机器人模块化编程教学的探索与实践
作者：毛敏 雷欢 雷黎智 何飞雄 何康 沈忱
来源：《科技视界》2020年第18期
        摘 要
        针对目前机器人教育存在着众多的问题现状，本文提出以模块化机器人编程教学来推进适合于机器人教育的解决方案，并分析其控制原理与优势所在。根据学生认知发展规律，构建出模块化机器人教学课程设计，从课程的基本框架、设计模块及理论基础进行探索。最后，通过具体实践验证了该课程能提高学生的动手实践能力、计算思维及创新思维。
        关键词
        机器人;模块化;编程教学;课程设计
        中图分类号： TP242 ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 文献标识码： A
        DOI：10.19694/jki.issn2095-2457 . 2020 . 18 . 71
        0 引言
        随着近年来人工智能技术的不断发展，机器人教育正逐步走进课堂，这不仅让广大青少年开拓了视野、激发学习兴趣，也能培养团队协作意识、系统性思维与创新实践能力等[1]。
        然而，目前机器人教育面临教育理论体系不完善、师资力量薄弱，城乡发展失衡及教育机器人标准不统一等困。由于日常生活中很难接触到机器人，大多数学生对机器人概念的理解仅仅停留于表面。在此背景下，本文针对当前现状，进行面向于青少年的模块化编程教学的相关探索与教学实践，图形化编程模式得到应用。
        1 机器人教学问题解决方案与推进策略
        1.1 模块化机器人控制原理及优势所在
        对于一个完整的机器人控制系统，由主控制器、软件（包括控制机器人运行的动作指令及上位机编程系统）以及硬件（包括机械执行系统与各传感器检测模块等）等设备构成[2]。
        其中，传感器检测模块作为机器人行为感知系统，能感知外界环境的各类信息，并传输到主控制器信号输入端;作为执行者的机械执行系统通过各模块零件的拼接或脱离构建出各式各样的机械构型来执行不同的任务，其构型设计决定着机器人的动作执行，环境适应性较强;模块化机器人各基本功能取决于上述硬件系统与机械构型设计，控制指令通过图形化编程系统实现，通过设置各模块控制参数，并编译类C代码，生成可执行文件下载到主控制器中。最后，以传感器返回参数作为控制条件，机械执行系统执行动作，模块化机器人的软硬件实现深度融合。
        模块化机器人教育，具有成本低、便于推广、采用即插即用的开放式结构，易于形成一致的技术标准，规范市场;较强的柔顺性与容错性，便于构造出不同类型的机器人、快速培养能胜任教学的师资队伍及开放性与可扩展性，能构建符合认知发展规律的教育体系。
        1.2 针对高中阶段对应的模块化机器人教学策略
        作为一类特殊的机器人，应以学生的认知发展规律为基础，高中生辩证逻辑思维开始快速发展，但水平仍低于形式逻辑思维。因此，推进策略应是要求高中生理解常规机械传动结构和微机原理，制作简易机器人;并学会利用相应计算机语言完成简易程序编写和烧录[3]。学生通过不断调试，既完成任务，也提升自身动手实践能力。
        2 构建模块化机器人教学课程设计
        模块化机器人教学内容从易到难，循序渐进，不仅有动手实践内容，也有强调机械、电子与计算机等理论知识的学习，注重学生全面可持续发展。根据认知发展特点，制定对应的教学内容，激发学生或团队创造潜能，培养动手实践能力、计算思维及创新思维等[4]。
        2.1 课程设计目的
        目前对“基于模块化教育机器人的课程体系”的开发，我国尚未完整提出，本文提出该设计主要是为了培养计算思维、动手实践及拓展创新等能力。通过简易機器人的拼接制作、侧重程序三大基本结构的理解、巡线和避障等进行教学，编程过程尽可能的可视化与简洁化。
        2.2 课程整体设计
        本文课程理论框架分为初级、中级、高级三阶段。其中，在初级阶段依据机器人模型图样，学生以个人或小组为单位根据应用需求将机器人拼接制作完成，用情节导入方式讲授程序设计的三大基本结构;中级阶段将熟悉的初级规则、高级规则进行组合，学生对于程序的认知技能与动作技能逐渐增长，基本能应用机器人来解决问题，该阶段侧重巡线与避障程序的设计与应用;高级阶段主要以竞赛为主，培养学生的动手实践、自我思考及创新能力，学生通过具体情境自我尝试、自我创造及自我设计以实现拓展创新。
        总之，课程总框架是一个螺旋式扩散过程：在广度上，学生从中学会利用所学知识解决实际问题;在深度上，各阶段层层递进，在巩固前一阶段的基础上进一步加深对知识点难度，更注重计算思维、动手实践及拓展创新等能力的培养。
        2.3 课程模块设计
