聽障中小學(xué)生機(jī)器人課程教學(xué)內(nèi)容的探索
——以中鳴超級軌跡賽為例

江西省九江市特殊教育學(xué)校 周桂龍

2017年國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出要開展形式多樣的人工智能科普活動(dòng)，要在中小學(xué)階段開設(shè)人工智能的相關(guān)課程，逐步推廣編程教育。智能機(jī)器人作為人工智能的重要載體，在普通中小學(xué)開展得如火如荼，同時(shí)也深受學(xué)生的喜愛。相對于普通學(xué)校，含有聽障學(xué)生的特殊教育學(xué)校開展機(jī)器人相關(guān)活動(dòng)鮮有報(bào)道。為了讓聽障學(xué)生也能接受機(jī)器人課程的教育，在缺乏機(jī)器人課程教材的情況下如何選擇教學(xué)內(nèi)容以及如何組織教學(xué)，是急需解決的問題。

聽障中小學(xué)生機(jī)器人課程現(xiàn)狀

缺少課程標(biāo)準(zhǔn)。課程標(biāo)準(zhǔn)是選擇課程內(nèi)容、實(shí)施課程教學(xué)、開發(fā)教學(xué)材料、進(jìn)行課程評價(jià)和管理的依據(jù)。比較遺憾的是在2016年《聾校義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)》中，還沒有信息技術(shù)課程的課程標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)內(nèi)容。2017年9月，教育部印發(fā)的《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》專門推薦了信息技術(shù)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，并為人工智能設(shè)計(jì)了25個(gè)相關(guān)的主題活動(dòng)。

缺少教材。2010年9月，由人民教育出版社出版的義務(wù)教育階段教科書《信息技術(shù)》九年級下冊第2章“智能機(jī)器人初步”中有介紹智能機(jī)器人和制作智能機(jī)器人相關(guān)內(nèi)容。近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展、教育理念的更新以及社會(huì)對人才需求的變化，10年前的教材中關(guān)于機(jī)器人的內(nèi)容難以滿足學(xué)生日益發(fā)展的需要。找到適合聽障學(xué)生的機(jī)器人相關(guān)教學(xué)內(nèi)容就顯得尤為迫切。

聽障中小學(xué)生機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容探索

一、總體思路

機(jī)器人課程在教學(xué)內(nèi)容安排上遵循學(xué)生認(rèn)識事物的基本規(guī)律，從簡單到復(fù)雜，從具體到抽象，從實(shí)踐到理論再到實(shí)踐。在教學(xué)內(nèi)容安排上先介紹機(jī)器人背景知識，再以中鳴超級軌跡機(jī)器人為載體，安排機(jī)器人相關(guān)的硬件知識、軟件知識以及競賽知識學(xué)習(xí)。

二、教學(xué)內(nèi)容安排

1.背景知識

機(jī)器人背景知識包括機(jī)器人的誕生、發(fā)展、種類、應(yīng)用、結(jié)構(gòu)，以及機(jī)器人與人工智能之間的關(guān)系等。

2.硬件相關(guān)知識

機(jī)器人硬件決定著機(jī)器人的性能，是機(jī)器人軟件賴以生存的載體。以中鳴超級軌跡賽為例，其硬件主要包括以下幾部分：E3-RCU（模塊控制單元）、傳感器（包含光電傳感器、觸碰傳感器、超聲測距傳感器）、馬達(dá)（高速馬達(dá)、低速馬達(dá)）、輪胎、齒輪以及其他結(jié)構(gòu)件。其中E3-RCU是機(jī)器人硬件的核心，也是教學(xué)的重難點(diǎn)，需要學(xué)生熟練掌握E3-RCU的各個(gè)端口用途以及各個(gè)按鈕的功能。例如M1-M4端口用于連接馬達(dá)；P1-P8連接傳感器；Download為下載軟件按鈕；Power為電源按鈕；Run為運(yùn)行按鈕。此外E3-RCU里面的顯示屏幕，須重點(diǎn)關(guān)注“程序選擇”“光電”“編碼器”“馬達(dá)”等功能，為后面編寫軟件、調(diào)試軟件、運(yùn)行軟件做鋪墊。

