信息技術(shù)開源機(jī)器人教學(xué)活動的組織與開展

林委鋒

【摘要】? ? 人工智能時代的來臨，開源機(jī)器人作為人工智能課程的一個內(nèi)容在中小學(xué)得到越來越多的重視和開展。教育部在2017版《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動課程指導(dǎo)綱要》中將開源機(jī)器人引入到信息技術(shù)教學(xué)模塊中，有的學(xué)校更早就已經(jīng)將它作為校本課程引入到信息技術(shù)課堂中。但由于開源機(jī)器人涉及到的專業(yè)知識較多且復(fù)雜，許多沒有經(jīng)過培訓(xùn)或從未接觸過的老師對此感到茫然，不知道如何著手開展相關(guān)的教學(xué)活動，本文嘗試從開源機(jī)器人的器材、編程軟件、教學(xué)內(nèi)容等方面進(jìn)行探討分析，探索開源機(jī)器人教學(xué)活動的組織與開展。

【關(guān)鍵字】? ? 開源機(jī)器人? ? CPU主控板? ? 圖形化編程? ? 智慧課堂

引言：

人工智能時代的來臨，開源機(jī)器人作為人工智能課程的一個內(nèi)容在中小學(xué)得到越來越多的重視和開展。開源機(jī)器人起源于這些年在中小學(xué)流行的機(jī)器人競賽活動，由于機(jī)器人競賽活動的器材價格昂貴，只能供參加競賽的幾個學(xué)生學(xué)習(xí)使用，學(xué)校大部分的學(xué)生無緣接觸到機(jī)器人器材，因此很多機(jī)器人指導(dǎo)教師也迫切希望有價格便宜的機(jī)器人器材出現(xiàn)，能夠讓更多的學(xué)生學(xué)習(xí)和研究機(jī)器人知識。在出現(xiàn)了價格只有幾百元左右的開源機(jī)器人器件后，許多對機(jī)器人感興趣的教師開始在學(xué)校普及和推廣開源機(jī)器人教學(xué)活動，在這股熱潮的推動下，教育部在2017版《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動課程指導(dǎo)綱要》中將開源機(jī)器人引入到信息技術(shù)教學(xué)模塊中，中國科協(xié)也在這幾年開始推廣基于開源機(jī)器人活動的人工智能特色學(xué)校項(xiàng)目，并積極地組織開展開源機(jī)器人競賽活動。可以預(yù)見，開源機(jī)器人教學(xué)活動在中小學(xué)會得到越來越多的重視和推廣，因此信息技術(shù)教師積極參與開展開源機(jī)器人的教學(xué)活動是時代發(fā)展的趨勢和要求。

在中學(xué)開展開源機(jī)器人教學(xué)活動對信息技術(shù)教師還是一個較大的問題，除了有組織學(xué)生開展機(jī)器人競賽的教師外，一般的信息技術(shù)教師可能此前并未接觸或參加過培訓(xùn)，所以對開源機(jī)器人的器材不熟悉，也缺少動手實(shí)踐，因此信息技術(shù)教師對開源機(jī)器人教學(xué)活動如何組織和開展中感到茫然，存在較大的困惑。本文嘗試從開源機(jī)器人的器材、編程軟件、教學(xué)內(nèi)容等方面進(jìn)行探討分析，探索開源機(jī)器人教學(xué)活動的組織與開展。

一、開源機(jī)器人教學(xué)活動器材的選用

開源機(jī)器人的教學(xué)器材主要由CPU主控板、傳感器、動作執(zhí)行器件和傳動機(jī)構(gòu)等組成。CPU主控板是開源機(jī)器人的一個重要器件，它實(shí)際上是一個將CPU和電源接口、程序下載接口、輸入輸出接口等集成在一塊電路板的微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)。

