智能机器人：在探索中前进在反思中提高

罗凯

《智能机器人》所涵盖的内容非常丰富，涉及数据与数据结构、开源硬件项目设计、智能系统初步、算法初步等多个模块内容，而且又与机械制造、物理学、电子学与微电子学、控制论、计算机、生物学、人工智能、系统工程等多个学科有密切联系，具有知识性、实践性和启发性等特点，是STEAM教育的最好载体，对学生的发展，特别是对创新能力的培养有着极为重要的作用。

在探索中前进

黄冈中学决定开设《智能机器人》选修课程之际，恰逢首届全国中学生“登峰杯”学术作品创新大赛启动，比赛里又正好有关于机器人的比赛项目，于是学校派我参加“登峰杯”机器人培训，看能否与学校的机器人选修课程结合起来。

这次培训使我认识到，“登峰杯”机器人大赛非常符合现代创客教育和STEAM教育理念，它不提供成品套件，也不推荐成品套件，鼓励所有零部件由参赛者原创。其实，为了降低难度，也可以找到公司提供初级套件。这些套件虽然能完成比赛，但不一定能取得好成绩。而这种模式入门上手不是特别难，有利于激发学生兴趣，鼓励创新，鼓励多学科融合，非常适合机器人教学的需要。于是，我们决定结合“登峰杯”大赛来推进学校的《智能机器人》课程建设与实施。

摆在我面前的第一道难题就是：如何选择机器人教学的切入点，如何开发课程，如何组织教学？

目前，国内已开设机器人课程的学校，其教学模式多种多样：有的学校直接购买成品的机器人套件，只需教会学生进行编程，这种课程实施方式操作起来最容易，但对学生创新能力的培养和锻炼有限；有的学校购买积木类机器人，然后教学生进行拼装和编程，这种方案相对于第一种方案实施难度有所提高，但对学生的动手能力和创新能力有一定锻炼；還有的学校购买开源硬件板、传感器、电机等零件，教学生自主设计开发，这种方案实施难度最大，对教师和学生的要求也都比较高，同时所需教学课时也比较多，但最能锻炼学生的动手能力和创新能力。

对比各种课程实施方案之后，我们决定从拼装机器人做起，逐步深入，争取做到让学生有能力利用开源硬件进行自主开发。

我的教学原则有三条。一是由浅入深，激发兴趣。在教学初期，讲述机器人的基本知识、基本构成，拼装简单的机器人，利用Scratch进行简单编程，并讲授一定的C语言编程知识。二是教师主导，学生为主体。在教学中期，让学生了解具体的比赛规则，列举完成比赛的几个简单思路，并分析其中的算法和程序，让学生对比赛有大致了解。随后，让学生自由发挥，自己设计，教师起主导作用，引导学生完成比赛任务。三是分组教学，个性指导。在教学后期，将学生分组，并让各组学生按自己的思路对机器人进行调试和改进，并设计、修改程序。由于不同的小组都有自己独特的想法，利用不同思路解决问题的方法也是完全不同的，老师就没办法统一指导了，这就需要对不同小组进行个性化指导，个别沟通，帮助学生实现自己的想法。

在前进中反思

为保障教学，学校采购了较为充足的机器人设备，特别是积木类机器人MakeBlock套件。MakeBlock是一个包含金属积木、电子模块、软件工具等几百种零件的工程积木平台。借助Makeblock，你可以快速搭建高性能机械结构或者独一无二的机器人，将脑中的奇思妙想变为实物。

我们让学生从安装螺丝开始，一步步进行拼装。刚开始时，有的学生说：“这就是机器人吗，太简单了吧，不就是照着图纸拼吗，和我们玩过的乐高是一样的，看我的，分分钟搞定。”结果一次课下来还没拼到一半。拼装时，一个小错误就会导致后面的工作无法继续，甚至要重新拼装。要完全拼好是一种极大的考验，不仅需要极大的耐心，更需要细心。整套积木的零件多达上千个，不仅要关注每一个部件的特点，找到与之配套的部件，在拼装时更要对准，一个孔位的误差往往也会导致拼装失败。