教學(xué)形成上可以考慮項(xiàng)目活動(dòng)式教學(xué)，一是組織學(xué)生認(rèn)識機(jī)器人，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)機(jī)器人各個(gè)硬件的功能，結(jié)合學(xué)生比較熟悉的人體結(jié)構(gòu)談?wù)剻C(jī)器人的結(jié)構(gòu)與人體結(jié)構(gòu)差異；二是組織搭建機(jī)器人活動(dòng)，前期教師可以提供簡單的只含有控制器、馬達(dá)、車輪和機(jī)構(gòu)件的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生模仿搭建，然后對機(jī)器人進(jìn)行評價(jià)，并提出改進(jìn)建議，學(xué)生根據(jù)改進(jìn)思路進(jìn)行機(jī)器人改裝。

3.軟件相關(guān)知識

機(jī)器人軟件決定著機(jī)器人的能力，是機(jī)器人的靈魂。軟件相關(guān)知識包括軟件平臺相關(guān)知識、編程、代碼調(diào)試等。

軟件平臺。中鳴超級軌跡賽的編程軟件平臺是RoboExp，可在中鳴官網(wǎng)的“下載中心”下載，同時(shí)支持C語言和圖形化編程兩種編程方式。對于聽障學(xué)生，建議采用圖形化編程方式。軟件平臺RoboExp相關(guān)內(nèi)容包括RoboExp下載和安裝、平臺軟件類型設(shè)置、軟件平臺界面等，例如如何拖動(dòng)功能模塊、如何連線、如何編譯、如何下載、平臺界面的功能區(qū)域總體介紹等。

這部分內(nèi)容建議以編程為主線穿插介紹。初次講編程時(shí)，可以讓學(xué)生自己上網(wǎng)搜索RoboExp軟件并下載安裝，學(xué)生根據(jù)機(jī)器人類型來設(shè)置軟件類型。在講解巡線相關(guān)模塊時(shí)，由學(xué)生動(dòng)手拖動(dòng)功能模塊圖標(biāo)，更改參數(shù)、連線、編譯、下載等。在講解子程序時(shí)，根據(jù)需要講解if、while、for等操作。

編碼。廠家將控制機(jī)器人如何行走進(jìn)行了模塊封裝，根據(jù)其提供的基礎(chǔ)子模塊進(jìn)行編程，可以完成超級軌跡賽巡線任務(wù)。子模塊包括無線行走：“走距離”；有線行走：“巡線距離”“遇線停止”；拐彎：“左轉(zhuǎn)”“右轉(zhuǎn)”“自定義轉(zhuǎn)彎”等。這部分教學(xué)除了需要讓學(xué)生掌握每個(gè)子功能外，還需要理解每個(gè)子功能的參數(shù)，以及適用場景。

圖1是2021年江西省中小學(xué)機(jī)器人競賽中鳴超級軌跡賽地圖，可以根據(jù)教學(xué)進(jìn)度在地圖上設(shè)置起點(diǎn)和終點(diǎn)，讓學(xué)生用子模塊編程，并精確控制機(jī)器人從起點(diǎn)到終點(diǎn)。伴隨著學(xué)生編程技能提升，起點(diǎn)和終點(diǎn)的距離可以加大。為了增加難度，可以用黑色的絕緣膠布連接地圖上的兩條線。為了增加趣味性，可以開展小型競賽，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成編程，比賽時(shí)機(jī)器人從起點(diǎn)到終點(diǎn)花費(fèi)的時(shí)間最少為勝。

圖1 2021年江西省中小學(xué)機(jī)器人競賽中鳴超級軌跡賽地圖

調(diào)試技術(shù)。調(diào)試技術(shù)分為兩部分，一是編譯過程中的問題調(diào)試，指出現(xiàn)編譯錯(cuò)誤時(shí)如何分析和解決問題；另一部分是程序加載到機(jī)器人后，在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的一切問題調(diào)試。

編譯過程中的問題，軟件平臺一般會(huì)給出提示，例如在使用“遇線停止”子模塊時(shí)，沒有給子模塊參數(shù)賦值，RoboExp就會(huì)給出“子程序的參數(shù)不完整”的提示。如在使用控制流程中的“if、while、for”時(shí)，如果連線沒有連結(jié)束標(biāo)識，那“if、while、for”起始標(biāo)志后的代碼都呈現(xiàn)灰色。

對于運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題，其定位難度與所寫的代碼以及完成的功能的復(fù)雜程度相關(guān)。這部分問題產(chǎn)生的原因有很多，有硬件問題導(dǎo)致的、軟件邏輯錯(cuò)誤導(dǎo)致的、子程序使用不當(dāng)導(dǎo)致的，甚至還會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)正確的部分代碼合在一起卻出現(xiàn)問題的。針對調(diào)試運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題總體來說要遵循一個(gè)原則，就是逐步縮小問題范圍并最終確定問題根源，再采取相應(yīng)的措施。