CPU主控板的種類和型號較多，有Arduino系列的主控板、Micro：bit主控板、掌控板。Arduino系列的主控板是最早推出來的面向非專業(yè)人士的單片機(jī)，它的型號有標(biāo)準(zhǔn)版UNO、迷你版NANO、穿戴版LilyPAD、加強(qiáng)版MEGA2560等。不同版本控制板的功能和用途不同，Arduino系列主控板上述的幾種型號主要提供一些基的本輸入輸出接口，沒有集成太多的功能和做太多的擴(kuò)展。

micro：bit 是一款由英國廣播電視公司（BBC）推出的專為青少年編程教育設(shè)計(jì)的微型電腦開發(fā)板，它除了提供基本的輸入輸出接口外，還集成了其它一些功能器件，如：5×5個LED發(fā)光二極管、可編程按鍵，加速度計(jì)，電子羅盤，溫度光線傳感器，藍(lán)牙低功耗等。掌控板是深圳盛思推出的一塊面向中小學(xué)生的開發(fā)板，它的功能和micro：bit類似。這些集成的功能可方便教師開展教學(xué)活動，但這種主控板也存在一些不足的地方，比如價格較高，一塊主探板要一百多元，在使用過程中如果其中的一些集成的電路出現(xiàn)故障，不方便維修，甚至導(dǎo)致電路板不能使用，反而使器材的使用成本上升。Arduino系列的主控板與之相反，它是一種通用型主控板，板上集成的功能器件較少，需要連接其它分立元器件才能開展教學(xué)，雖然比較麻煩，但也有其優(yōu)點(diǎn)，比如其價格便宜，一塊主控板才三十多元，如果損壞可直接替換新的主控板，使用成本較低。特別是在創(chuàng)意設(shè)計(jì)方面，用Arduino系列的主控板做開發(fā)成本會比較低，其它的主控板成本就比較高。

開源機(jī)器人的教學(xué)器材除了CPU主控板的選擇外，還有其它配件的選用，通常來說，其它配件的選用主要有兩種方式：一種是廠家提供的配套器材，這種器材簡單方便，教師不需要做太多的準(zhǔn)備就可以開展教學(xué)活動，但也存在一些問題，教師在教學(xué)過程中如果要拓展延伸，可能沒辦法實(shí)現(xiàn)。另一種是教師自行選擇，設(shè)計(jì)器材套件清單，再通過學(xué)校或自行購買器材組成活動套件。這種模式需要教師在前期做較多的調(diào)查和研究，根據(jù)本校學(xué)生的實(shí)際情況，購置所需要的教學(xué)器材，這種方式的特點(diǎn)是多樣化和個性化，適合學(xué)校開展有本校特色的校本課程。

二、開源機(jī)器人編程軟件的選用

開源機(jī)器人的編程模式有兩種，一種是代碼編程，利用Basic、C、Python等傳統(tǒng)的代碼指令編寫方式對機(jī)器人進(jìn)行編程。這種編程方法對學(xué)生來說比較復(fù)雜，掌握起來較為困難。另一種是圖形化編程，這是近年來比較流行的編程模式，它的特點(diǎn)是簡單易懂，只要拖動圖標(biāo)到代碼區(qū)，就能夠編出所需要的程序。常見圖形化編程軟件有Scratch、Mblock、Kittenblock和Mixly等，這幾種語言中前面三種是基于Scratch開發(fā)的編程語言，Mixly是由北師大傅蹇教授所帶的團(tuán)隊(duì)基于谷歌Blockly開發(fā)的圖形化編程軟件。除了Scratch外，這幾種語言還有一個代碼語言轉(zhuǎn)換功能，能把圖形化指令轉(zhuǎn)化為C語言或Python語言指令。 在這幾種軟件中，Mixly是目前功能較強(qiáng)大的一種圖形化編程軟件，該軟件由傅教授所帶的一批熱愛開源的大學(xué)生、研究生團(tuán)隊(duì)提供更新和技術(shù)支持，并且堅(jiān)持開源免費(fèi)，定期增加新的功能，所以是一款比較好的教學(xué)軟件。

