简述教育机器人的设计与应用

2023-01-08方国辰

智库时代 2022年8期

方国辰

（莱西市职业教育中心）

教育机器人是由专门的教育机器人生产企业开发的激发学生学习兴趣、培养学生的综合能力、锻炼学生的逻辑思维生产成品套装或散件，除教育机器人本体之外还有相应的教学课本和控制软件。教育机器人在不断发展与应用中需要满足新课程教学改革的需要，遵循学生成长发育规律，对教学的模块不断更新，增强学生的科学素养，提高学生学习的积极性。让学生在“玩中学，学中做。”通过教育机器人的广泛应用能够极大地减轻教师的教学压力，有更多的时间和精力进行深入的钻研，提高课堂教学的质量。在教育机器人设计与研发中与实际课程教学相融合，真正提高教育机器人开发教学的整体水平。

一、教育机器人的发展

教育机器人本质是为教育服务，目前大部分的教育机器人主要以家用教育机器人或专业教育机器人为主。国外教育机器人发展较早，在上世纪六七十年代，以日本、美国为首的发达国家就已经开展了对教育机器人的研究，在大学课程中融入了教育机器人教学的内容[1]。我国的教育机器人研究在七八十年代开展，由于教育机器人研发起步较晚，目前教育机器人的设计和应用并不完善。在目前教育机器人研究中主要的领域有以下几个方面：（1）教育机器人本体研究，重点针对教育机器人的应用领域进行分析，包括人工智能教育机器人学等，通过对教育机器人概念、特征、分类和相关理论进行解析，增强教育机器人的核心应用水平。（2）教育机器人教学角色和影响研究，主要涉及人型教育机器人，通常由教育机器人来扮演导师、同学和工具等不同的角色，根据学生的实际需求来调整不同的教学功能。（3）教育机器人设计研究，主要是针对移动教育机器人服务教育机器人远程操控编程的重点研究。通过特定的教育机器人技术对相关的程序设定加以改造，从而实现教学目标或教学功能。（4）教育机器人教学实践的主要研究对象为婴幼儿，教育机器人课程设计教育技术支持、教育机器人教学等相关内容。教育机器人的应用场景主要是教学科研环境和个人环境根据不同儿童的成长需要设计出了不同的功能，针对特殊儿童群体可以设计出自闭症儿童教育机器人，方便对自闭症儿童进行正确的健康帮助。

二、教育机器人设计的原和作用分析

（一）教育机器人设计的主要原

首先，在教育机器人开发设计中要确保教育机器人本体的机械结构制作需要不断的创新，对各种资源配置进行全面的调整。在电路体系设计中可以采用单片机形式，也可以采用嵌入式模式。单片机设计需要保证与通用技术和非功能标准的关系，对烧录单片机的具体型号进行正确地挑选，选择简单的单片机编程内容。通过套件引进控制系统和功能，确保教育机器人的具体操作顺利实施。其次，在教育机器人开发设计中要满足儿童的需要，必须保证交互界面设计更加的简洁高效。教育机器人教具必须要有一定的科学性，通过游戏、娱乐、影音等多种程序来使知识实现可视化满足学生的认知特点，并且通过增加初级或中级语言编程教育，让学生提前了解新语言和汇编语言，利用程序烧录技术和红外线技术来增强数据传输的稳定性[2]。在教育机器人教育设计之前需要对所有教材的不同单元内容进行深入地研究，确保教育机器人教学与课堂教学紧密结合。每一个单元都可以设计成独立的教育机器人介绍，随机附带课堂挑战任务，引导学生对相关的基础结构进行全面搭建，让学生对相关的课堂知识有着更深入的了解。最后，还可以通过图像、视频、音乐等多媒体资料将课堂理论知识传输给学生，增强学生学习的整体效果。

（二）教育机器人应用的重要作用

教育机器人主要是针对不同教育学科和教材制定的教学辅助工具，能够成为学生学习的重要伙伴。在传统的教学中，由于教学方式老套陈旧，教学内容落后很难跟上时代发展的步伐，而且大部分的教学倾向于给定特定的问题，让幼儿形成固定的思维，教学方式无法激发学生的学习主动性，严重限制了学生的想象力和创造力。通过教育机器人不仅可以设计开放性的问题，让学生运用不同的方法和思路来快速地寻找问题的关键，也能够进一步鼓励学生发挥创造力和想象力，增强学生的开放性思维。在课堂教学中应用教育机器人不仅可以探讨更加有趣充满趣味挑战性的主题，同时也可以动手实践操作获取相关的知识，在多学科知识学习中也能够让学生的思维具有逻辑性和紧密性，通过对整个项目进行构思设计与开发与实际工作和生活场景相结合，真正像编程人员一样对项目进行研究、策划。在教育机器人教学中能够让学生成为学习小组，共同设计属于自己的教育机器人，鼓励学生为教育机器人编写个性化程序，主动提高学生的探索能力和动手能力[3]。通过亲身体验和实践操作来感受教育机器人的相关知识，增强学生的学习能力、沟通能力和交流能力，教育机器人的设计融入了机械学电子学、传感器、人工智能等多种先进的技术领域，而通过在教学中应用教育机器人，可以提高学生的创新思维，引导学生在观察思考中去了解相关的知识，提高学生的综合素质。

