运用开源硬件开展乡镇小学机器人教育的尝试

摘要：在Arduino开源硬件平台上开发的教学机器人价格低廉，扩展性好，图形化编程，网络参考资源丰富，有利于解决乡镇小学开展机器人教育中存在的问题。笔者设计了一套将开源硬件教育机器人应用于乡镇小学的教学方案，本方案强调应让小学生自己动手，分解、拼装、使用机器人、编写机器人程序，尤其是要鼓励学生对现有机器人进行大胆的改造创新，以“机器人的手”为例详细说明了机器人教学的思路、方法和注意事项，并以此说明开源硬件教育机器人对于经费紧缺、场地狭小、师资水平较差的乡镇小学具有较高的适用性。

关键词：小学信息技术；机器人教学；Arduino；开源硬件

一、乡镇小学机器人教育存在的问题

小学生科学素养的提升是我国青少年自主创新能力提升的重要一环。近年来，我国教育部门积极提倡将智能机器人引入小学信息技术课程中来，进一步优化课堂教学，引导学生走向创新学习，取得了一定的成绩，获得了社会普遍的认同。但不容否认的是，机器人教育在普通乡镇小学的开展遇到了一定的困难，主要有如下几点。

1.费用昂贵且缺少专项资金扶持

适用于小学教育的教学机器人，一般需要便于学生拆装研究，能够通过简易的编程实现智能控制。因此，教学机器人通常需要开发专门的硬件和软件，这导致教学机器人的售价在几千元到几万元不等。与其他课程相比，机器人教学的投入对于办学经费较为紧张的乡镇小学无疑是较难承受的，而对于来自农村家庭来说，机器人模型的投入更是他们无法负担的。因此，资金困难严重制约了普通乡镇小学机器人教育的发展。

2.机器人教学未能形成较为完善的体系

在小学信息技术课程中开展机器人教学可培养小学生想象力和创造力，能有效修正当下小学信息技术课程中重视模仿轻视创新、重视软件轻视硬件的趋向。但目前在乡镇小学开展机器人教学仍处于摸索阶段，对小学机器人教学的指导思想、教学目的、教学内容、教学方法、教学评价等还未形成体系，缺少激励机制，制约教师的教学积极性，机器人教育的评价体系仍需不断探索和完善。

3.教育机器人竞赛的畸形发展影响深重

近年来，在教育机器人生产厂商的大力鼓动下，各级教育主管部门和社会团体举办了类目繁多的机器人竞赛。部分学校过分强调竞赛的成绩，走入误区，校方投资机器人项目是为了能在竞赛中取得好成绩，提高学校知名度，而不是看重机器人的竞技项目会给学生的身心成长带来如何长远的影响。在这种思想的指导下，竞赛指导教师为了能让学生获得好成绩，在竞赛现场中往往越俎代庖，自己动手完成比赛的各个环节，然后让学生以自己的名义参加比赛，因此，这种所谓的比赛比拼的不过是幕后的指导教师，光辉成绩的背后，牺牲的往往是对学生真实能力的培养。

此外，由于资源和能力的限制，畸形的机器人竞赛，得到学习机会的往往只能是极少部分尖子生，大部分的学生只能望“机”兴叹，这就造成了一种新型的教育资源分配不公的教育公平问题。

4.缺乏合适的机器人教材

小学机器人教育缺少适用的教材，各学校往往以所购买的教学机器人公司的产品说明书为蓝本，编写教材，这类教材往往将机器人视为一种教具，教材内容侧重于对机器人所能实现的功能进行介绍，再辅以几个教学应用案例，未能结合小学生的身心特点编写，晦涩难懂。因此，这种教材无法使学生全面掌握有关机器人学习和应用的基本知识，当然更难以激发学生学习机器人的兴趣，效果始终较差。

5.机器人教学教法落后

由于配备的教学机器人数量有限，小学机器人教学仍然采用传统的课堂方式，教师事先录制好教学视频，在课堂上放给学生看，然后，分小组分任务让学生模仿。由于课堂的时间和设备条件非常有限，学生往往只能在理想的条件下完成一个较小的任务，脱离了真实的、复杂的环境，难以掌握核心的机器人知识，难以满足机器人教学的实践性需要，这严重制约了学生对机器人的兴趣的培养，更谈不上激发学生的创造欲望，让学生体验成功感了。

二、开源硬件教学机器人的特点

教学机器人的主要矛盾之一就是机器人设备内核技术的开放问题。近年来，开源硬件的快速发展为解决这个矛盾提供了全新的解决方案。

所谓开源硬件，是指开发者公开有关硬件的所有资料，包括电路图、结构图、原理图、零件列表，也包括涉及硬件的所有软件的源代码等，任何人都可以免费使用这些资料。开源硬件的典型代表就是Arduino系统，使用Arduino可以制作各式极富创意的电子作品。近年来，国内外电子爱好者和教育工作者推出了一系列的基于开源硬件Arduino技术的教学机器人，把这种系统应用于乡镇小学机器人教育优势显著，主要有以下几种表现。

