利用Micro:bit進(jìn)行輪式機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作

Micro：bit是近年來被很多中小學(xué)學(xué)生和科技教師青睞的一款控制器，以其體積小、集成度高、操作簡單等優(yōu)勢迅速在校內(nèi)普及。將Micro：bit控制器結(jié)合相應(yīng)的拓展板能夠完成很多項(xiàng)目的制作。本文中，以輪式機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作為例，向大家介紹基于Micro：bit控制板的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。

項(xiàng)目背景

輪式機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域中非常經(jīng)典和常見的一種機(jī)器人，很多同學(xué)接觸和學(xué)習(xí)機(jī)器人知識(shí)都是以輪式機(jī)器人作為開端的。與此同時(shí)，在日常生活中的生產(chǎn)、運(yùn)輸中用到的機(jī)器人也都采用輪式移動(dòng)的方式。我國設(shè)計(jì)制造的“玉兔號(hào)”系列月球車，也屬于輪式移動(dòng)機(jī)器人。在教學(xué)中，向?qū)W生介紹“玉兔號(hào)”月球車的基本原理及背后的科研故事，培養(yǎng)樹立學(xué)生正確的價(jià)值觀，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本項(xiàng)目的熱情。

項(xiàng)目目標(biāo)

本項(xiàng)目是一個(gè)綜合性的設(shè)計(jì)與制作項(xiàng)目，需要學(xué)生綜合運(yùn)用自己所學(xué)的各學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、問題解決，最終達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。本項(xiàng)目的具體目標(biāo)如下：①通過移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作掌握計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用，并使用激光切割機(jī)完成零件加工;②以移動(dòng)機(jī)器人為載體，學(xué)習(xí)并運(yùn)用基礎(chǔ)程序設(shè)計(jì)方法完成預(yù)設(shè)任務(wù);③運(yùn)用工程思維，對(duì)小組的方案設(shè)計(jì)進(jìn)行權(quán)衡比較，最終確定最優(yōu)方案;④在項(xiàng)目制作過程中，增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

項(xiàng)目簡介

在此項(xiàng)目中，學(xué)生設(shè)計(jì)的輪式機(jī)器人要完成一些既定任務(wù)。從機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、材料選擇等不同方面以目標(biāo)為導(dǎo)向，完成機(jī)器人的制作，并在場地中完成測試。

本項(xiàng)目中預(yù)設(shè)的任務(wù)主要有：①從起點(diǎn)出發(fā)，機(jī)器人能夠通過坡度為30°左右的坡面;②通過坡面后，機(jī)器人完成繞標(biāo)（2個(gè)障礙物）任務(wù);③機(jī)器人要通過一系列崎嶇不平的路面;④3個(gè)任務(wù)都完成后，用時(shí)較少的隊(duì)伍獲得優(yōu)勝。

實(shí)施過程

項(xiàng)目制作過程中，依托工程設(shè)計(jì)周期的項(xiàng)目制作環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)全面發(fā)展。

創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，明確項(xiàng)目目標(biāo)

高中學(xué)生在邏輯思維能力上和動(dòng)手實(shí)踐上有很好的基礎(chǔ)，學(xué)生已經(jīng)對(duì)機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)有了初步了解，能夠了解機(jī)器人系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的功能及主要組成，學(xué)生喜歡參與項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，并期待能夠在與同學(xué)的合作下完成作品。基于對(duì)學(xué)生情況的簡單分析，首先要通過一些學(xué)生感興趣的話題，激發(fā)學(xué)生參與項(xiàng)目學(xué)習(xí)的熱情。近年來，我國在探月工程中取得了巨大成就，“玉兔1號(hào)”和“玉兔2號(hào)”月球車先后在月球表面著陸，創(chuàng)造了一項(xiàng)又一項(xiàng)領(lǐng)先世界的紀(jì)錄。今年5月22日，“祝融號(hào)”火星車也安全駛離著陸平臺(tái)，開啟了火星探索之旅。這些令人振奮的科研成果都能夠極大程度地激發(fā)學(xué)生的民族自豪感，以此明確本項(xiàng)目的主題容易引起學(xué)生共鳴，激發(fā)學(xué)生參與項(xiàng)目的熱情。在項(xiàng)目的導(dǎo)入環(huán)節(jié)，通過月球車和火星車的介紹，引出本項(xiàng)目的具體目標(biāo)。

