智能機器人：在探索中前進在反思中提高

羅凱

《智能機器人》所涵蓋的內容非常豐富，涉及數據與數據結構、開源硬件項目設計、智能系統初步、算法初步等多個模塊內容，而且又與機械制造、物理學、電子學與微電子學、控制論、計算機、生物學、人工智能、系統工程等多個學科有密切聯系，具有知識性、實踐性和啟發性等特點，是STEAM教育的最好載體，對學生的發展，特別是對創新能力的培養有著極為重要的作用。

在探索中前進

黃岡中學決定開設《智能機器人》選修課程之際，恰逢首屆全國中學生“登峰杯”學術作品創新大賽啟動，比賽里又正好有關于機器人的比賽項目，于是學校派我參加“登峰杯”機器人培訓，看能否與學校的機器人選修課程結合起來。

這次培訓使我認識到，“登峰杯”機器人大賽非常符合現代創客教育和STEAM教育理念，它不提供成品套件，也不推薦成品套件，鼓勵所有零部件由參賽者原創。其實，為了降低難度，也可以找到公司提供初級套件。這些套件雖然能完成比賽，但不一定能取得好成績。而這種模式入門上手不是特別難，有利于激發學生興趣，鼓勵創新，鼓勵多學科融合，非常適合機器人教學的需要。于是，我們決定結合“登峰杯”大賽來推進學校的《智能機器人》課程建設與實施。

擺在我面前的第一道難題就是：如何選擇機器人教學的切入點，如何開發課程，如何組織教學？

目前，國內已開設機器人課程的學校，其教學模式多種多樣：有的學校直接購買成品的機器人套件，只需教會學生進行編程，這種課程實施方式操作起來最容易，但對學生創新能力的培養和鍛煉有限；有的學校購買積木類機器人，然后教學生進行拼裝和編程，這種方案相對于第一種方案實施難度有所提高，但對學生的動手能力和創新能力有一定鍛煉；還有的學校購買開源硬件板、傳感器、電機等零件，教學生自主設計開發，這種方案實施難度最大，對教師和學生的要求也都比較高，同時所需教學課時也比較多，但最能鍛煉學生的動手能力和創新能力。

對比各種課程實施方案之后，我們決定從拼裝機器人做起，逐步深入，爭取做到讓學生有能力利用開源硬件進行自主開發。

我的教學原則有三條。一是由淺入深，激發興趣。在教學初期，講述機器人的基本知識、基本構成，拼裝簡單的機器人，利用Scratch進行簡單編程，并講授一定的C語言編程知識。二是教師主導，學生為主體。在教學中期，讓學生了解具體的比賽規則，列舉完成比賽的幾個簡單思路，并分析其中的算法和程序，讓學生對比賽有大致了解。隨后，讓學生自由發揮，自己設計，教師起主導作用，引導學生完成比賽任務。三是分組教學，個性指導。在教學后期，將學生分組，并讓各組學生按自己的思路對機器人進行調試和改進，并設計、修改程序。由于不同的小組都有自己獨特的想法，利用不同思路解決問題的方法也是完全不同的，老師就沒辦法統一指導了，這就需要對不同小組進行個性化指導，個別溝通，幫助學生實現自己的想法。

在前進中反思

為保障教學，學校采購了較為充足的機器人設備，特別是積木類機器人MakeBlock套件。MakeBlock是一個包含金屬積木、電子模塊、軟件工具等幾百種零件的工程積木平臺。借助Makeblock，你可以快速搭建高性能機械結構或者獨一無二的機器人，將腦中的奇思妙想變為實物。

我們讓學生從安裝螺絲開始，一步步進行拼裝。剛開始時，有的學生說：“這就是機器人嗎，太簡單了吧，不就是照著圖紙拼嗎，和我們玩過的樂高是一樣的，看我的，分分鐘搞定。”結果一次課下來還沒拼到一半。拼裝時，一個小錯誤就會導致后面的工作無法繼續，甚至要重新拼裝。要完全拼好是一種極大的考驗，不僅需要極大的耐心，更需要細心。整套積木的零件多達上千個，不僅要關注每一個部件的特點，找到與之配套的部件，在拼裝時更要對準，一個孔位的誤差往往也會導致拼裝失敗。

