“城市.教育.科普”科技教育国际论坛交流论文·“机器人设计与制作项目”实践带来的启示
机器人设计与制作项目在中小学中开展（此处所指的机器人是较为简单的智能机器人），虽然是近几年才出现在我国基础教育界的新情况，但是发展迅速，尤其是机器人课堂教学系列产品的飞跃发展能使学生们有机会走进奇妙的机器人世界。在国外如美国、欧洲主要国家已逐渐在低年级开始推广机器人设计与制作的教育活动；在我国正逐渐推广，官方和民间组织了各类智能机器人中小学生大赛；目前上海市许多重点中学已经进行了多年实践，部分普通中学也在机器人设计与制作活动中崭露头角。在2004年9月笔者所在的学校（中学）也引进本项目，组织学生探索实践。
一、以学校探索实践为例，简要介绍机器人设计与制作项目的开展。
（一）、学校开展机器人设计与制作项目的现状。
1、参加机器人设计与制作项目学生和指导教师的情况。
学校在2004年9月成立了机器人DIY社团，在拓展型（社团活动课、自主选修课）和研究型课程中开展活动，共有高一、高二学生30多人自愿参加，指导教师由2名信息科技教师担任。
2、学校选用乐高机器人产品支持机器人设计与制作项目。
在开展项目前，暑期学校花了2个多月的时间，比较了市场上各类品牌的机器人设计、制作教育用产品，如德国慧鱼、南京紫光科教、广州双龙、上海广茂达、西觅亚乐高等，可以说所有的产品都不错。但最后根据学校实际，挑选了乐高产品，主要原因是：可编程乐高机器人系统是一种优秀的科技教育产品，这一独创性的教育产品将模型搭建（可重复使用）与计算机编程有效地结合在一起；它的特点有：一是通过可编程乐高机器人核心——RCX微型电脑，搭建智能机器人模型；二是通过现代图形化的编程语言来编写程序，控制机器人的行动；三是能提高学生设计、工程及使用计算机的技巧，融学习机械、电子、科学、技术及数学和电脑编程等多学科知识于一体。[1]其次是因为目前上海市已经开展机器人设计与制作项目并进入成熟阶段的学校选用乐高产品的比较多。
3、使用乐高机器人教育器材设计、制作机器人的基本过程。[2]
第一步：根据需求，设计、搭建机器人。
先做设计的需求分析，要机器人做什么？然后根据设计的需求，初步搭建以RCX微型电脑为核心，选用各种传感器、连接配件组成的机器人。RCX微型电脑是乐高机器人系统的核心部分。RCX根据编写的程序，通过各种输入（传感器）与输出（马达与灯等）对周围环境作出响应。传感器可供选择的类型非常多，如有触动传感器、光电传感器、温度传感器、角度传感器等。连接配件设计的也比较巧妙，使用塑料凹凸搭扣。
第二步：在普通计算机上为设计的机器人编写程序。
为机器人编写控制程序的软件ROBOLAB，是一个简单、直观、易学的图形化编程环境。而且具有所有通用编程环境，如C/C++或VB等软件的功能。在普通计算机上为机器人编写好程序，程序一旦下载到设计的机器人的核心部件RCX微型电脑后，机器人就可自己根据RCX内存储的程序指令，按照周围环境的输入信息来作出判断，决定下一步如何行动，完全智能化。当然，如果机器人未按预先设计的行动，即程序编写不够完善时，可以在计算机上修改原程序，再下载运行机器人进行测试，直到机器人完全按要求工作为止。
第三步：下载编制好的程序到RCX微型电脑中去。
设计好的机器人，通过它的核心部件RCX，接受计算机通过外部设部红外发射仪发射来的信息，完成下载程序的过程。也就是在普通计算机上编写好的编程，通过与计算机串口、USB口相连的红外发射仪下载到RCX。红外发射仪与RCX通过无线红外方式通信。
第四步：启动机器人运行程序，测试机器人是否按预期设计的工作。
