在創客教育中引入智能工程機器人

莊超

隨著科學技術的不斷進步，教育理念也在不斷更新。創客教育模式正在中小學開展，機器人的普及與實施促進了創客教育的蓬勃發展。本文結合學校的幾臺工程機器人，介紹以機器人為學習工具，提高學生動腦動手的能力，培養學生創新的意識。

一、了解概念

（一）創客教育的引入

創客教育融合了多個領域的知識，意在培養學生創新、創意等方面所需要的能力，是學生在實踐中學習、實踐中培養思維的一種教育方式。小學生由于年齡的特點，想象力、創造力更加豐富，他們迫切需要一種可以發揮想象力、可以通過動手研究實現自我的渠道。創客教育的引入剛好可以滿足學生這種需要，因此在小學中逐步受到認可。機器人屬于創客教育的重要器材，近年來也開展得相對集中，由于不受年齡限制，可以以課程化開展。

（二）智能工程機器人參加競賽

通過智能工程機器人為載體模擬實際建筑工地搬運貨物的過程，讓機器人自主完成搬運、吊運貨物的任務。通過兩項任務的結合，模擬搬運、吊車運動中機械的真實運行過程，體驗編程過程中的樂趣。其中搬運車和塔吊都需要學生用螺絲刀一個一個去安裝，繞線環節的細節直接影響速度和結果，這極大鍛煉了學生的團隊合作能力，也考驗了學生的意志，培養了嚴謹性。

（三）智能工程機器人的規則設置

比賽模擬一個情境：一輛自主移動搬運的機器人，要將固定的建筑材料從一個材料倉庫轉移到固定的位置上，另一輛塔吊機器人將建筑材料吊到建筑臺上的某位置，供建筑工人使用。比賽場地是一個大型建筑工地，包含幾個材料倉庫、一些黑色的柏油道路、三個送貨點及一個作業區。

當比賽裁判發出“開始”的指令后，智能工程機器開始比賽。完成的比賽進程有：工程搬運機器人從開始位置出發，循線行駛到指定的倉庫取出指定的材料，并準確地將其放入1—3號送貨點;另一輛塔吊機器人將建筑材料放到作業區，供建筑工人使用。裁判會觀察評估取放貨物的數量和精確度，并記錄從出發到結束，機器人的運行狀態，以及兩臺機器人的銜接情況;評估完成動作能力等。

二、智能工程機器人的任務解析

（一）機器人要求

參賽機器人的主體部分能夠放入一個350mm×380mm的區域內即可（高度不超過800mm，懸空部分不超過700mm×700mm）。

（二）比賽時間規定

正式比賽開始前，由裁判現場抽取機器人收取貨物的位置，抽取完取貨點后，參賽選手有75分鐘的硬件調試、程序編寫及場地測試時間，過時視為自動放棄。調試時間結束后，按照抽簽順序開始正式比賽，到時不能參加比賽的隊伍視為自動放棄比賽機會。（具體調試時間與比賽時間會根據實際的比賽安排略微調整。）每隊有2次比賽機會，選取成績好的一次作為最終比賽成績。場地比賽完后到答辯區域答辯，完成本次賽事。

（三）比賽要求

在參加比賽之前，需要將機器人的電源電量、傳感器和驅動等調試到位（比賽中一些器材禁止使用，比如，電烙鐵、電鉆等工具）。進場后前10分鐘為選手準備時間，比賽開始，裁判會發出比賽正式開始通知，選手在各個對應位置開始進行硬件調試、程序編寫及場地測試后，完成比賽規定的任務動作。比賽過程中不允許外出。進場前務必核實零部件完好齊全。

三、搭建與編程

智能工程機器人的比賽，主要完成機器人的搭建與編程。在每一個環節中，都有學生需要動手動腦的地方，尤其在編程中，不同的思考方式、不同的方案就是一種創新。筆者根據機器人的特點和小學生的認知能力，在教學中將任務分成兩大塊。

第一塊的內容：機器人主要由搬運車和塔吊兩部分組成。因此，在實際教學中，可以將其歸為硬件類。硬件類需要學生通過基本的螺絲刀等工具去動手組裝。根據學情，我將搬運車的任務分成四個課時共49步驟。塔吊任務分成五個課時共87步驟。

第二塊的內容：這部分主要是軟件的學習。這套機器人采用開源的電子板，在編程方面主要是C語言的編譯。考慮到小學生在編程方面的薄弱學情，結合任務的賽圖，將程序以樸實的語言解釋給學生聽，讓學生看著任務圖就能知道具體需要編程的步驟。這樣，在潛移默化中學生就能掌握基本的編程步驟，了解編程的思想。

四、創客教育的創新探索

智能工程機器人綜合了信息技術、電子技術、控制技術等多個領域。如何將智能工程機器人完整地搭建好，這對學生來說具有一定的難度。學生通過自主探究、小組合作，在搭建的過程中去解決各種困難。這樣可以在實踐的過程中，培養學生的動手能力，提高解決問題的能力。智能工程機器人課程的實施，為學生提供了全面接觸、學習信息科技的機會，有利于中小學生信息素養、想象力、創造力的全面提高。

智能工程機器人實際上是多種器材的搭建，學生在設計創新上有想象的空間。但是，每種機器人都有自己的特點，我們可以適當拓寬一些機器人知識，來幫助學生提高解決問題的能力，積累更豐富的經驗。

目前，機器人在學校的教育裝備中占有一定的比重。而在日常的教學當中，更多的是機械性地完成任務，重復地完成一些組裝，沒有上升到更高的理論層次。通過創客教育的深入學習，在課程的設置上，在課程模式的探究下，學生知道問題是什么，如何去解決問題。在這樣的思維訓練下，學生可以自主探究解決問題的辦法。長此以往，學生可以更多地了解最新的創客教育動向，幫助學生掌握解決問題的方法。通過這些方法，幫助他們解決生活中的實際問題。