（三）教育机器人进行学科教学的必要性

在现代化学科教育中更强调学生的核心素养，而学生的核心素养培养必须要通过恰当的方法，通过加强对教育机器人学科教学，能够让学生从小了解并认识教育机器人的重要作用，提高全社会对教育机器人的正确认识，进一步促进教育机器人技术的快速普及和推广。在教育机器人教学应用中通过对编程控制管理、维护人机关系等重要知识进行分析，能够让学生进一步了解教育机器人的原理结构、使用方法、操作技巧。确保教育机器人的应用水平全面提高。随着教育机器人的研制水平不断提高，对于教育机器人研发领域的人才培养也在不断加深，能够不断地掌握各种最新的科研技术成果，从而丰富教育机器人的层次感。在新时期要高度重视对教育机器人专业的设计与开发，通过为教育机器人专业营造良好的课堂环境，真正地为教育机器人专业改革提供重要的依据。在教育机器人不断应用中能够打破现有信息技术教育的问题让学生可以更灵活地掌握教育机器人的相关操作技巧[4]。通过在中小学开展教育机器人教育能够使得青少年科技创新活动不断发展进一步普及相关的知识，增强学生对现代技术的兴趣。

三、教育机器人的设计总体思路

（一）硬件设计

在教学教育机器人教育实践中，教师可以先构建网络平台，将相关的教学资源传输到网络课程之中。通过将教育机器人教学的实践与理论知识传输给学生，让学生能够对教育机器人课程有着初步的印象，同时也可以帮助学生了解控制原理和基础的操作技能。在教育机器人总体设计中可以对教育机器人的功能和结构进行全面优化，可以不在附加设备的同时直接开发教育机器人程序。在教育机器人结构设计时为了满足教育机器人的具体功能需求，整个系统应该包括传感器，控制器和执行器三大部分，而且还增加了几十个传感器用于拓展，增强教育机器人对环境感知能力。控制器类似于人的大脑，可以对各种操控指令进行快速的分析和判断，主要由中央处理单元，辅助电路和程序共同组成执行器能够类似于人的四肢完成各种操作指令，CPU可以采用16位数字信号处理芯片不仅内容丰富而且处理速度极快，具有所有单片机的优点，同时包括程序存储器、数据存储器脉冲、宽度调制，但与单片机不同的是。CPU能够实现复利液变换也是DSP的内核，可以及时进行音频和视频的处理，主板上有电源电路两个电机驱动电器等这种教育机器人的额定电压为5V。教育机器人在使用中电池电压会逐渐下降，所以必须要保证教育机器人电池电压稳定在5伏，而设备的检测接口包括前后左右红外线障碍物检测，通过电位器对红外发射管和红外接收管连接，不断调整红外发射功率对障碍物的具体情况进行检测，刚发射的红外线被障碍物反射弹回时接收管会接收，发出低电平。光敏三极管用于检测两边的火源，路面检测由光电模块组成，不同的颜色对光的吸收各不相同，快速识别路面轨迹。

（二）教育机器人的用户软件开发

在针对教育机器人用户软件开发时，首先，要对对象和软件功能以及使用目标进行准确的评估，目前，大多数的教育机器人用户主要以中小学生和教师为主，在软件开发设计中要根据教师和学生的不同需求进行设计软件语言、C语言编程，真正做到了易学易用。在软件不同模块设计中，主要包括窗体模块绘制模块、数据结构模块和文件处理模块等窗体模块，可以用于快速接收各类信息，也能够集成窗口、菜单、工具栏、状态栏等。绘制模块主要是被其他模块函数调用，能够快速绘制较小的绘图单位。结构数据模块包括处理模块绘制模块输入模块和输出模块，在文件处理模块中能够用于打开或保存流程图，快速保存生成的源代码等[5]。在用户使用教育机器人时可以利用C语言进行编程，也可以通过图形化交互式C语言界面编程。最后，利用串口下载，每次下载都能自动拆除，上一次的程序为了完全满足用户需要。在不运行任何外部数据库或动态链接库的情况下技术软件层面有了广泛的应用，能够实现流程图到程序源代码在可执行程序转换属于自动化编程软件，这也是软件未来发展的重要方向。在用户界面设计中需要基于windows操作系统，利用C语言编程和图形化交互式C语言编程两种不同的形式。通过新型教育机器人的设计，不仅采用了领先的图形化交互式C语言，而且还能够实现算法描述和程序设计，具有非常先进的教学功能。

