开源平台在中小学机器人教学中的应用

骆巍

我国的机器人教育在上世纪90年代才起步，相对于西方国家落后了近30年。目前我国机器人教育领域主要涉及机器人竞赛和课内外教学，江苏省《信息技术指导纲要》早在多年前就明确列入了机器人教育实施规划和指导意见。

● 突出问题

虽然早有规划，但实施情况令人堪忧。笔者在走访的学校中进行了问卷调查，归纳了如下几个突出问题。

问题一：曲高和寡，发展失衡

在对机器人教育实施情况的问卷中，22所小学，仅有1所小学坚持开展机器人教育，1所小学有筹备机器人专用教室、实施机器人教育的规划。有2所学校过去曾经开展过机器人兴趣小组活动，但因种种原因已停止。

机器人教育为何无法普及？在与教师的交谈中，我发现很多教师认为机器人教育是“钱堆出来的噱头”。机器人器材动辄几千元，竞赛器材更是进入万元大关。同时，机器人教育师资匮乏也制约了机器人教育的普及。即使学校里有几位“略懂”的教师，但他们的主要精力却是放在应试、应赛上，很少顾及课堂。器材和师资的制约，是机器人教育发展失衡的主要因素。

问题二：技术落后，浅尝即止

现行的教育机器人常常被教师们戏称为“套子里的机器人”。教育机器人的核心部件大多被华丽的外壳“封装”，学生看到的是“套”起来的标准件。这样的器材，兼容性差，二次开发和功能拓展几乎不可能。因此，教学中单片机、传感器、电路知识等机器人核心技术只能就此略过。很多“套子里的机器人”技术落后，更像是传统意义上的玩具，虽然价值不菲但并没有让学生“获益良多”。

问题三：重“软”轻“硬”，独步难行

在开展机器人教育的学校中，有一种现象：重程序的编写，轻硬件结构的建构；重虚拟软件的模拟，轻机器人的实体调试。很多教师为了方便教学，干脆将所有硬件部分的制作包办完成，学生只要编写程序，写入主机即可。造成了学生对硬件知识知之甚少，缺乏动手实践的能力。其实机器人的硬件结构是逻辑程序正确执行的基础保障，没有设计合理的基础结构和与之相匹配的动力模块、单片机系统，再好的程序也无法达到设计要求。

问题四：只制作不设计，创新乏力

如果你来到机器人竞赛的现场，你会发现，很多机器人相似度极高，程序结构雷同。在最能发挥学生想象力、创造力的机器人教学中，我们常常走入重制作、轻设计的怪圈。我们很少让学生经历设计、验证、调整设计、再验证的循环过程，只力求一步到位、分毫不差。如此教学的直接结果是：学生缺乏创新意识，毫无设计能力。

● 解决问题

笔者认为，要扭转机器人教育目前的窘境，当务之急是必须构建一个适合我国国情的机器人教育平台。把价格降下来，让知识更多元，让实践更丰富，让创新更悠远。一年前，笔者接触到了Arduino电子积木平台，也有了机会实现开源平台下机器人知识普及与提高的教学实践。

1.搭建廉价质优的学习平台

Arduino电子积木平台由一个基于单片机的硬件开源平台和一套为Arduino板编写程序的免费开发环境组成。作为一款基于AVR单片机为核心的开源控制板，它的稳定性、拓展性和性价比吸引了全球无数的“粉丝”。Arduino控制板价格低廉，最便宜的Arduino版本甚至可以自己动手制作，即使是组装好的成品，其价格也非常低廉。粗略地测算以Arduino平台为基础，构建的具有巡线、测距等基本功能的机器人学习平台造价可以控制在200元以内，而且性能毫不逊色。

2.搭建软硬结合的研习平台

Arduino可以读取大量的开关和传感器信号，并且可以控制各式各样的电灯、电机和其他物理设备。在Arduino构建的学习平台中，你无须了解过多的硬件的工作原理，只须设计正确、硬件合理连接、融入个性的程序设计，就可以完成丰富多彩的互动项目。与枯燥、生涩的单片机编程不同的是，Arduino提供了人性化的编程环境，让我们无须关心单片机的琐碎细节，就可以完成项目设计。学生既可以使用在Arduino ide编写简洁的程序代码，也可以通过图形化编程环境快速入门。

以Arduino平台为核心，笔者由浅入深，设计了丰富的活动课程：面包板揭秘、神奇的机器脑，帮助学生认识电子元件，了解简单电路；闪烁流水灯、神奇呼吸灯，带领学生体验LED灯的闪烁实验，了解怎样用程序控制硬件；马达转起来、机器人会跳舞，让学生经历项目开发的过程，从硬件驱动模块的构建，到程序的编写调试，独立完成机器人项目；机器人拉力赛、机器人走迷宫等竞赛活动，将学生们的学习热情推向高潮。从底层技术入门，逐步了解机器人的核心硬件、软件技术是开源平台相对于其他产品的独有优势。

3.搭建创新实践的开源平台

Arduino是一个强大的开源平台。具有很多功能强大的扩展模块，可以控制直流电机、伺服电机、网络通信、液晶显示、获取温度、湿度等。全球的Arduino爱好者还编写了很多扩展库。大家在完成某一功能的拓展后本着开源的思想将这些资源放在网上共享，同时根据其他爱好者的使用情况进行完善。使用者如同搭建电子积木一般，获取自己需要的模块，开发更加个性化的创新实践项目。

开源平台为笔者辅导学生设计创作机器人作品提供了极大的便利：在十二足机器人的创意制作中，一位学生提出如果能用游戏机的手柄无线控制机器人就可以大大拓展机器人的应用领域。在这个思路指导下，笔者和学生一同上网搜索解决方案，最后利用一个淘汰的PS2游戏机的无线手柄，在其开源共享库的支持下，完成了无线遥控的设计要求。在球形机器人创意项目开发中，为了让机器人可以通过狭窄的管道，学生们找来了圣诞装饰球做机器人的外壳，废旧玩具电机做机器人的执行机构，用小巧玲珑的Arduino Nano做控制板，利用身边的简易资源，设计完成了机器人的软硬件结构。闲置玩具、废旧电器皆可成为资源，新颖想法、独特创造皆可成为现实，这就是开源的精神，开源的魅力。

4.搭建自主学习的拓展平台

每节课笔者都会留出3～5分钟的时间给学生搜索有关开发资料，进行项目推荐交流。救援小车、循迹机器人、八足机器人、机械手等成熟的Arduino案例成为学生们向往渴求的开发项目。由于网络上基于Ardiuno平台的开发案例、学习资源极其丰富。教师和学生可以随时利用网络资源进行自学。也可以将自己的得意之作上传到论坛与他人交流互动。网络中的众多“优秀项目”不仅激励着学生探究拓展平台的功能，还有可能直接得到高手的指导、帮助。这一切都是免费的、开源的，尽可以享有全球的丰富资源。网络自主学习成为课堂教学的重要补充，成为机器人教学可持续发展的拓展平台。

如Arduino平台一样的开源平台，让机器人教育跳出竞赛、牟利怪圈的期望成为现实，为解决机器人教学长期以来的诸多困扰提供了新思路。希望在不久的将来，机器人教育不再遥不可及、高不可攀，更多开源平台的开发能使机器人教育真正融入我们的生活，让更多的学生从中受益。