教師在教學(xué)活動中可根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況來選擇編程軟件，如果學(xué)生沒有有編程基礎(chǔ)則可考慮選用圖形化編程軟件，讓學(xué)生能夠比較容易的進(jìn)入到編程環(huán)境中學(xué)習(xí)編程。在圖形化編程的教學(xué)過程中，教師也可以利用編程軟件的代碼轉(zhuǎn)換功能，引導(dǎo)學(xué)生觀察分析圖形化指令和代碼指令的區(qū)別，通過對比掌握代碼指令的編寫方法，從中培養(yǎng)學(xué)生的代碼編程思維習(xí)慣。圖形化編程的特點(diǎn)還可以幫助學(xué)生更容易理解編程的一些概念和涵義，例如程序的三種結(jié)構(gòu)和嵌套，學(xué)生在代碼編程教學(xué)中比較不好理解，在圖形化編程模式里面反而顯得簡單明了。

三、開源機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

開源機(jī)器人的教學(xué)內(nèi)容主要有兩個部分：一個是機(jī)器人的硬件知識、元器件與主控板的連接、驅(qū)動機(jī)構(gòu)的安裝等操作，這一部分的內(nèi)容涉及到較多的電子技術(shù)理論知識，教學(xué)內(nèi)容的編排上要考慮學(xué)生的認(rèn)知能力和水平，有些元器件原理對學(xué)生來說太過復(fù)雜，則只需介紹其作用和使用方法，重在掌握器材的使用，不牽扯太多的專業(yè)術(shù)語和專業(yè)知識。第二個是程序的編寫和設(shè)計(jì)，這一部分的內(nèi)容主要是涉及到程序的編寫方法、程序的結(jié)構(gòu)組成和開源機(jī)器人的動作控制。學(xué)生通過這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，了解和掌握編程的方法，通過編寫程序控制機(jī)器人完成設(shè)定的任務(wù)。

開源機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容的選用有兩種，一種是利用現(xiàn)成已有的教學(xué)資源，網(wǎng)絡(luò)上有許多相關(guān)的開源機(jī)器人教程，有的教學(xué)器材廠家也提供配套教程，教師可選用這些教程開展教學(xué)活動。這種已有的教學(xué)資源對教師來說比較容易上手，特別是對沒有電子專業(yè)方面知識的老師來說，比較能夠在短時間內(nèi)開展教學(xué)活動。另一種是自行開發(fā)和編寫的校本課程，這要求教師要有一定的電子專業(yè)方面的理論知識，教師可搜集整理已有的教學(xué)資源，通過實(shí)驗(yàn)操作和研究，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)編寫有特色的教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)內(nèi)容的編排和設(shè)計(jì)還應(yīng)積極的創(chuàng)設(shè)情景、貼近生活，引導(dǎo)學(xué)生嘗試解決生活中的某些問題，培養(yǎng)學(xué)生對家庭、社會的責(zé)任感和創(chuàng)新思維。

對于沒有基礎(chǔ)的教師來說，選擇成熟的開源機(jī)器教學(xué)活動器材，利用現(xiàn)成的教學(xué)資料開展機(jī)器人教學(xué)活動是一個比較簡單、容易上手的辦法，通過一段時間的學(xué)習(xí)和教學(xué)活動，在熟悉開源機(jī)器人的元器件原理和編程方法后，可進(jìn)一步選擇其它有特色的教學(xué)活動器材，設(shè)計(jì)編寫富有本校特色的校本課程。

四、開源機(jī)器人教學(xué)模式設(shè)計(jì)