就這樣，我們的智能機器人課程邁開了第一步。

拼裝積木類機器人相對而言還不是很難，學生經過半學期的學習基本都能掌握，但要利用開源硬件進行開發，確實不是一件容易的事兒。硬件底層協議需要學習，各端口的功能需要學習，編程和代碼寫法需要學習，一個學期短短36個課時，怎樣才能學得完學得好呢？經過反復的研究，我決定盡量將復雜知識簡單化、科普化。

為此，我做了大量準備工作。首先，對開源硬件的底層協議進行了初步定義，確定好各端口的用途，學生只需要知道如何使用即可。在我講授完程序的基本知識以及如何利用程序控制機器人之后，學生很快就能上手實驗了?？粗约旱臋C器人能夠做出各種體操動作，看著自己的小車能在賽場上馳騁，孩子們體味到莫大的快樂。

即使對機器人進行了改造，要做到用程序控制機器人，也很不容易。這既需要學生具有較強的學習能力和創新能力，更需要專注和耐心。選修《智能機器人》的同學，有一些是出于好奇，學習時力不從心，遇到搞不懂的問題就輕易放棄；學習過程中，調好一個參數或一個動作耗費半個小時是很正常的事情，有的學生缺乏耐心，專注度也不夠，往往進行到一半就主動放棄，當起了旁觀者。對于這樣的學生，我采用分層教學法，降低對他們的考核要求，為他們設置適合的課程目標。

這樣的學情也觸發了我的反思。通過培訓學生參加“登峰杯”機器人大賽來推進《智能機器人》課程的實施，是我們的課程實施策略，必須要精選參賽種子，讓真正有意愿、有實力、有潛力的同學參加到比賽中來。最后我們面向全校精心遴選了13名種子選手。

在反思中提高

日子一天天過，課程也在一步步推進。在不斷的學習和反思中，我也和學生們一樣，感到自己也在不斷提升，對機器人的認識和理解逐漸深入，課堂教學也越發得心應手。

學生也在逐步成長。剛開始，只要我沒調試出來的人形機器人動作，或是車型機器人路線，孩子們很難自己做出來，只有老師成功了，孩子們才會有所突破。隨著時間的推移，孩子們不僅能完成老師沒有調試出來的環節，還開始了自己的創新，開始摸索著把自己的設想變成現實。

“登峰杯”機器人競賽“車型搬運”項目分為兩個環節，第一個環節是將隨機抽取的3個物塊搬到對應顏色的區域，但由于這3個物塊的顏色是隨機抽取的，而且會擋在搬運的必經路線上，也就是說，很多物塊在開始時是無法直接搬運的。我最初的思路是將3個物塊中的2個搬運到臨時區域，將路線清空，再逐個搬運。后來，孩子們發現可以先進行判斷，如果有物塊可以直接搬運的就直接搬運，這樣一來，不僅減少了搬運時間，而且該物塊運走后它所擋的路也通了，一舉兩得。這種方案非常好，但程序就復雜多了。經過組內討論，組間交流，3個小組全部克服了這一難題。

到了比賽準備的后期，學生開始研究規則。競賽項目的第二個環節，要將兩個區域的共計10個物塊送到最終點，但比賽要求時間越短越好。我最初的設想是逐個搬到終點，但孩子們研究規則后發現，并沒有要求一個一個地搬到終點，可以先搬一個放在中間區，再把同一顏色物料一起搬過去。

初賽的結果比較理想，黃岡中學5個機器人小組全部獲獎，其中1個一等獎，2個二等獎，2個三等獎，13人中有9人進入決賽。至此，結合“登峰杯”大賽來推動實施《智能機器人》選修課取得了較好的成績。

經過一年多的探索，我們積累不少經驗，孩子們也收獲良多。許多學生在畢業總結時寫道“選修《智能機器人》課程學到的東西真不少，3D打印、微型機床、焊接設備應有盡有，能夠選到這門課真是太值了”，有的同學寫道“我原以為機器人多么高深多么神秘，經過學習，發現其實并沒有想象中那么高不可攀”，還有的同學寫道“機器人課真是太有趣了，為我打開了一扇新的大門，我想我今后會繼續從事相關的專業和學習”。

（責任編輯 徐世兵）endprint