，学生也能动手焊接。这块主控板很小，但功能并不弱——

输入部分：6路模拟、数字复用输入接口，可以接模拟或数字型的传感器；IIC总线接口，方便与其他模块进行通讯。

输出部分：2路数字输出接口，可以控制LED或者伺服电机；2路马达控制信号输出；预留了液晶屏接口，可以接微型的OLED屏。

（2）M16主控板

图3中使用的主控板，采用Atmega16作为主控芯片，除了具有M8主控板的功能，还增加了液晶屏，使程序的调试更加方便；增加了蜂鸣器，可以演奏音乐；增加了旋钮与运行按键；输入与输出接口有所增加，可以接更多的传感器与输出设备。

（3）Arduino主控板

Arduino是一款开源主控板，有配套的软件编译环境，最大的优点是价格低、资料多。

3. 马达驱动板

马达驱动芯片较多，常用的有：LG9110、L293、L298，控制电路都非常简单。图1和图3中使用的都是L298制作的驱动板，优点是输出电流大，即使马达堵转，芯片也不会烧掉。

4. 传感器

（1）灰度传感器。经过实践检验，使用ST188（价格2元左右）制作的灰度传感器性能最好，黑白差值大，不容易损坏。接在模拟输入口时，黑线返回800左右，白线返回60左右，便于编程调试，还可以接在数字输入口上。而使用光敏电阻与发光二极管做成的灰度传感器，因没有开模做外壳，很容易损坏。TCRT5000也可以使用，但其对安装高度要求很严，不建议使用。

（2）红外避障传感器。可以使用光电开关D80NK，体积较小，缺点是距离调节不方便。也可以使用38K的一体接收头自制。传感器配有指示灯，发射距离可以调节。如购买成品，价格在15元左右，手工制作大约需要6元成本。

（3）光线传感器（光敏电阻）。直插的光敏电阻容易损坏，建议使用0805贴片型光敏电阻。

（4）超声传感器。超声传感器不仅可以测量是否有障碍，还可以测量距离的远近。如果配合一个伺服电机，可以做一个特别酷的避障小车。

（5）其他传感器。另有温度、湿度、指南针、加速度等各种传感器或模块，可根据教学的需要自行选择。

在经费紧张的情况下，应尽量压缩结构件的成本，要把有限的经费花在购买或制作传感器上。另外，还要考虑后续的维护问题，购买或制作不容易损坏的传感器，否则看似节省，实则浪费。主板及传感器的制作，都要使用标准接口，便于购买兼容的传感器，也便于日后的升级与扩展。

（二）软件部分

1.使用BASCOM 编程软件，推荐使用DEMO版。BASIC语言是学习编程的启蒙语言，语句简单好记。该软件的 DEMO版有2K代碼限制，功能上不做限制，做相对简单的教学任务已经足够了。我们在2007年开设兴趣课时曾使用过这种编程语言。

2.使用免费的AVRGCC作为编译器，编制专门的流程图软件。该软件最大的优点是适合小学生，使用拖动图块的方法来编程，并实时生成代码（如图4）。

图4 流程图软件

课程如何设置

使用任务驱动的教学模式，每节课完成一个或多个小任务，几节课合起来完成一较大的任务。课程设置可以依照三条主线：

一是以传感器及硬件结构作为学习的主线，以下为课堂任务设计举例。