調(diào)試技術(shù)的教學(xué)，前期建議以演示為主，等學(xué)生掌握了排查方法后，再由學(xué)生自主地去分析問題、尋找原因并解決問題。學(xué)生最初接觸機(jī)器人時(shí)，遇到問題可能束手無策，為了避免學(xué)生產(chǎn)生畏難心理，教師可以提前收集或者制造一些問題，課堂上帶領(lǐng)學(xué)生一起分析和討論，并總結(jié)出問題定位的基本方法，即從猜測到驗(yàn)證，再猜測到再驗(yàn)證的一系列過程。

4.競賽相關(guān)內(nèi)容

機(jī)器人競賽包括兩部分內(nèi)容，一是競賽任務(wù)，即競賽中需要完成哪些任務(wù)，以及每個(gè)任務(wù)對應(yīng)的分值情況；二是競賽規(guī)則，競賽的調(diào)試時(shí)間、比賽時(shí)間、任務(wù)與任務(wù)間的順序要求、競賽時(shí)是否允許重復(fù)啟動(dòng)等。

2021年第二十屆江西省學(xué)生信息素養(yǎng)提升實(shí)踐活動(dòng)中超級軌跡賽的競賽主題是星際探索，其任務(wù)包括“順利起航”“航道”“勝利會(huì)師”這三項(xiàng)基礎(chǔ)任務(wù)，“建立先鋒基地”“架設(shè)通訊站”“發(fā)射先鋒探測器”“采集耀晶礦”“提煉暗物質(zhì)”“開啟時(shí)空門”這六項(xiàng)可選任務(wù)以及附加任務(wù)“共建新家園”。其競賽規(guī)則比較多，也比較細(xì)致具體。有對機(jī)器人數(shù)量和結(jié)構(gòu)的限制，如機(jī)器人數(shù)量為2個(gè)，尺寸不超過30cm×30cm×30cm，每臺機(jī)器人只能用一個(gè)控制器；有對參賽時(shí)搭建和編程時(shí)間的限制，第一輪為90分鐘，第二輪為30分鐘；有對比賽時(shí)間的限制，單輪比賽時(shí)間為150秒；也有對任務(wù)失敗的規(guī)定，如機(jī)器人做任務(wù)失敗或者脫線即被認(rèn)定為失敗。

機(jī)器人競賽為機(jī)器人教學(xué)提供了很好的教學(xué)素材，也為聽障學(xué)生提供了與普通學(xué)生同臺競技的平臺。教學(xué)中以實(shí)踐操作為主，以項(xiàng)目主題的形式來開展。具體可以從以下幾個(gè)主題開展：（1）搭建競賽機(jī)器人。不但要求機(jī)器人結(jié)構(gòu)能夠完成競賽的所有可選任務(wù)和附加任務(wù)，還要求結(jié)構(gòu)盡量簡單化，機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸在競賽規(guī)則的范圍之內(nèi)。（2）競賽機(jī)器人拆裝。競賽時(shí)要求機(jī)器人散件進(jìn)場，而搭建和編程調(diào)試時(shí)間只有90分鐘（有時(shí)是60分鐘），搭建速度快慢直接影響到后續(xù)的編程調(diào)試時(shí)間，甚至?xí)绊懙奖荣惓煽儭＃?）機(jī)器人做任務(wù)。可以按照競賽任務(wù)細(xì)分成多個(gè)子主題，例如“建立先鋒基地”“架設(shè)通訊站”。單個(gè)的任務(wù)熟練后，可以根據(jù)實(shí)際情況逐漸增加難度，一次主題安排多個(gè)任務(wù)。（4）小組競賽。根據(jù)學(xué)生人數(shù)將學(xué)生分成幾組，完全按照競賽規(guī)則要求進(jìn)行小組內(nèi)競賽。每次內(nèi)部競賽結(jié)束需要讓學(xué)生總結(jié)不足，教師也需要在學(xué)生小組競賽時(shí)觀察出現(xiàn)的問題，并在下次課程中一并討論總結(jié)。

2018年教育部發(fā)布的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》提出要加強(qiáng)學(xué)生信息素養(yǎng)培育，聽障學(xué)生作為中小學(xué)中的一員，其信息素養(yǎng)的提升同樣也刻不容緩。為了讓聽障學(xué)生將來能夠適應(yīng)信息時(shí)代、智能時(shí)代發(fā)展需要，特殊學(xué)校因地制宜地開設(shè)機(jī)器人課程顯得尤為必要。