開源機(jī)器人的教學(xué)和傳統(tǒng)信息技術(shù)課堂的教學(xué)以及傳統(tǒng)的編程教學(xué)有些不同，它增加了一個硬件操作部分，教師在課堂上組織學(xué)生動手操作、編寫程序，完成教學(xué)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不但要用電腦編程，還要學(xué)習(xí)了解元器件的作用原理、元器件與主控板的連接。因此學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)時間會比較顯得比較不夠，需要教師對教學(xué)內(nèi)容做很好的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。如果教師和學(xué)生在一節(jié)課里完不成教學(xué)任務(wù)，那么就需要將課堂做延伸，將信息技術(shù)課堂從課上延伸到課下，從校內(nèi)延伸到校外，這是一種混合式教學(xué)模式，也是所謂的智慧課堂教學(xué)。智慧課堂教學(xué)的開展需要網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的支持，教師可利用學(xué)校、國家教育公共資源網(wǎng)或商業(yè)網(wǎng)站提供的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源。

除了利用智慧課堂教學(xué)平臺開展教學(xué)外，教師可利用網(wǎng)絡(luò)平臺和學(xué)生進(jìn)行課外的學(xué)習(xí)交流活動，例如用福建公共教學(xué)資源提供的網(wǎng)絡(luò)平臺創(chuàng)建學(xué)生個人博客，把作品上傳到博客上與同學(xué)分享和交流。同時鼓勵學(xué)生之間通過網(wǎng)絡(luò)平臺形成學(xué)習(xí)小組，教師在教學(xué)活動中還應(yīng)注意引導(dǎo)和指導(dǎo)學(xué)生小組之間的團(tuán)隊(duì)協(xié)作。開源機(jī)器人是一個對動手操作要求較高的內(nèi)容，學(xué)生的動手操作能力存在一些差異，要盡可能培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神，互幫互助，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)的力量，共同完成任務(wù)。開源機(jī)器人教學(xué)活動除了常規(guī)的班級上課外，還可以組織感興趣的學(xué)生，開展機(jī)器人社團(tuán)活動，為學(xué)生提供更多的成長平臺和空間。參加社團(tuán)活動課的學(xué)生可學(xué)到更多的機(jī)器人知識并得到更多的動手實(shí)踐機(jī)會，從中激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和熱情，提升信息素養(yǎng)。此外，參加社團(tuán)活動的課學(xué)生還可以在班級上課的時候幫助教師給其他同學(xué)提供指導(dǎo)，充當(dāng)教學(xué)小助手的作用。

五、開源機(jī)器人教學(xué)活動的評價

開源機(jī)器人是一個動手實(shí)踐，體驗(yàn)創(chuàng)新的活動課，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中可能會遇到更多的問題和困難，教師在教學(xué)過程中應(yīng)積極學(xué)生的學(xué)習(xí)活動開展過程性評價，除了幫助學(xué)生解決機(jī)器人學(xué)習(xí)過程中存在的問題外，還應(yīng)多鼓勵學(xué)生直面困難，勇于挑戰(zhàn)，不斷進(jìn)取。教師還可利用學(xué)校的科技活動節(jié)組織學(xué)生開展機(jī)器人競賽活動和作品展示活動，為學(xué)生的學(xué)習(xí)成果提供交流和分享的機(jī)會。

開源機(jī)器人模塊是信息技術(shù)學(xué)科一個新的教學(xué)內(nèi)容，對信息技術(shù)教師來說是一個新的挑戰(zhàn)，能否順利的開展這個模塊的教學(xué)需要信息技術(shù)教師大膽的嘗試和探索，積極組織學(xué)生開展教學(xué)實(shí)踐活動，在不斷的學(xué)習(xí)研究過程中提升自己，實(shí)現(xiàn)從信息技術(shù)教師向機(jī)器人教師的轉(zhuǎn)變。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]教育部2017《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動課程指導(dǎo)綱要》

[2]哈斯高娃，張菊芳，凌佩.智慧教育[M].清華大學(xué)出版社，2017

[3]祝智庭.智慧教育新發(fā)展： 從翻轉(zhuǎn)課堂到智慧課堂及智慧學(xué)習(xí)空間》[J].開放教育研究，2016（2）

注：本文系2018年度福建省基礎(chǔ)教育課程教學(xué)研究課題《基于Arduino的機(jī)器人校本課程開發(fā)與實(shí)踐》（課題編號：MJYKT2018-147） 研究成果。