機器人模塊化編程教學的探索與實踐

毛敏 雷歡 雷黎智 何飛雄 何康 沈忱

摘 要

針對目前機器人教育存在著眾多的問題現狀，本文提出以模塊化機器人編程教學來推進適合于機器人教育的解決方案，并分析其控制原理與優勢所在。根據學生認知發展規律，構建出模塊化機器人教學課程設計，從課程的基本框架、設計模塊及理論基礎進行探索。最后，通過具體實踐驗證了該課程能提高學生的動手實踐能力、計算思維及創新思維。

關鍵詞

機器人;模塊化;編程教學;課程設計

中圖分類號： TP242 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 18 . 71

0 引言

隨著近年來人工智能技術的不斷發展，機器人教育正逐步走進課堂，這不僅讓廣大青少年開拓了視野、激發學習興趣，也能培養團隊協作意識、系統性思維與創新實踐能力等[1]。

然而，目前機器人教育面臨教育理論體系不完善、師資力量薄弱，城鄉發展失衡及教育機器人標準不統一等困。由于日常生活中很難接觸到機器人，大多數學生對機器人概念的理解僅僅停留于表面。在此背景下，本文針對當前現狀，進行面向于青少年的模塊化編程教學的相關探索與教學實踐，圖形化編程模式得到應用。

1 機器人教學問題解決方案與推進策略

1.1 模塊化機器人控制原理及優勢所在

對于一個完整的機器人控制系統，由主控制器、軟件（包括控制機器人運行的動作指令及上位機編程系統）以及硬件（包括機械執行系統與各傳感器檢測模塊等）等設備構成[2]。

其中，傳感器檢測模塊作為機器人行為感知系統，能感知外界環境的各類信息，并傳輸到主控制器信號輸入端;作為執行者的機械執行系統通過各模塊零件的拼接或脫離構建出各式各樣的機械構型來執行不同的任務，其構型設計決定著機器人的動作執行，環境適應性較強;模塊化機器人各基本功能取決于上述硬件系統與機械構型設計，控制指令通過圖形化編程系統實現，通過設置各模塊控制參數，并編譯類C代碼，生成可執行文件下載到主控制器中。最后，以傳感器返回參數作為控制條件，機械執行系統執行動作，模塊化機器人的軟硬件實現深度融合。

模塊化機器人教育，具有成本低、便于推廣、采用即插即用的開放式結構，易于形成一致的技術標準，規范市場;較強的柔順性與容錯性，便于構造出不同類型的機器人、快速培養能勝任教學的師資隊伍及開放性與可擴展性，能構建符合認知發展規律的教育體系。

1.2 針對高中階段對應的模塊化機器人教學策略

作為一類特殊的機器人，應以學生的認知發展規律為基礎，高中生辯證邏輯思維開始快速發展，但水平仍低于形式邏輯思維。因此，推進策略應是要求高中生理解常規機械傳動結構和微機原理，制作簡易機器人;并學會利用相應計算機語言完成簡易程序編寫和燒錄[3]。學生通過不斷調試，既完成任務，也提升自身動手實踐能力。

2 構建模塊化機器人教學課程設計

模塊化機器人教學內容從易到難，循序漸進，不僅有動手實踐內容，也有強調機械、電子與計算機等理論知識的學習，注重學生全面可持續發展。根據認知發展特點，制定對應的教學內容，激發學生或團隊創造潛能，培養動手實踐能力、計算思維及創新思維等[4]。

2.1 課程設計目的

目前對“基于模塊化教育機器人的課程體系”的開發，我國尚未完整提出，本文提出該設計主要是為了培養計算思維、動手實踐及拓展創新等能力。通過簡易機器人的拼接制作、側重程序三大基本結構的理解、巡線和避障等進行教學，編程過程盡可能的可視化與簡潔化。

2.2 課程整體設計

本文課程理論框架分為初級、中級、高級三階段。其中，在初級階段依據機器人模型圖樣，學生以個人或小組為單位根據應用需求將機器人拼接制作完成，用情節導入方式講授程序設計的三大基本結構;中級階段將熟悉的初級規則、高級規則進行組合，學生對于程序的認知技能與動作技能逐漸增長，基本能應用機器人來解決問題，該階段側重巡線與避障程序的設計與應用;高級階段主要以競賽為主，培養學生的動手實踐、自我思考及創新能力，學生通過具體情境自我嘗試、自我創造及自我設計以實現拓展創新。

總之，課程總框架是一個螺旋式擴散過程：在廣度上，學生從中學會利用所學知識解決實際問題;在深度上，各階段層層遞進，在鞏固前一階段的基礎上進一步加深對知識點難度，更注重計算思維、動手實踐及拓展創新等能力的培養。

2.3 課程模塊設計

（1）初級階段是課程的基礎，為符合身心發展水平，并非直接講授程序、原理知識，而是采用故事概述方式，讓學生通過故事情境、實際動手操作、建構完善的體系來表征應用，使學生主動思考，明白其中概念與原理。該階段主要鍛煉學生的動手實踐能力、編程思維，促進技能與知識的雙向發展。

