听障中小学生机器人课程教学内容的探索

周桂龙

摘    要：本文在分析听障中小学生机器人课程现状的基础上，结合中鸣超级轨迹赛实例，对开展听障中小学机器人课程教学进行有效探索，以期不断提升听障中小学生信息素养，适应未来信息时代、智能时代发展需要。

关键词：听障中小学生;机器人课程;中鸣超级轨迹赛

2017年国务院印发的《新一代人工智能发展规划》明确指出要开展形式多样的人工智能科普活动，要在中小学阶段开设人工智能的相关课程，逐步推广编程教育。智能机器人作为人工智能的重要载体，在普通中小学开展得如火如荼，同时也深受学生的喜爱。相对于普通学校，含有听障学生的特殊教育学校开展机器人相关活动鲜有报道。为了让听障学生也能接受机器人课程的教育，在缺乏机器人课程教材的情况下如何选择教学内容以及如何组织教学，是急需解决的问题。

听障中小学生机器人课程现状

缺少课程标准。课程标准是选择课程内容、实施课程教学、开发教学材料、进行课程评价和管理的依据。比较遗憾的是在2016年《聋校义务教育课程标准》中，还没有信息技术课程的课程标准和相关内容。2017年9月，教育部印发的《中小学综合实践活动课程指导纲要》专门推荐了信息技术的学习内容，并为人工智能设计了25个相关的主题活动。

缺少教材。2010年9月，由人民教育出版社出版的义务教育阶段教科书《信息技术》九年级下册第2章“智能机器人初步”中有介绍智能机器人和制作智能机器人相关内容。近年来，随着信息技术的发展、教育理念的更新以及社会对人才需求的变化，10年前的教材中关于机器人的内容难以满足学生日益发展的需要。找到适合听障学生的机器人相关教学内容就显得尤为迫切。

听障中小学生机器人教学内容探索

一、总体思路

机器人课程在教学内容安排上遵循学生认识事物的基本规律，从简单到复杂，从具体到抽象，从实践到理论再到实践。在教学内容安排上先介绍机器人背景知识，再以中鸣超级轨迹机器人为载体，安排机器人相关的硬件知识、软件知识以及竞赛知识学习。

二、教学内容安排

1.背景知识

机器人背景知识包括机器人的诞生、发展、种类、应用、结构，以及机器人与人工智能之间的关系等。

2.硬件相关知识

机器人硬件决定着机器人的性能，是机器人软件赖以生存的载体。以中鸣超级轨迹赛为例，其硬件主要包括以下几部分： E3-RCU（模块控制单元）、传感器（包含光电传感器、触碰传感器、超声测距传感器）、马达（高速马达、低速马达）、轮胎、齿轮以及其他结构件。其中E3-RCU是机器人硬件的核心，也是教学的重难点，需要学生熟练掌握E3-RCU的各个端口用途以及各个按钮的功能。例如M1-M4 端口用于连接马达;P1-P8连接传感器;Download为下载软件按钮;Power为电源按钮;Run为运行按钮。此外E3-RCU里面的显示屏幕，须重点关注“程序选择”“光电”“编码器”“马达”等功能，为后面编写软件、调试软件、运行软件做铺垫。

教学形成上可以考虑项目活动式教学，一是组织学生认识机器人，让学生自主学习机器人各个硬件的功能，结合学生比较熟悉的人体结构谈谈机器人的结构与人体结构差异;二是组织搭建机器人活动，前期教师可以提供简单的只含有控制器、马达、车轮和机构件的机器人结构，让学生模仿搭建，然后对机器人进行评价，并提出改进建议，学生根据改进思路进行机器人改装。

3.软件相关知识

机器人软件决定着机器人的能力，是机器人的灵魂。软件相关知识包括软件平台相关知识、编程、代码调试等。

软件平台。中鸣超级轨迹赛的编程软件平台是RoboExp，可在中鸣官网的“下载中心”下载，同时支持C语言和图形化编程两种编程方式。对于听障学生，建议采用

图形化编程方式。软件平台RoboExp相关内容包括RoboExp下载和安装、平台软件类型设置、软件平台界面等，例如如何拖动功能模块、如何连线、如何编译、如何下载、平台界面的功能区域总体介绍等。

这部分内容建议以编程为主线穿插介绍。初次讲编程时，可以让学生自己上网搜索RoboExp软件并下载安装，学生根据机器人类型来设置软件类型。在讲解巡线相关模块时，由学生动手拖动功能模块图标，更改参数、连线、编译、下载等。在讲解子程序时，根据需要讲解if、while、for等操作。

