信息技术开源机器人教学活动的组织与开展

林委锋

【摘要】    人工智能时代的来临，开源机器人作为人工智能课程的一个内容在中小学得到越来越多的重视和开展。教育部在2017版《中小学综合实践活动课程指导纲要》中将开源机器人引入到信息技术教学模块中，有的学校更早就已经将它作为校本课程引入到信息技术课堂中。但由于开源机器人涉及到的专业知识较多且复杂，许多没有经过培训或从未接触过的老师对此感到茫然，不知道如何着手开展相关的教学活动，本文尝试从开源机器人的器材、编程软件、教学内容等方面进行探讨分析，探索开源机器人教学活动的组织与开展。

【关键字】    开源机器人    CPU主控板    图形化编程    智慧课堂

引言：

人工智能时代的来临，开源机器人作为人工智能课程的一个内容在中小学得到越来越多的重视和开展。开源机器人起源于这些年在中小学流行的机器人竞赛活动，由于机器人竞赛活动的器材价格昂贵，只能供参加竞赛的几个学生学习使用，学校大部分的学生无缘接触到机器人器材，因此很多机器人指导教师也迫切希望有价格便宜的机器人器材出现，能够让更多的学生学习和研究机器人知识。在出现了价格只有几百元左右的开源机器人器件后，许多对机器人感兴趣的教师开始在学校普及和推广开源机器人教学活动，在这股热潮的推动下，教育部在2017版《中小学综合实践活动课程指导纲要》中将开源机器人引入到信息技术教学模块中，中国科协也在这几年开始推广基于开源机器人活动的人工智能特色学校项目，并积极地组织开展开源机器人竞赛活动。可以预见，开源机器人教学活动在中小学会得到越来越多的重視和推广，因此信息技术教师积极参与开展开源机器人的教学活动是时代发展的趋势和要求。

在中学开展开源机器人教学活动对信息技术教师还是一个较大的问题，除了有组织学生开展机器人竞赛的教师外，一般的信息技术教师可能此前并未接触或参加过培训，所以对开源机器人的器材不熟悉，也缺少动手实践，因此信息技术教师对开源机器人教学活动如何组织和开展中感到茫然，存在较大的困惑。本文尝试从开源机器人的器材、编程软件、教学内容等方面进行探讨分析，探索开源机器人教学活动的组织与开展。

一、开源机器人教学活动器材的选用

开源机器人的教学器材主要由CPU主控板、传感器、动作执行器件和传动机构等组成。CPU主控板是开源机器人的一个重要器件，它实际上是一个将CPU和电源接口、程序下载接口、输入输出接口等集成在一块电路板的微型计算机，简称单片机。

CPU主控板的种类和型号较多，有Arduino系列的主控板、Micro：bit主控板、掌控板。Arduino系列的主控板是最早推出来的面向非专业人士的单片机，它的型号有标准版UNO、迷你版NANO、穿戴版LilyPAD、加强版MEGA2560等。不同版本控制板的功能和用途不同，Arduino系列主控板上述的几种型号主要提供一些基的本输入输出接口，没有集成太多的功能和做太多的扩展。

micro：bit 是一款由英国广播电视公司（BBC）推出的专为青少年编程教育设计的微型电脑开发板，它除了提供基本的输入输出接口外，还集成了其它一些功能器件，如：5×5个LED发光二极管、可编程按键，加速度计，电子罗盘，温度光线传感器，蓝牙低功耗等。掌控板是深圳盛思推出的一块面向中小学生的开发板，它的功能和micro：bit类似。这些集成的功能可方便教师开展教学活动，但这种主控板也存在一些不足的地方，比如价格较高，一块主探板要一百多元，在使用过程中如果其中的一些集成的电路出现故障，不方便维修，甚至导致电路板不能使用，反而使器材的使用成本上升。Arduino系列的主控板与之相反，它是一种通用型主控板，板上集成的功能器件较少，需要连接其它分立元器件才能开展教学，虽然比较麻烦，但也有其优点，比如其价格便宜，一块主控板才三十多元，如果损坏可直接替换新的主控板，使用成本较低。特别是在创意设计方面，用Arduino系列的主控板做开发成本会比较低，其它的主控板成本就比较高。

开源机器人的教学器材除了CPU主控板的选择外，还有其它配件的选用，通常来说，其它配件的选用主要有两种方式：一种是厂家提供的配套器材，这种器材简单方便，教师不需要做太多的准备就可以开展教学活动，但也存在一些问题，教师在教学过程中如果要拓展延伸，可能没办法实现。另一种是教师自行选择，设计器材套件清单，再通过学校或自行购买器材组成活动套件。这种模式需要教师在前期做较多的调查和研究，根据本校学生的实际情况，购置所需要的教学器材，这种方式的特点是多样化和个性化，适合学校开展有本校特色的校本课程。

二、开源机器人编程软件的选用

开源机器人的编程模式有两种，一种是代码编程，利用Basic、C、Python等传统的代码指令编写方式对机器人进行编程。这种编程方法对学生来说比较复杂，掌握起来较为困难。另一种是图形化编程，这是近年来比较流行的编程模式，它的特点是简单易懂，只要拖动图标到代码区，就能够编出所需要的程序。常见图形化编程软件有Scratch、Mblock、Kittenblock和Mixly等，这几种语言中前面三种是基于Scratch开发的编程语言，Mixly是由北师大傅蹇教授所带的团队基于谷歌Blockly开发的图形化编程软件。除了Scratch外，这几种语言还有一个代码语言转换功能，能把图形化指令转化为C语言或Python语言指令。 在这几种软件中，Mixly是目前功能较强大的一种图形化编程软件，该软件由傅教授所带的一批热爱开源的大学生、研究生团队提供更新和技术支持，并且坚持开源免费，定期增加新的功能，所以是一款比较好的教学软件。