1.机器人硬件价格便宜

基于开源硬件Arduino技术的教学机器人遵循Creative Commons许可，即任何人都被允许复制、生产别人设计的硬件电路板和有关软件，也可以进行重新设计，均不需要支付任何专利费和版权费，因此，开源教育机器人的硬件价格也自然较低；同时，由于开源硬件的生产、制造、销售没有知识产权门槛限制，涉足的厂商数量众多，竞争激烈，机器人售价也被拉低。这对于经费较为紧张的乡镇小学而言极具吸引力，相同的预算下能够采购数量更多、质量更高的教育机器人，为教学的开展奠定重要的物质基础。

2.可扩展性好

Arduino有“电子积木”的别称，用户可象搭积木一样构建工作系统，可连接各类亮度、湿度、温度、声音、压力、气味、触摸屏以及振动等传感器感知外界信息，根据需要也可以控制各类开关、步进电机、继电器、LED阵列、蜂鸣器以及各类切换矩阵等部件进行干预控制。这些功能基本上满足了教育机器人制作的各种基本要素，易于实现各类组合型、互动型的机器人，扩展性非常好，最大限度地保障了教学的需要，强大的智能表现和较低的成功门槛易于引起学生学习的兴趣，有利于提高学生的学习积极性。 3.编程平台实现了图形化

以Arduino为代表的开源机器人平台已经实现了编程的图形化。目前，Arduino平台上已经开发出了Ardu-Block、Miniblog、Scratch for Arduino等图形化的编程工具，它们完全不同于传统的代码式的编程系统，采用的是一种图形积木式的编程方式，实现了编程的交互性和可视化，极大地降低了编程门槛，即使是没有任何编程经验的小学生也能轻松掌握和驾驭，完全符合小学生的认知能力水平，使得小学生对教学机器人进行编程成为了现实。

4.网络参考资源丰富

Arduino的开源硬件思想使得其爱好者遍及全球，拥有数量众多的学习网站、论坛和社区，世界各地的使用者把自己设计的硬件技术资料和软件源代码公开，与爱好者共享，任何人都可免费获得，这对拓展创新思路、培养实践精神非常有利。小学生初学时，大部分的项目都不需要自己从头设计硬件或编写程序，只需找到类似的案例，在教师的指导下按图索骥，购买零件、装配好以后就可烧录、调试程序，并在此基础上改进，即能形成特色鲜明的独有项目。

三、开源机器人课程设计

由于开源硬件教学机器人的特点，传统的小学机器人课程也须相应地做出调整。开源硬件机器人的教学应当侧重于让学生了解机器人的结构和基本原理，特别是应让小学生较为充分地理解机器人传感器原理、掌握Arduino机器人的图形编程语言。在教学方法上，应该留足时间让小学生自己动手，分解、拼装、使用机器人、编写机器人程序，培养学生研究和使用机器人的兴趣，尤其要鼓励小学生对现有机器人进行大胆地改造创新，有意识地培养学生的创新意识和创新精神，同时，在团队合作中培养协作精神。

乡镇小学的机器人课程内容可包括基础知识、传感器运用、执行器运用、机器入主题设计四个部分，涉及机械、电子、计算机程序编写等各方面，具体内容安排如表1。

1.基础知识

此模块旨在让学生了解机器人，初步掌握Arduino机器人的程序编写步骤。具体安排如下。

第1课《有趣的机器人》。让学生通过观看视频、图片和观察实物机器人，了解机器人，消除机器人的神秘感。教师演示开源机器人的软件编程步骤，学生练习使用图形编程工具控制机器人上的LED灯亮灭。

2.传感器运用

学生通过对传感器学习，初步了解如何将外部信息输入机器人。

第2课《害羞的机器人》。练习使用触碰开关，触摸一次，机器人上的LED灯逐渐明亮，然后逐渐变暗，如同蝴蝶害羞般。

第3课《机器人怕吹风》。练习使用麦克风，学会将麦克风连接到Arduino主控板上，编制程序，对着麦克风吹一下，机器人上的LED灯逐渐明亮，而后逐渐变暗。

第4课《机器人测距》。练习使用超声波传感器，初步了解超声波测距的原理。将超声波传感器模块电路板连接到Arduino主控板上，烧录好程序，将障碍物放在离超声波探头不同的距离内，观察LED数码管上的距离读数。

第5课《机器人起床啦》。练习使用光敏传感器。将光敏二极管接入机器人的Arduino主控板，编制程序，将障碍物放在离超声波探头不同的距离内，观察LED数码管上的距离读数。