编码。厂家将控制机器人如何行走进行了模块封装，根据其提供的基础子模块进行编程，可以完成超级轨迹赛巡线任务。子模块包括无线行走：“走距离”;有线行走：“巡线距离”“遇线停止”;拐弯：“左转”“右转”“自定义转弯”等。这部分教学除了需要让学生掌握每个子功能外，还需要理解每个子功能的参数，以及适用场景。

图1是2021年江西省中小学机器人竞赛中鸣超级轨迹赛地图，可以根据教学进度在地图上设置起点和终点，让学生用子模块编程，并精确控制机器人从起点到终点。伴随着学生编程技能提升，起点和终点的距离可以加大。为了增加难度，可以用黑色的绝缘胶布连接地图上的两条线。为了增加趣味性，可以开展小型竞赛，在规定的时间内完成编程，比赛时机器人从起点到终点花费的时间最少为胜。

调试技术。调试技术分为两部分，一是编译过程中的问题调试，指出现编译错误时如何分析和解决问题;另一部分是程序加载到机器人后，在运行过程中出现的一切问题调试。

编译过程中的问题，软件平台一般会给出提示，例如在使用“遇线停止”子模块时，没有给子模块参数赋值，RoboExp 就会给出“子程序的参数不完整”的提示。如在使用控制流程中的“if 、while、for”时，如果连线没有连结束标识，那“if 、while、for”起始标志后的代碼都呈现灰色。

對于运行过程中出现的问题，其定位难度与所写的代码以及完成的功能的复杂程度相关。这部分问题产生的原因有很多，有硬件问题导致的、软件逻辑错误导致的、子程序使用不当导致的，甚至还会出现几个正确的部分代码合在一起却出现问题的。针对调试运行过程中出现的问题总体来说要遵循一个原则，就是逐步缩小问题范围并最终确定问题根源，再采取相应的措施。

调试技术的教学，前期建议以演示为主，等学生掌握了排查方法后，再由学生自主地去分析问题、寻找原因并解决问题。学生最初接触机器人时，遇到问题可能束手无策，为了避免学生产生畏难心理，教师可以提前收集或者制造一些问题，课堂上带领学生一起分析和讨论，并总结出问题定位的基本方法，即从猜测到验证，再猜测到再验证的一系列过程。

4.竞赛相关内容

机器人竞赛包括两部分内容，一是竞赛任务，即竞赛中需要完成哪些任务，以及每个任务对应的分值情况;二是竞赛规则，竞赛的调试时间、比赛时间、任务与任务间的顺序要求、竞赛时是否允许重复启动等。

2021年第二十届江西省学生信息素养提升实践活动中超级轨迹赛的竞赛主题是星际探索，其任务包括“顺利起航”“航道”“胜利会师”这三项基础任务，“建立先锋基地”“架设通讯站”“发射先锋探测器”“采集耀晶矿”“提炼暗物质”“开启时空门”这六项可选任务以及附加任务“共建新家园”。其竞赛规则比较多，也比较细致具体。有对机器人数量和结构的限制，如机器人数量为2个，尺寸不超过30cm×30cm×30cm，每台机器人只能用一个控制器;有对参赛时搭建和编程时间的限制，第一轮为90分钟，第二轮为30分钟;有对比赛时间的限制，单轮比赛时间为150秒;也有对任务失败的规定，如机器人做任务失败或者脱线即被认定为失败。

机器人竞赛为机器人教学提供了很好的教学素材，也为听障学生提供了与普通学生同台竞技的平台。教学中以实践操作为主，以项目主题的形式来开展。具体可以从以下几个主题开展：（1）搭建竞赛机器人。不但要求机器人结构能够完成竞赛的所有可选任务和附加任务，还要求结构尽量简单化，机器人结构尺寸在竞赛规则的范围之内。（2）竞赛机器人拆装。竞赛时要求机器人散件进场，而搭建和编程调试时间只有90分钟（有时是60分钟），搭建速度快慢直接影响到后续的编程调试时间，甚至会影响到比赛成绩。（3）机器人做任务。可以按照竞赛任务细分成多个子主题，例如“建立先锋基地”“架设通讯站”。单个的任务熟练后，可以根据实际情况逐渐增加难度，一次主题安排多个任务。（4）小组竞赛。根据学生人数将学生分成几组，完全按照竞赛规则要求进行小组内竞赛。每次内部竞赛结束需要让学生总结不足，教师也需要在学生小组竞赛时观察出现的问题，并在下次课程中一并讨论总结。

2018年教育部发布的《教育信息化2.0行动计划》提出要加强学生信息素养培育，听障学生作为中小学中的一员，其信息素养的提升同样也刻不容缓。为了让听障学生将来能够适应信息时代、智能时代发展需要，特殊学校因地制宜地开设机器人课程显得尤为必要。

■ 编辑/王    波