就这样，我们的智能机器人课程迈开了第一步。

拼装积木类机器人相对而言还不是很难，学生经过半学期的学习基本都能掌握，但要利用开源硬件进行开发，确实不是一件容易的事儿。硬件底层协议需要学习，各端口的功能需要学习，编程和代码写法需要学习，一个学期短短36个课时，怎样才能学得完学得好呢？经过反复的研究，我决定尽量将复杂知识简单化、科普化。

为此，我做了大量准备工作。首先，对开源硬件的底层协议进行了初步定义，确定好各端口的用途，学生只需要知道如何使用即可。在我讲授完程序的基本知识以及如何利用程序控制机器人之后，学生很快就能上手实验了。看着自己的机器人能够做出各种体操动作，看着自己的小车能在赛场上驰骋，孩子们体味到莫大的快乐。

即使对机器人进行了改造，要做到用程序控制机器人，也很不容易。这既需要学生具有较强的学习能力和创新能力，更需要专注和耐心。选修《智能机器人》的同学，有一些是出于好奇，学习时力不从心，遇到搞不懂的问题就轻易放弃；学习过程中，调好一个参数或一个动作耗费半个小时是很正常的事情，有的学生缺乏耐心，专注度也不够，往往进行到一半就主动放弃，当起了旁观者。对于这样的学生，我采用分层教学法，降低对他们的考核要求，为他们设置适合的课程目标。

这样的学情也触发了我的反思。通过培训学生参加“登峰杯”机器人大赛来推进《智能机器人》课程的实施，是我们的课程实施策略，必须要精选参赛种子，让真正有意愿、有实力、有潜力的同学参加到比赛中来。最后我们面向全校精心遴选了13名种子选手。

在反思中提高

日子一天天过，课程也在一步步推进。在不断的学习和反思中，我也和学生们一样，感到自己也在不断提升，对机器人的认识和理解逐渐深入，课堂教学也越发得心应手。

学生也在逐步成长。刚开始，只要我没调试出来的人形机器人动作，或是车型机器人路线，孩子们很难自己做出来，只有老师成功了，孩子们才会有所突破。随着时间的推移，孩子们不仅能完成老师没有调试出来的环节，还开始了自己的创新，开始摸索着把自己的设想变成现实。

“登峰杯”机器人竞赛“车型搬运”项目分为两个环节，第一个环节是将随机抽取的3个物块搬到对应颜色的区域，但由于这3个物块的颜色是随机抽取的，而且会挡在搬运的必经路线上，也就是说，很多物块在开始时是无法直接搬运的。我最初的思路是将3个物块中的2个搬运到临时区域，将路线清空，再逐个搬运。后来，孩子们发现可以先进行判断，如果有物块可以直接搬运的就直接搬运，这样一来，不仅减少了搬运时间，而且该物块运走后它所挡的路也通了，一举两得。这种方案非常好，但程序就复杂多了。经过组内讨论，组间交流，3个小组全部克服了这一难题。

到了比赛准备的后期，学生开始研究规则。竞赛项目的第二个环节，要将两个区域的共计10个物块送到最终点，但比赛要求时间越短越好。我最初的设想是逐个搬到终点，但孩子们研究规则后发现，并没有要求一个一个地搬到终点，可以先搬一个放在中间区，再把同一颜色物料一起搬过去。

初赛的结果比较理想，黄冈中学5个机器人小组全部获奖，其中1个一等奖，2个二等奖，2个三等奖，13人中有9人进入决赛。至此，结合“登峰杯”大赛来推动实施《智能机器人》选修课取得了较好的成绩。

经过一年多的探索，我们积累不少经验，孩子们也收获良多。许多学生在毕业总结时写道“选修《智能机器人》课程学到的东西真不少，3D打印、微型机床、焊接设备应有尽有，能够选到这门课真是太值了”，有的同学写道“我原以为机器人多么高深多么神秘，经过学习，发现其实并没有想象中那么高不可攀”，还有的同学写道“机器人课真是太有趣了，为我打开了一扇新的大门，我想我今后会继续从事相关的专业和学习”。

（责任编辑 徐世兵）endprint