打开机器人上RCX运行开关，机器人自动运行程序，马上知道机器人是否按设计的行动。如果机器人没有按要求的做，那么可通过检查机器人搭建及程序编写是否正确来修正错误。
4、学校使用的乐高机器人产品简要清单。
学校出资近6万元购买的乐高机器人产品，乐高机器人的价格在同类产品中偏高，具体购买的产品有：4套新团队挑战套装、10套机器人核心套装、2可再生能源套装、2套控制实验室套装、2套简单动力机械组合、2套机器人备件套装、1套装饰备件套装、1套Robolab软件（网络版）、1套FLL比赛器材，基本满足20人左右小组同时活动的需求。
5、项目配套实验室和相关设施的状况。
学校配置了一间
6、学生参加项目基本活动情况。
通过一年的实践，发现如要进行机器人高层次制作，如开发新功能，挖掘创新点，则对学生的要求较高，要具备一定的创新能力，以及扎实的物理、数学基础知识。如果仅仅是按照基本教程模仿制作，或略作改进开发，则都比较简单，只要具备一定的动手能力即可。目前参加活动的学生都已经掌握核心套餐的使用，能制作出各类基础智能机器人，部分优秀学生学会了开发新品、大胆创新设计，取得了不错的成果，如在唯一参加的两项市级机器人大赛上：04年12月举行的上海市第六届电脑作品展机器人大赛中制作的搜索机器人获得一等奖、跳舞机器人获得三等奖；05年1月上海市FLL机器人大赛中学校代表队获得优胜奖。
（二）、学校开展机器人设计与制作项目暂存的问题。
1、教室小，布局较简陋。
目前机器人实验室只是参加机器人DIY社团等为数不多的学生使用。要进一步发展，扩大规模，如将项目纳入到学校限定选修课程，整班同学使用后，机器人实验室就过于狭小。另一方面由于机器人实验室没有经过任何装修，无法突出高科技项目的氛围。
2、师资弱，指导力量不足。
目前由两位信息科技教师共同指导机器人实验项目，但该项目除了涉及计算机编程知识，还涉及到大量的物理知识。信息科技教师的物理知识略显不足，所以最佳的配置是信息科技教师和物理教师的组合。当然，如果要求今后整班开课，师资力量就更显不足。
3、起步晚，教师和学生视野狭窄。
由于项目在其他学校开展很早，学校要迎头赶上，必须要对其他学校开展的状况多一些了解，多一些外出参观、对一些教研活动，多参加一些比赛，但是除了制作机器人教育器材的公司牵头组织，学校间交流的机会并不多。
4、设备少，投入的资金不足。
一方面目前的设备只能基本满足少数学生活动和比赛的需求，如是整班参加就显不足。另一方面参加机器人比赛，除了常规项目，一些项目的设备和实施，每年都在变化，需要每年重新购买新的设备，而且相应的机器人比赛场地，也要根据开发的机器人功能、用途重新进行制作。
（三）、学校开展机器人设计与制作项目的发展计划。
1、将项目纳入到学生人人都能参加的限定选修课程中。
由于条件有限，机器人设计与制作项目不可能满足大多数同学的需求。因此计划在高一全年级开设机器人设计与制作限定选修课，每周每班至少安排一个课时。学有余力的同学继续参加机器人DIY社团，争取制作出高质量的创新机器人，积极参加各类大赛。如果开展全年级整班教学，又相应需要下列条件。
2、增加新的机器人实验室、增添新设备。
①重新再布置一间可供整班学生学习的机器人专用实验室、一间准备室，同时进行相应布置，突出机器人活动氛围。
②购买新的乐高机器人产品，满足整班上课的需求。具体设备采购清单略。
③购买参加乐高机器人产品专项竞赛设备，用于参加比赛；学校经常性制作多种比赛场地，用于比赛练习用。具体竞赛设备、场地购制清单略。
④添置新的电脑18台（教师演示1台、学生3人一组1台）。
⑤添置一台投影仪、一台实物展台、中控设备、操作台。
3、成立项目教学研究小组。