（2）中級階段課程進一步拓展，在回顧初級階段舊知識基礎上開啟中級階段學習。該階段強調動手實踐與計算思維的進一步培養，在設計環節引導學生設計任務解決流程圖，使程序思維明朗化，提高解決問題的能力。同時，以螺旋式展開教學，以源代碼程序作為參考，給予學生與教師及時的反饋。在此基礎上，學生對機械結構、程序認知技能與動作技能逐漸增長，發展成為可應用機器人解決問題的高素質者[5]。

（3）高級階段屬于開放型階段，正是這種不固定性更加凸顯學生拓展創新和動手實踐能力。本階段采用自主探究的模式。

3 機器人模塊化編程教學具體實踐案例分析

本次教學案例分析采用上海未來伙伴機器人有限公司的能力風暴機器人系列，硬件機械執行系統采用積木拼接方式，即插即用;用圖形化界面進行編程，教學面向普通高中一年級學生。在課程中，以生活中的實際問題，如發射衛星過程，激發學生興趣，讓學生知道要做什么、解決什么問題。通過模擬生活的真實情境導入，學生開始以兩人為單位作為一個小組進行模型的拼接。隨著問題產生、問題探究及問題解決，在教學過程中分階段進行教學，在不同環節設置不同程度的問題，幫助學生思維拓展。在后續階段學習過程中，通常具有知識回顧的環節，該環節需教師與學生配合與互動，帶領學生回顧舊知識并開啟新知識的學習。同時，教師應引導學生繪制問題解決的思路流程圖，學生們可通過小組討論與集體討論相結合的方式完成老師所布置的各項任務，學會將不同程度的問題解決思維演繹成流程圖、再將流程圖演繹成程序算法，讓機器人代替人類去解決問題。

下面分階段進行案例分析：

3.1 初級階段

（1）學生以小組為單位，根據解決方案搭建示例開始動手實踐，將機器人與任務模型搭建完整。

（2）模型搭建完成后，為完成本次任務，學生需開始對機器人行駛路徑進行合理規劃。由于場地地圖中有三類路口，學生根據任務，設置合理路徑，明白流程概念，并領悟程序三大基本結構。

3.2 中級階段

本案例所用機器人的傳感器檢測模塊為紅外傳感器，“巡線”特指讓機器人沿著場地中一條固定線路（黑線）行進來完成相應任務。同時，為使機器人遇障礙物后能安全行進，需加避障效果，以順利到達基地。初級階段任務可培養學生動手實踐與軟件編程能力，為高級階段任務完成打下堅實基礎。其編程界面遵循模塊圖形化，對于初學者可編寫流程圖程序;對于有編程基礎、層次較高的學生可編寫JC代碼程序。

3.3 高級階段

學生根據初級、中級階段的學習與鞏固，開啟高級階段的競賽與拓展創新，為了檢驗學習情況，設置相應的競賽規則：（1）場地上放置有一個衛星模型，轉柄豎直;（2）低難度得分：機器人使衛星升起，脫離保護架，衛星底部高于發射架（衛星最下端高于126.78°梁并保持到比賽結束），可得40分;（3）高難度得分：機器人使衛星升起，脫離保護架，并且使衛星明顯轉動起來（一圈以上），可得60分。為公平起見，該階段以量化評分的方式，檢驗學生任務的完成情況。

同時，在學生動手操作環節中，以因材施教方式進行，鼓勵學生多動手、多實踐、多提問題。在提問環節，選擇合適問題讓學生集體解答，從多角度、多方面引導學生，提高學生解決問題的發散思維。在課程過程中也設置反思環節，該環節既讓自我評估，也能體現出學生對本次內容的學習態度。

綜上，通過各模塊環節的評估，教師既可了解學生的一般水平，以設置接下來的拓展內容，也可對學生有較為定性的評價。

4 小結

本次探索通過對機器人教育的現狀進行分析，分析模塊化機器人的控制原理及作為機器人教育載體其優勢所在。在此基礎上，結合的認知發展規律，構建模塊化機器人的教學課程。在整個課程設計過程之中，通過總體框架設計與各階段逐一細化的方式進行課程設計，保證了課程的整體性與連續性，問題難度也具有梯度性，并經過實踐驗證該課程有利于學生思維的拓展與動手實踐能力的鍛煉?；谀K化機器人的編程教學，有效提高學生的動手實踐能力、計算思維及創新思維。

參考文獻

[1]劉朕.普通高中開設機器人課程思考[J].科技創報，2016，13（30）：122-123.

[2]趙子建，梁建宏，張代兵.模塊化機器人圖形化編程系統的開發與研究[J].機器人技術與應用，2016（01）：32-35.

[3]黃芹，陶云，王玉金，吳昌林.中小學模塊化機器人教育探究[J].現代教育技術，2018，28（07）：113-119.