依據(jù)項(xiàng)目目標(biāo)，查閱相關(guān)資料，形成初步方案

在項(xiàng)目的導(dǎo)入環(huán)節(jié)，明確要完成的項(xiàng)目目標(biāo)（爬坡、繞標(biāo)、越障）。學(xué)生以組為單位，以目標(biāo)為導(dǎo)向，利用互聯(lián)網(wǎng)查閱相關(guān)資料，形成初步設(shè)計(jì)方案。在獲取資料的過程中，要明確達(dá)成目標(biāo)所需的結(jié)構(gòu)、材料等。經(jīng)過對(duì)任務(wù)的理解和自己所學(xué)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)的運(yùn)用，分析權(quán)衡后得出自己認(rèn)為較為合理的方案。

小組內(nèi)討論，確定最終方案

前期每個(gè)同學(xué)根據(jù)自己對(duì)任務(wù)的理解，形成了自己的方案。接下來，再以小組為單位完成最終方案的確定。在查閱資料的過程中，每個(gè)同學(xué)都有自己的關(guān)注點(diǎn)。比如，有的同學(xué)更多關(guān)注如何更好地跨越障礙物;有的同學(xué)則希望增加機(jī)器人的靈活性、機(jī)動(dòng)性，更快地完成繞標(biāo)任務(wù);有的同學(xué)考慮使用摩擦力更大的輪子提升機(jī)器人運(yùn)行過程中的抓地力，從而順利爬坡如此，在確定小組最終方案前，需要經(jīng)過大家的充分討論，結(jié)合項(xiàng)目制作的時(shí)間、材料等客觀情況，確定一個(gè)最適合的方案。

依據(jù)方案完成項(xiàng)目制作，遇到問題及時(shí)調(diào)整

按照各小組確定的方案及人員分工，經(jīng)歷零件加工、組裝調(diào)試、程序設(shè)計(jì)等幾個(gè)環(huán)節(jié)，完成移動(dòng)機(jī)器人模型的制作。具體環(huán)節(jié)有：①學(xué)生根據(jù)小組討論確定的設(shè)計(jì)方案，使用計(jì)算機(jī)繪圖軟件完成各部分零件的設(shè)計(jì);②根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，使用激光切割或者3D打印等加工設(shè)備完成零件加工;③將加工好的零件進(jìn)行處理，將處理好的零件與標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行裝配;④完成機(jī)器人結(jié)構(gòu)組裝之后，使用BXY編程軟件對(duì)Micro：bit控制板進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，經(jīng)過調(diào)試，保證機(jī)器人能夠正常移動(dòng)。軟件中有較為豐富的庫文件，通過調(diào)用庫文件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)、舵機(jī)等輸出設(shè)備的控制。

在此過程中，盡管已經(jīng)有了明確的制作方案，但還會(huì)出現(xiàn)一些意想不到的突發(fā)問題，需要小組成員共同思考解決，及時(shí)調(diào)整方案。例如，有的小組為了追求機(jī)器人的快速移動(dòng)，選擇了轉(zhuǎn)速較快的電機(jī)，但在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人移動(dòng)速度過快不好控制，經(jīng)常會(huì)碰撞障礙物，導(dǎo)致任務(wù)失敗。經(jīng)過大家討論，采用齒輪變速的方案降低機(jī)器人的移動(dòng)速度。

