信息技術開源機器人教學活動的組織與開展

林委鋒

【摘要】? ? 人工智能時代的來臨，開源機器人作為人工智能課程的一個內(nèi)容在中小學得到越來越多的重視和開展。教育部在2017版《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》中將開源機器人引入到信息技術教學模塊中，有的學校更早就已經(jīng)將它作為校本課程引入到信息技術課堂中。但由于開源機器人涉及到的專業(yè)知識較多且復雜，許多沒有經(jīng)過培訓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的教學活動，本文嘗試從開源機器人的器材、編程軟件、教學內(nèi)容等方面進行探討分析，探索開源機器人教學活動的組織與開展。

【關鍵字】? ? 開源機器人? ? CPU主控板? ? 圖形化編程? ? 智慧課堂

引言：

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

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

一、開源機器人教學活動器材的選用

開源機器人的教學器材主要由CPU主控板、傳感器、動作執(zhí)行器件和傳動機構等組成。CPU主控板是開源機器人的一個重要器件，它實際上是一個將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算機，簡稱單片機。

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，它的型號有標準版UNO、迷你版NANO、穿戴版LilyPAD、加強版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計的微型電腦開發(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，電子羅盤，溫度光線傳感器，藍牙低功耗等。掌控板是深圳盛思推出的一塊面向中小學生的開發(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，雖然比較麻煩，但也有其優(yōu)點，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)意設計方面，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。

開源機器人的教學器材除了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備就可以開展教學活動，但也存在一些問題，教師在教學過程中如果要拓展延伸，可能沒辦法實現(xiàn)。另一種是教師自行選擇，設計器材套件清單，再通過學?；蜃孕匈徺I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)本校學生的實際情況，購置所需要的教學器材，這種方式的特點是多樣化和個性化，適合學校開展有本校特色的校本課程。

二、開源機器人編程軟件的選用

開源機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器人進行編程。這種編程方法對學生來說比較復雜，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，它的特點是簡單易懂，只要拖動圖標到代碼區(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隊基于谷歌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生、研究生團隊提供更新和技術支持，并且堅持開源免費，定期增加新的功能，所以是一款比較好的教學軟件。

教師在教學活動中可根據(jù)學生的實際情況來選擇編程軟件，如果學生沒有有編程基礎則可考慮選用圖形化編程軟件，讓學生能夠比較容易的進入到編程環(huán)境中學習編程。在圖形化編程的教學過程中，教師也可以利用編程軟件的代碼轉(zhuǎn)換功能，引導學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)學生的代碼編程思維習慣。圖形化編程的特點還可以幫助學生更容易理解編程的一些概念和涵義，例如程序的三種結構和嵌套，學生在代碼編程教學中比較不好理解，在圖形化編程模式里面反而顯得簡單明了。

三、開源機器人教學內(nèi)容的設計

開源機器人的教學內(nèi)容主要有兩個部分：一個是機器人的硬件知識、元器件與主控板的連接、驅(qū)動機構的安裝等操作，這一部分的內(nèi)容涉及到較多的電子技術理論知識，教學內(nèi)容的編排上要考慮學生的認知能力和水平，有些元器件原理對學生來說太過復雜，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)術語和專業(yè)知識。第二個是程序的編寫和設計，這一部分的內(nèi)容主要是涉及到程序的編寫方法、程序的結構組成和開源機器人的動作控制。學生通過這部分內(nèi)容的學習，了解和掌握編程的方法，通過編寫程序控制機器人完成設定的任務。

開源機器人教學內(nèi)容的選用有兩種，一種是利用現(xiàn)成已有的教學資源，網(wǎng)絡上有許多相關的開源機器人教程，有的教學器材廠家也提供配套教程，教師可選用這些教程開展教學活動。這種已有的教學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資源，通過實驗操作和研究，根據(jù)學生的實際情況，設計編寫有特色的教學內(nèi)容。教學內(nèi)容的編排和設計還應積極的創(chuàng)設情景、貼近生活，引導學生嘗試解決生活中的某些問題，培養(yǎng)學生對家庭、社會的責任感和創(chuàng)新思維。

對于沒有基礎的教師來說，選擇成熟的開源機器教學活動器材，利用現(xiàn)成的教學資料開展機器人教學活動是一個比較簡單、容易上手的辦法，通過一段時間的學習和教學活動，在熟悉開源機器人的元器件原理和編程方法后，可進一步選擇其它有特色的教學活動器材，設計編寫富有本校特色的校本課程。

四、開源機器人教學模式設計

開源機器人的教學和傳統(tǒng)信息技術課堂的教學以及傳統(tǒng)的編程教學有些不同，它增加了一個硬件操作部分，教師在課堂上組織學生動手操作、編寫程序，完成教學。學生在學習過程中不但要用電腦編程，還要學習了解元器件的作用原理、元器件與主控板的連接。因此學生在課堂上的學習時間會比較顯得比較不夠，需要教師對教學內(nèi)容做很好的設計和優(yōu)化。如果教師和學生在一節(jié)課里完不成教學任務，那么就需要將課堂做延伸，將信息技術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模式，也是所謂的智慧課堂教學。智慧課堂教學的開展需要網(wǎng)絡教學平臺的支持，教師可利用學校、國家教育公共資源網(wǎng)或商業(yè)網(wǎng)站提供的網(wǎng)絡教學平臺構建網(wǎng)絡教學資源。

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

五、開源機器人教學活動的評價

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

開源機器人模塊是信息技術學科一個新的教學內(nèi)容，對信息技術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需要信息技術教師大膽的嘗試和探索，積極組織學生開展教學實踐活動，在不斷的學習研究過程中提升自己，實現(xiàn)從信息技術教師向機器人教師的轉(zhuǎn)變。

參? 考? 文? 獻

[1]教育部2017《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》

[2]哈斯高娃，張菊芳，凌佩.智慧教育[M].清華大學出版社，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習空間》[J].開放教育研究，2016（2）

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