開源平臺在中小學機器人教學中的應用

駱巍

我國的機器人教育在上世紀90年代才起步，相對于西方國家落后了近30年。目前我國機器人教育領域主要涉及機器人競賽和課內外教學，江蘇省《信息技術指導綱要》早在多年前就明確列入了機器人教育實施規劃和指導意見。

● 突出問題

雖然早有規劃，但實施情況令人堪憂。筆者在走訪的學校中進行了問卷調查，歸納了如下幾個突出問題。

問題一：曲高和寡，發展失衡

在對機器人教育實施情況的問卷中，22所小學，僅有1所小學堅持開展機器人教育，1所小學有籌備機器人專用教室、實施機器人教育的規劃。有2所學校過去曾經開展過機器人興趣小組活動，但因種種原因已停止。

機器人教育為何無法普及？在與教師的交談中，我發現很多教師認為機器人教育是“錢堆出來的噱頭”。機器人器材動輒幾千元，競賽器材更是進入萬元大關。同時，機器人教育師資匱乏也制約了機器人教育的普及。即使學校里有幾位“略懂”的教師，但他們的主要精力卻是放在應試、應賽上，很少顧及課堂。器材和師資的制約，是機器人教育發展失衡的主要因素。

問題二：技術落后，淺嘗即止

現行的教育機器人常常被教師們戲稱為“套子里的機器人”。教育機器人的核心部件大多被華麗的外殼“封裝”，學生看到的是“套”起來的標準件。這樣的器材，兼容性差，二次開發和功能拓展幾乎不可能。因此，教學中單片機、傳感器、電路知識等機器人核心技術只能就此略過。很多“套子里的機器人”技術落后，更像是傳統意義上的玩具，雖然價值不菲但并沒有讓學生“獲益良多”。

問題三：重“軟”輕“硬”，獨步難行

在開展機器人教育的學校中，有一種現象：重程序的編寫，輕硬件結構的建構；重虛擬軟件的模擬，輕機器人的實體調試。很多教師為了方便教學，干脆將所有硬件部分的制作包辦完成，學生只要編寫程序，寫入主機即可。造成了學生對硬件知識知之甚少，缺乏動手實踐的能力。其實機器人的硬件結構是邏輯程序正確執行的基礎保障，沒有設計合理的基礎結構和與之相匹配的動力模塊、單片機系統，再好的程序也無法達到設計要求。

問題四：只制作不設計，創新乏力

如果你來到機器人競賽的現場，你會發現，很多機器人相似度極高，程序結構雷同。在最能發揮學生想象力、創造力的機器人教學中，我們常常走入重制作、輕設計的怪圈。我們很少讓學生經歷設計、驗證、調整設計、再驗證的循環過程，只力求一步到位、分毫不差。如此教學的直接結果是：學生缺乏創新意識，毫無設計能力。

● 解決問題

筆者認為，要扭轉機器人教育目前的窘境，當務之急是必須構建一個適合我國國情的機器人教育平臺。把價格降下來，讓知識更多元，讓實踐更豐富，讓創新更悠遠。一年前，筆者接觸到了Arduino電子積木平臺，也有了機會實現開源平臺下機器人知識普及與提高的教學實踐。

1.搭建廉價質優的學習平臺

Arduino電子積木平臺由一個基于單片機的硬件開源平臺和一套為Arduino板編寫程序的免費開發環境組成。作為一款基于AVR單片機為核心的開源控制板，它的穩定性、拓展性和性價比吸引了全球無數的“粉絲”。Arduino控制板價格低廉，最便宜的Arduino版本甚至可以自己動手制作，即使是組裝好的成品，其價格也非常低廉。粗略地測算以Arduino平臺為基礎，構建的具有巡線、測距等基本功能的機器人學習平臺造價可以控制在200元以內，而且性能毫不遜色。

2.搭建軟硬結合的研習平臺

Arduino可以讀取大量的開關和傳感器信號，并且可以控制各式各樣的電燈、電機和其他物理設備。在Arduino構建的學習平臺中，你無須了解過多的硬件的工作原理，只須設計正確、硬件合理連接、融入個性的程序設計，就可以完成豐富多彩的互動項目。與枯燥、生澀的單片機編程不同的是，Arduino提供了人性化的編程環境，讓我們無須關心單片機的瑣碎細節，就可以完成項目設計。學生既可以使用在Arduino ide編寫簡潔的程序代碼，也可以通過圖形化編程環境快速入門。

以Arduino平臺為核心，筆者由淺入深，設計了豐富的活動課程：面包板揭秘、神奇的機器腦，幫助學生認識電子元件，了解簡單電路；閃爍流水燈、神奇呼吸燈，帶領學生體驗LED燈的閃爍實驗，了解怎樣用程序控制硬件；馬達轉起來、機器人會跳舞，讓學生經歷項目開發的過程，從硬件驅動模塊的構建，到程序的編寫調試，獨立完成機器人項目；機器人拉力賽、機器人走迷宮等競賽活動，將學生們的學習熱情推向高潮。從底層技術入門，逐步了解機器人的核心硬件、軟件技術是開源平臺相對于其他產品的獨有優勢。

3.搭建創新實踐的開源平臺

Arduino是一個強大的開源平臺。具有很多功能強大的擴展模塊，可以控制直流電機、伺服電機、網絡通信、液晶顯示、獲取溫度、濕度等。全球的Arduino愛好者還編寫了很多擴展庫。大家在完成某一功能的拓展后本著開源的思想將這些資源放在網上共享，同時根據其他愛好者的使用情況進行完善。使用者如同搭建電子積木一般，獲取自己需要的模塊，開發更加個性化的創新實踐項目。

開源平臺為筆者輔導學生設計創作機器人作品提供了極大的便利：在十二足機器人的創意制作中，一位學生提出如果能用游戲機的手柄無線控制機器人就可以大大拓展機器人的應用領域。在這個思路指導下，筆者和學生一同上網搜索解決方案，最后利用一個淘汰的PS2游戲機的無線手柄，在其開源共享庫的支持下，完成了無線遙控的設計要求。在球形機器人創意項目開發中，為了讓機器人可以通過狹窄的管道，學生們找來了圣誕裝飾球做機器人的外殼，廢舊玩具電機做機器人的執行機構，用小巧玲瓏的Arduino Nano做控制板，利用身邊的簡易資源，設計完成了機器人的軟硬件結構。閑置玩具、廢舊電器皆可成為資源，新穎想法、獨特創造皆可成為現實，這就是開源的精神，開源的魅力。

4.搭建自主學習的拓展平臺

每節課筆者都會留出3～5分鐘的時間給學生搜索有關開發資料，進行項目推薦交流。救援小車、循跡機器人、八足機器人、機械手等成熟的Arduino案例成為學生們向往渴求的開發項目。由于網絡上基于Ardiuno平臺的開發案例、學習資源極其豐富。教師和學生可以隨時利用網絡資源進行自學。也可以將自己的得意之作上傳到論壇與他人交流互動。網絡中的眾多“優秀項目”不僅激勵著學生探究拓展平臺的功能，還有可能直接得到高手的指導、幫助。這一切都是免費的、開源的，盡可以享有全球的豐富資源。網絡自主學習成為課堂教學的重要補充，成為機器人教學可持續發展的拓展平臺。

如Arduino平臺一樣的開源平臺，讓機器人教育跳出競賽、牟利怪圈的期望成為現實，為解決機器人教學長期以來的諸多困擾提供了新思路。希望在不久的將來，機器人教育不再遙不可及、高不可攀，更多開源平臺的開發能使機器人教育真正融入我們的生活，讓更多的學生從中受益。