        （1）初级阶段是课程的基础，为符合身心发展水平，并非直接讲授程序、原理知识，而是采用故事概述方式，让学生通过故事情境、实际动手操作、建构完善的体系来表征应用，使学生主动思考，明白其中概念与原理。该阶段主要锻炼学生的动手实践能力、编程思维，促进技能与知识的双向发展。
        （2）中级阶段课程进一步拓展，在回顾初级阶段旧知识基础上开启中级阶段学习。该阶段强调动手实践与计算思维的进一步培养，在设计环节引导学生设计任务解决流程图，使程序思维明朗化，提高解决问题的能力。同时，以螺旋式展开教学，以源代码程序作为参考，给予学生与教师及时的反馈。在此基础上，学生对机械结构、程序认知技能与动作技能逐渐增长，发展成为可应用机器人解决问题的高素质者[5]。
模块化教学        （3）高级阶段属于开放型阶段，正是这种不固定性更加凸显学生拓展创新和动手实践能力。本阶段采用自主探究的模式。
        3 机器人模块化编程教学具体实践案例分析
        本次教学案例分析采用上海未来伙伴机器人有限公司的能力风暴机器人系列，硬件机械执行系统采用积木拼接方式，即插即用;用图形化界面进行编程，教学面向普通高中一年级学生。在课程中，以生活中的实际问题，如发射卫星过程，激发学生兴趣，让学生知道要做什么、解决什么问题。通过模拟生活的真实情境导入，学生开始以两人为单位作为一个小组进行模型的拼接。随着问题产生、问题探究及问题解决，在教学过程中分阶段进行教学，在不同环节设置不同程度的问题，帮助学生思维拓展。在后续阶段学习过程中，通常具有知识回
顾的环节，该环节需教师与学生配合与互动，带领学生回顾旧知识并开启新知识的学习。同时，教师应引导学生绘制问题解决的思路流程图，学生们可通过小组讨论与集体讨论相结合的方式完成老师所布置的各项任务，学会将不同程度的问题解决思维演绎成流程图、再将流程图演绎成程序算法，让机器人代替人类去解决问题。
        下面分阶段进行案例分析：
        3.1 初级阶段
        （1）学生以小组为单位，根据解决方案搭建示例开始动手实践，将机器人与任务模型搭建完整。
        （2）模型搭建完成后，为完成本次任务，学生需开始对机器人行驶路径进行合理规划。由于场地地图中有三类路口，学生根据任务，设置合理路径，明白流程概念，并领悟程序三大基本结构。
        3.2 中级阶段
        本案例所用机器人的传感器检测模块为红外传感器，“巡线”特指让机器人沿着场地中一条固定线路（黑线）行进来完成相应任务。同时，为使机器人遇障碍物后能安全行进，需加避障效果，以顺利到达基地。初级阶段任务可培养学生动手实践与软件编程能力，为高级阶段任务完成打下坚实基础。其编程界面遵循模块图形化，对于初学者可编写流程图程序;对于有编程基础、层次较高的学生可编写JC代码程序。
        3.3 高级阶段
        学生根据初级、中级阶段的学习与巩固，开启高级阶段的竞赛与拓展创新，为了检验学习情况，设置相应的竞赛规则：（1）场地上放置有一个卫星模型，转柄竖直;（2）低难度得分：机器人使卫星升起，脱离保护架，卫星底部高于发射架（卫星最下端高于126.78°梁并保持到比赛结束），可得40分;（3）高难度得分：机器人使卫星升起，脱离保护架，并且使卫星明显转动起来（一圈以上），可得60分。为公平起见，该阶段以量化评分的方式，检验学生任务的完成情况。
        同时，在学生动手操作环节中，以因材施教方式进行，鼓励学生多动手、多实践、多提问题。在提问环节，选择合适问题让学生集体解答，从多角度、多方面引导学生，提高學生
解决问题的发散思维。在课程过程中也设置反思环节，该环节既让自我评估，也能体现出学生对本次内容的学习态度。
        综上，通过各模块环节的评估，教师既可了解学生的一般水平，以设置接下来的拓展内容，也可对学生有较为定性的评价。
        4 小结
        本次探索通过对机器人教育的现状进行分析，分析模块化机器人的控制原理及作为机器人教育载体其优势所在。在此基础上，结合的认知发展规律，构建模块化机器人的教学课程。在整个课程设计过程之中，通过总体框架设计与各阶段逐一细化的方式进行课程设计，保证了课程的整体性与连续性，问题难度也具有梯度性，并经过实践验证该课程有利于学生思维的拓展与动手实践能力的锻炼。基于模块化机器人的编程教学，有效提高学生的动手实践能力、计算思维及创新思维。
        参考文献
        [1]刘朕.普通高中开设机器人课程思考[J].科技创报，2016，13（30）：122-123.
        [2]赵子建，梁建宏，张代兵.模块化机器人图形化编程系统的开发与研究[J].机器人技术与应用，2016（01）：32-35.
        [3]黄芹，陶云，王玉金，吴昌林.中小学模块化机器人教育探究[J].现代教育技术，2018，28（07）：113-119.