任務(wù)測試，提出更優(yōu)的改進(jìn)方案

任何設(shè)計(jì)都不是完美的，在測試中還會(huì)出現(xiàn)一些問題，需要進(jìn)一步迭代、改進(jìn)。學(xué)生將制作完成的機(jī)器人在場地上進(jìn)行測試，按照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)從靈活性、越障能力、爬坡能力等幾個(gè)方面對(duì)機(jī)器人進(jìn)行評(píng)價(jià)。及時(shí)發(fā)現(xiàn)各組方案設(shè)計(jì)的優(yōu)勢與不足，并能夠根據(jù)不足提出適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。在此過程中，學(xué)生能夠反思自己在設(shè)計(jì)和制作過程中的不足與問題，其實(shí)也是一個(gè)增長經(jīng)驗(yàn)的過程，更是一個(gè)知識(shí)、能力內(nèi)化的過程。不斷地發(fā)現(xiàn)問題、提出解決方案，使得學(xué)生的項(xiàng)目制作水平能夠不斷提高。

組間進(jìn)行交流，分享自己的成功經(jīng)驗(yàn)

項(xiàng)目制作過程中，每個(gè)小組都有自己的設(shè)計(jì)思路，也都形成了一定的制作經(jīng)驗(yàn)。此交流環(huán)節(jié)中，邀請每個(gè)小組的學(xué)生進(jìn)行分享，分享自己在設(shè)計(jì)制作過程中的成功經(jīng)驗(yàn)，讓更多的同學(xué)能夠有所借鑒，共同提高。

總結(jié)與反思

突出以學(xué)生為主體的學(xué)習(xí)過程

本項(xiàng)目教學(xué)始終本著以學(xué)生為主體的教學(xué)理念，從最初發(fā)布任務(wù)到學(xué)生自主設(shè)計(jì)解決方案，再到學(xué)生設(shè)計(jì)制作模型，自主在場地上完成模型測試，最后總結(jié)機(jī)器人的優(yōu)勢與不足。教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)充分體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位，教師則是教學(xué)的引導(dǎo)者，通過設(shè)計(jì)活動(dòng)和問題激發(fā)學(xué)生的思考。

以我國科研成果為項(xiàng)目導(dǎo)入，培養(yǎng)學(xué)生正確價(jià)值觀

本項(xiàng)目教學(xué)的引入以我國“玉兔號(hào)”月球車為例，介紹移動(dòng)機(jī)器人的特點(diǎn)，載體選擇考究，既能讓學(xué)生了解移動(dòng)機(jī)器人的特點(diǎn)，又能讓學(xué)生感受到我國強(qiáng)大的科研實(shí)力。在模型制作和調(diào)試過程中，讓學(xué)生感受科學(xué)研究的不易，引導(dǎo)他們形成正確的價(jià)值觀。

以機(jī)器人為載體，培養(yǎng)學(xué)生人工智能意識(shí)

人工智能正在逐漸走進(jìn)我們的生活，本項(xiàng)目以移動(dòng)式機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作為主線，讓學(xué)生在制作中學(xué)習(xí)人工智能相關(guān)知識(shí)。學(xué)生經(jīng)歷體驗(yàn)、思考、實(shí)踐、探究等幾個(gè)環(huán)節(jié)和過程，實(shí)現(xiàn)與人工智能技術(shù)的親密接觸。在未來的項(xiàng)目拓展中，可以增加更多人工智能技術(shù)的運(yùn)用。比如，在機(jī)器人上增加攝像頭，通過圖像識(shí)別技術(shù)引導(dǎo)機(jī)器人完成標(biāo)簽識(shí)別、面部識(shí)別等經(jīng)典人工智能的功能。

總而言之，移動(dòng)機(jī)器人制作項(xiàng)目是一個(gè)綜合運(yùn)用知識(shí)與技能的項(xiàng)目。通過這樣一個(gè)項(xiàng)目的制作，為學(xué)生創(chuàng)造學(xué)以致用的機(jī)會(huì)，更加深刻地讓學(xué)生理解知識(shí)的學(xué)習(xí)不能停留在其表面，更要理解如何靈活運(yùn)用知識(shí)解決問題。