3.执行器运用

学生通过对执行器的学习，初步了解机器人是如何通过控制部件对外界施加作用。

第6课《机器人唱歌》。认识扬声器与Arduino控制板的正确连接，能够编制程序控制扬声器发出乐音，可以给出若干曲谱让学生改写对应的程序。

第7课《机器人升旗》。认识步进电机，学会正确地将步进电机连接到Arduino主控板的数字端口，能够编制程序控制步进电机的正转和反转，学会用滑轮和拉线连接步进电机与旗帜。

第8课《机器人的手》。机器人手臂的夹持器是连接在舵机上的，学生要了解舵机的结构、简单原理与作用，理解舵机偏转角的概念，学会编制程序控制舵机偏转到指定角度，带动机器人手臂旋转到特定角度，控制夹持器产生闭与合的动作。

4.机器人主题设计

本模块是综合实践创新活动，设计一系列机器人任务，要求学生在全面掌握所学内容的基础上，通过拆卸、拼装、重新编制程序的形式，学习对机器人的改造创新，并主要通过教学比赛检验学习成果。这些开放性的设计、制作任务将更有利于培养学生的创新精神。

第9课《机器人赛跑》。让学生在现有车型机器人的基础上，改进机器人的传动机构，利用超声波传感器探测障碍物，使得机器人能在“S”形赛道上竞速前进，谁最先抵达终点谁的得分高。

第10课《机器人会话》。本课程关键使用了Arduino的语音识别模块，该模块可通过语音中的关键词匹配算法进行语音识别。让学生编写语音对话脚本，并通过事先录制对话语音设定语音检测关键词。组织全体学生做评委，评比看看谁的语音对话最准确、内容最生动有趣。

第10课《机器人夹乒乓球》。本课使用到Arduino控制的六自由度机器人手臂。要求学生编程序控制机器人手臂将指定位置的乒乓球夹持起来，投入放在特定位置的玻璃杯中，不能把乒乓球夹扁。该课程有较大难度，而又极为有趣，能较大程度地激发学生对机器人的学习兴趣。

四、教学案例

【课题】机器人的手

【设计意图】舵机是驱动机器人进行动作的主要部件之一，它集直流电机、电机控制器和减速器于一体，是一个能够利用简单的输入信号比较精确地转动给定角度的精密机电设备。在先修的Arduino机器人内容中，课例均较为简单，此课例涉及机器人的动作控制，趣味性较强，是一个较为综合的内容，将使小学生的图形编程和空间想象能力得到较大锻炼。

【教学目标】了解舵机的结构、简单原理与作用，理解舵机偏转角的概念，学会编制程序控制舵机偏转到指定角度，带动机器人手臂夹持器产生闭与合的动作。

【器材准备】必备硬件：Arduino主控板；舵机控制板；两自由度或三自由度机器人手臂；S4A软件；电源；连接导线线若干。

【认知建构路径】

（1）认识元件：认识机器人手臂，观察其外观和内部结构，重点观察舵机的位置，了解舵机的作用。

（2）动手操作：用连接导线将电源、Arduino主控板、舵机控制板、机器人手臂上的舵机连接起来，运行测试程序检查机器人手臂是否能做出夹持、偏转的动作。

（3）编写程序实现互动：使用S4A软件编程，实现“机器手臂夹持器打开”→“机器手臂夹持器闭合”→“机器手臂偏转”→“机器手臂夹持器打开”的系列转运动作，使学生懂得如何克服困难并掌握逐步趋于成功的解决问题方法。

（4）课外拓展延伸：如何实现机器人手臂夹持乒乓球，要求不能将乒乓球夹扁？

【教学反思】

机器人手臂的探究学习是小学生兴趣最浓厚、思维最活跃的学习项目，课程中学生能够学习到机电控制的有关知识，而通过S4A的互动编程又能实现学生自己的想法与意图，最能实现机器人教学的目标与价值。但传统课堂的40分钟往往难以完成这类较为复杂的任务，因此，本课内容最好安排在科学活动时间内进行，留充裕的时间让学生观察、拆解、安装、编程，将更有利于学生的探究与实践。

五、总结

运用开源硬件开展乡镇小学机器人教育，是开展素质教育、落实自主探究性学习，培养小学生观察能力，提升科学素养和创新素质的有效途径。由于有了较为廉价、丰富的开源机器人硬件作为支撑，乡镇小学的机器人教育变成了现实和可能。我们要重视课堂教学流程的设计，在教材设计中，既要教学目的明晰，又要由浅入深、形成体系。在教学中，应当充分考虑小学生的学习特点，尽可能满足小学生的求知欲、求新欲、喜欢游戏的天性，务求使得他们的情感得到体验，个性得到张扬，科学技术素养得到提高，从而领悟到机器人学习的快乐，使乡镇小学机器人教育真正落到实处。