教师在教学活动中可根据学生的实际情况来选择编程软件，如果学生没有有编程基础则可考虑选用图形化编程软件，让学生能够比较容易的进入到编程环境中学习编程。在图形化编程的教学过程中，教师也可以利用编程软件的代码转换功能，引导学生观察分析图形化指令和代码指令的区别，通过对比掌握代码指令的编写方法，从中培养学生的代码编程思维习惯。图形化编程的特点还可以帮助学生更容易理解编程的一些概念和涵义，例如程序的三种结构和嵌套，学生在代码编程教学中比较不好理解，在图形化编程模式里面反而显得简单明了。

三、开源机器人教学内容的设计

开源机器人的教学内容主要有两个部分：一个是机器人的硬件知识、元器件与主控板的连接、驱动机构的安装等操作，这一部分的内容涉及到较多的电子技术理论知识，教学内容的编排上要考虑学生的认知能力和水平，有些元器件原理对学生来说太过复杂，则只需介绍其作用和使用方法，重在掌握器材的使用，不牵扯太多的专业术语和专业知识。第二个是程序的编写和设计，这一部分的内容主要是涉及到程序的编写方法、程序的结构组成和开源机器人的动作控制。学生通过这部分内容的学习，了解和掌握编程的方法，通过编写程序控制机器人完成设定的任务。

开源机器人教学内容的选用有两种，一种是利用现成已有的教学资源，网络上有许多相关的开源机器人教程，有的教学器材厂家也提供配套教程，教师可选用这些教程开展教学活动。这种已有的教学资源对教师来说比较容易上手，特别是对没有电子专业方面知识的老师来说，比较能够在短时间内开展教学活动。另一种是自行开发和编写的校本课程，这要求教师要有一定的电子专业方面的理论知识，教师可搜集整理已有的教学资源，通过实验操作和研究，根据学生的实际情况，设计编写有特色的教学内容。教学内容的编排和设计还应积极的创设情景、贴近生活，引导学生尝试解决生活中的某些问题，培养学生对家庭、社会的责任感和创新思维。

对于没有基础的教师来说，选择成熟的开源机器教学活动器材，利用现成的教学资料开展机器人教学活动是一个比较简单、容易上手的办法，通过一段时间的学习和教学活动，在熟悉开源机器人的元器件原理和编程方法后，可进一步选择其它有特色的教学活动器材，设计编写富有本校特色的校本课程。

四、开源机器人教学模式设计

开源机器人的教学和传统信息技术课堂的教学以及传统的编程教学有些不同，它增加了一个硬件操作部分，教师在课堂上组织学生动手操作、编写程序，完成教学。学生在学习过程中不但要用电脑编程，还要学习了解元器件的作用原理、元器件与主控板的连接。因此学生在课堂上的学习时间会比较显得比较不够，需要教师对教学内容做很好的设计和优化。如果教师和学生在一节课里完不成教学任务，那么就需要将课堂做延伸，将信息技术课堂从课上延伸到课下，从校内延伸到校外，这是一种混合式教学模式，也是所谓的智慧课堂教学。智慧课堂教学的开展需要网络教学平台的支持，教师可利用学校、国家教育公共资源网或商业网站提供的网络教学平台构建网络教学资源。

除了利用智慧课堂教学平台开展教学外，教师可利用网络平台和学生进行课外的学习交流活动，例如用福建公共教学资源提供的网络平台创建学生个人博客，把作品上传到博客上与同学分享和交流。同时鼓励学生之间通过网络平台形成学习小组，教师在教学活动中还应注意引导和指导学生小组之间的团队协作。开源机器人是一个对动手操作要求较高的内容，学生的动手操作能力存在一些差异，要尽可能培养学生的团队精神，互帮互助，发挥团队的力量，共同完成任务。开源机器人教学活动除了常规的班级上课外，还可以组织感兴趣的学生，开展机器人社团活动，为学生提供更多的成长平台和空间。参加社团活动课的学生可学到更多的机器人知识并得到更多的动手实践机会，从中激发学习兴趣和热情，提升信息素养。此外，参加社团活动的课学生还可以在班级上课的时候帮助教师给其他同学提供指导，充当教学小助手的作用。

五、开源机器人教学活动的评价

开源机器人是一个动手实践，体验创新的活动课，学生在学习的过程中可能会遇到更多的问题和困难，教师在教学过程中应积极学生的学习活动开展过程性评价，除了帮助学生解决机器人学习过程中存在的问题外，还应多鼓励学生直面困难，勇于挑战，不断进取。教师还可利用学校的科技活动节组织学生开展机器人竞赛活动和作品展示活动，为学生的学习成果提供交流和分享的机会。

开源机器人模块是信息技术学科一个新的教学内容，对信息技术教师来说是一个新的挑战，能否顺利的开展这个模块的教学需要信息技术教师大胆的尝试和探索，积极组织学生开展教学实践活动，在不断的学习研究过程中提升自己，实现从信息技术教师向机器人教师的转变。

参  考  文  献

[1]教育部2017《中小学综合实践活动课程指导纲要》

[2]哈斯高娃，張菊芳，凌佩.智慧教育[M].清华大学出版社，2017

[3]祝智庭.智慧教育新发展： 从翻转课堂到智慧课堂及智慧学习空间》[J].开放教育研究，2016（2）

注：本文系2018年度福建省基础教育课程教学研究课题《基于Arduino的机器人校本课程开发与实践》（课题编号：MJYKT2018-147） 研究成果。