（三）教育机器人教育实验任务的具体设计

教育机器人可以直接安装在具有履带双轮或四轮的运动模型中，能够对路面进行识别与检测，快速规划行驶路线，具有非常强的移动能力，而目前的教育机器人教学应该注重培养学生的综合素质和动手能力，普通学生家中都可以有遥控玩具车，学生能够通过对相关的玩具进行动手改装，构建自己的教育机器人，通过学生亲自编制指令，并且在技术教育机器人中。存储帮助教育机器人执行各种操作，不仅增强了学生实践操作的真实体验，而且也可以对计算机语言教学进行直观地展示，提高学生的计算机核心素养，真正满足创新发展的需求。教育机器人还具备输入输出接口，同时接入多种模块，实现障碍物躲避、灭火、自动行走等功能，可以为学生的计算机学习提供更广阔的空间，也能够帮助学生按照自己的想象增加其他的各种功能，提高学生的创新思维和想象能力。教育机器人教育具有良好的普及性，通过学生亲自动手操作能够减少制作成本，同样大部分的教育机器人主要采取镍氢充电电池，有效减少了对环境的破坏，教育机器人具有先进的开放性、普及性、可拓展性，是目前在教学中应用最广泛的教学工具，也是培养学生创新精神和实践能力的重要途径。在教育机器人教学实践应用中教师可以提前设计小规模的教育机器人挑战任务，并且在每次课堂教学中与课后练习中，都能够让学生亲身体验，共同探讨教育机器人硬件如何运行才能保证教育机器人的运动。在课堂教学完成之后要主动地培养学生传感器运用技能，积极鼓励学生主动参与。

四、教育机器人教育的具体应用案例

在挑战任务设计时，教师可以让学生利用教育机器人进行快速搜救与灭火，通过挑战任务带给学生竞赛的体验，每一块区域中所选择的图案都各不相同，所以教师可以先将学生划分不同的学习小组，让学生有足够的时间进行准备，针对这一问题如果单纯选择里程计算或者简单地定时循环远远不符合实践要求，而通过场地优化让学生充分的认识并了解控制技术的重要作用，在接受任务的同时也会受到程序优先级的影响[6]。通过小组挑战与合作的方式增强学生对教育机器人的感悟，针对学生制作教育机器人的情况包括时间结构和定量任务的调整进行全方面的评估，让学生能够对教育机器人运动状态的同时引入人工干预。通过设计平滑性的功能来确保教育机器人运行轨迹更加的稳定。在运行教育机器人时需要与电池电压结合在短时间内快速完成任务挑战减少能量消耗，提高节能效果，要将学生划分为不同的学习小组。通过相关的硬件设备分给小组内成员，让学生可以在课余时间共同完成教育机器人教学设计。在教育机器人开发设计中，需要主动引导学生对表面的张力进行判断，利用系统设计仿生器水绳，在实验操作中将控制系统和红外传感器安装，并且对目标水域进行自动化搜索，教育机器人在感知目标后会及时释放信号，吸引更多教育机器人进行快速感知，从而寻找目标，在整个实验中风扇具有反作用力，能够快速推动驱动装置追踪红外线来源，因为水表面张力能够在水面上移动，如果风扇转速较差时机器水可能就会向左或右移动，整个系统中硬件需要承载硬件，驱动硬件和探测硬件。而探测硬件还包括光敏二极管用于两者接收，红外线的强弱程度并不一致，输入端电压也各不相同，通过AD转换器、单片机可以及时吸收电压信息，驱动硬件和划桨以及电机驱动电路相结合，可以保证划桨进行反向或正向运转，进而对电机快速驱动。在机器人的学习过程中，通过制作机器人过程中的实际问题解决，可以学到模拟电路、力学等方面知识，不但对物理学科、计算机学科的教学起到促进作用，同时也扩大、加深了学生科学知识；通过完成任务和模拟项目使学生在为机器人扩充接口的过程中学习有关数字电路方面的知识。