利用Micro:bit进行轮式机器人的设计与制作

Micro：bit是近年来被很多中小学学生和科技教师青睐的一款控制器，以其体积小、集成度高、操作简单等优势迅速在校内普及。将Micro：bit控制器结合相应的拓展板能够完成很多项目的制作。本文中，以轮式机器人的设计与制作为例，向大家介绍基于Micro：bit控制板的项目式学习。

项目背景

轮式机器人是机器人领域中非常经典和常见的一种机器人，很多同学接触和学习机器人知识都是以轮式机器人作为开端的。与此同时，在日常生活中的生产、运输中用到的机器人也都采用轮式移动的方式。我国设计制造的“玉兔号”系列月球车，也属于轮式移动机器人。在教学中，向学生介绍“玉兔号”月球车的基本原理及背后的科研故事，培养树立学生正确的价值观，激发学生学习本项目的热情。

项目目标

本项目是一个综合性的设计与制作项目，需要学生综合运用自己所学的各学科领域知识进行方案设计、问题解决，最终达到预期目标。本项目的具体目标如下：①通过移动机器人的设计与制作掌握计算机辅助设计软件的应用，并使用激光切割机完成零件加工;②以移动机器人为载体，学习并运用基础程序设计方法完成预设任务;③运用工程思维，对小组的方案设计进行权衡比较，最终确定最优方案;④在项目制作过程中，增强学生团队合作意识。

项目简介

在此项目中，学生设计的轮式机器人要完成一些既定任务。从机器人的结构设计、程序设计、材料选择等不同方面以目标为导向，完成机器人的制作，并在场地中完成测试。

本项目中预设的任务主要有：①从起点出发，机器人能够通过坡度为30°左右的坡面;②通过坡面后，机器人完成绕标（2个障碍物）任务;③机器人要通过一系列崎岖不平的路面;④3个任务都完成后，用时较少的队伍获得优胜。

实施过程

项目制作过程中，依托工程设计周期的项目制作环节，培养学生核心素养全面发展。

创设情境，激发学习热情，明确项目目标

高中学生在逻辑思维能力上和动手实践上有很好的基础，学生已经对机器人的基础知识有了初步了解，能够了解机器人系统中各个子系统的功能及主要组成，学生喜欢参与项目式学习，并期待能够在与同学的合作下完成作品。基于对学生情况的简单分析，首先要通过一些学生感兴趣的话题，激发学生参与项目学习的热情。近年来，我国在探月工程中取得了巨大成就，“玉兔1号”和“玉兔2号”月球车先后在月球表面着陆，创造了一项又一项领先世界的纪录。今年5月22日，“祝融号”火星车也安全驶离着陆平台，开启了火星探索之旅。这些令人振奋的科研成果都能够极大程度地激发学生的民族自豪感，以此明确本项目的主题容易引起学生共鸣，激发学生参与项目的热情。在项目的导入环节，通过月球车和火星车的介绍，引出本项目的具体目标。

依据项目目标，查阅相关资料，形成初步方案

在项目的导入环节，明确要完成的项目目标（爬坡、绕标、越障）。学生以组为单位，以目标为导向，利用互联网查阅相关资料，形成初步设计方案。在获取资料的过程中，要明确达成目标所需的结构、材料等。经过对任务的理解和自己所学机器人基础知识的运用，分析权衡后得出自己认为较为合理的方案。

小组内讨论，确定最终方案

前期每个同学根据自己对任务的理解，形成了自己的方案。接下来，再以小组为单位完成最终方案的确定。在查阅资料的过程中，每个同学都有自己的关注点。比如，有的同学更多关注如何更好地跨越障碍物;有的同学则希望增加机器人的灵活性、机动性，更快地完成绕标任务;有的同学考虑使用摩擦力更大的轮子提升机器人运行过程中的抓地力，从而顺利爬坡如此，在确定小组最终方案前，需要经过大家的充分讨论，结合项目制作的时间、材料等客观情况，确定一个最适合的方案。

依据方案完成项目制作，遇到问题及时调整

按照各小组确定的方案及人员分工，经历零件加工、组装调试、程序设计等几个环节，完成移动机器人模型的制作。具体环节有：①学生根据小组讨论确定的设计方案，使用计算机绘图软件完成各部分零件的设计;②根据设计图纸，使用激光切割或者3D打印等加工设备完成零件加工;③将加工好的零件进行处理，将处理好的零件与标准件进行装配;④完成机器人结构组装之后，使用BXY编程软件对Micro：bit控制板进行程序设计，经过调试，保证机器人能够正常移动。软件中有较为丰富的库文件，通过调用库文件可以实现对直流电机、舵机等输出设备的控制。

在此过程中，尽管已经有了明确的制作方案，但还会出现一些意想不到的突发问题，需要小组成员共同思考解决，及时调整方案。例如，有的小组为了追求机器人的快速移动，选择了转速较快的电机，但在实践过程中发现，机器人移动速度过快不好控制，经常会碰撞障碍物，导致任务失败。经过大家讨论，采用齿轮变速的方案降低机器人的移动速度。

任务测试，提出更优的改进方案

任何设计都不是完美的，在测试中还会出现一些问题，需要进一步迭代、改进。学生将制作完成的机器人在场地上进行测试，按照评价标准从灵活性、越障能力、爬坡能力等几个方面对机器人进行评价。及时发现各组方案设计的优势与不足，并能够根据不足提出适当的解决方案，对设计进行优化。在此过程中，学生能够反思自己在设计和制作过程中的不足与问题，其实也是一个增长经验的过程，更是一个知识、能力内化的过程。不断地发现问题、提出解决方案，使得学生的项目制作水平能够不断提高。

组间进行交流，分享自己的成功经验

项目制作过程中，每个小组都有自己的设计思路，也都形成了一定的制作经验。此交流环节中，邀请每个小组的学生进行分享，分享自己在设计制作过程中的成功经验，让更多的同学能够有所借鉴，共同提高。

总结与反思

突出以学生为主体的学习过程

本项目教学始终本着以学生为主体的教学理念，从最初发布任务到学生自主设计解决方案，再到学生设计制作模型，自主在场地上完成模型测试，最后总结机器人的优势与不足。教学的各个环节充分体现了学生的主体地位，教师则是教学的引导者，通过设计活动和问题激发学生的思考。

以我國科研成果为项目导入，培养学生正确价值观

本项目教学的引入以我国“玉兔号”月球车为例，介绍移动机器人的特点，载体选择考究，既能让学生了解移动机器人的特点，又能让学生感受到我国强大的科研实力。在模型制作和调试过程中，让学生感受科学研究的不易，引导他们形成正确的价值观。

以机器人为载体，培养学生人工智能意识

人工智能正在逐渐走进我们的生活，本项目以移动式机器人的设计和制作为主线，让学生在制作中学习人工智能相关知识。学生经历体验、思考、实践、探究等几个环节和过程，实现与人工智能技术的亲密接触。在未来的项目拓展中，可以增加更多人工智能技术的运用。比如，在机器人上增加摄像头，通过图像识别技术引导机器人完成标签识别、面部识别等经典人工智能的功能。

总而言之，移动机器人制作项目是一个综合运用知识与技能的项目。通过这样一个项目的制作，为学生创造学以致用的机会，更加深刻地让学生理解知识的学习不能停留在其表面，更要理解如何灵活运用知识解决问题。