计划机器人设计与制作教学研究小组由学校5-6位信息科技和物理教师组成，集体备课、教研，区青少年活动中心派员对该研究小组进行指导，满足整班上课的需求。定期和全国、市内各级学校进行机器人设计与制作项目的教学交流。
4、向全区中小学积极示范展示，开放机器人专用实验室。
计划每周双休日向全区中小学生开放，有序组织同学参观、体验、参与机器人设计与制作项目，让更多的同学们了解机器人、接触机器人、设计机器人、制作机器人。
二、机器人设计与制作项目具有重要的教育价值。
通过学校近一年机器人设计与制作教学实践，笔者认为机器人设计与制作项目充分体现素质教育，具有重要的教育价值，同时机器人课堂教学产品作为学校教育的新装备，在我国基础教育改革中将扮演极为重要的角色。主要原因如下：
（一）、机器人技术的特性保障了机器人设计与制作项目的健康发展。
1、集成性。机器人设计与制作技术集成了许多领域的先进技术，如数理化生、信息技术、机械、电子、材料、能源、人工智能等众多领域的科学与技术知识，可以说没有任何一种技术比机器人技术更集成。[3]
2、先进性。机器人设计与制作技术是科学技术前沿研究领域之一，在高科技的科研世界中主打项目是机器人技术。从宇宙探索、地心研测、深海勘探等科技活动中无一不存在机器人技术，在我们普通人的生活中机器人技术也逐渐显现它的身影，改变着我们的生活。
3、发展性。机器人技术发展的终极目标可以说是制作出服务人类的类人机器人，要实现这个目标需要我们长时期的努力。在此发展过程中，机器人技术不断吸收众多技术领域的新发展，从而保证了机器人技术持续走在时代发展的前列。
（二）、机器人设计与制作项目学生参与性强、实践性强。
机器人设计与制作简单制作类似于搭积木，创新设计制作则富有挑战性，互动性，在课堂上能够满足学生各种层次的需求。在一年的学校实践中，同学们经常感慨道，“一进入机器人实验室就忘了时间”，“能够参加机器人活动是我的幸运”。活动就像一块大磁石一样紧紧吸引着参加的学生。同时机器人设计与制作，非常便于参加各种创新项目或比赛。足球机器人、跳舞机器人等等机器人，在大赛、展会上一亮相，就足以吸引学生的眼球。
在实践中，学习运用现代信息技术来设计真正的机器人系统，能让同学们可以完成他们想要机器人完成的工作。同学们在课堂中的整个构思、设计和开发过程俨然是实际工作和生活中的真实体验。他们就像真正的工程师一样，针对项目主题，进行研究、策划、设计、组装和测试，直至制作出真正的机器人。
（三）、机器人设计与制作项目参加的学生收获大、提高快。
设计与制作机器人的活动中，同学们不仅可以学到有关机械、电子、计算机等技术知识；更可以帮助他们培养良好的生活习惯、掌握技能，例如可以学会学生间沟通与合作的技巧、树立对他人尊重的态度、培养克服困难的毅力、合理分配时间提高利用率；有效的激发学生学习技术的兴趣，帮助学生了解自己的兴趣所在，为将来走上社会，面对新的挑战做好充分准备。
设计与制作机器人的活动中，学生整个设计制作过程是一个非常完整的自主体验实践，这一过程不仅锻炼学生分析问题、解决问题的能力，而且培养了逻辑分析能力、团队合作精神与交流能力。可以说全面培养了动手能力、创新力、综合能力、协作能力和进取精神等。
（四）、机器人设计与制作项目发展给基础教育带来的新气象。
通过近一个年的实践，事实证明机器人设计与制作项目是进行“二期课改”学科教学与科技教育有效的结合点、切入点，有利于贯彻上海市二期课改精神，是真正落实素质教育的课程，更是探索教育改革的新途径。有观点提出，从信息技术发展的角度来看，如果把上个世纪的八十年代，称为个人计算机的时代，把九十年代称为Internet飞速发展的时代，那么本世纪的第一个十年则是个人机器人的时代。[4]大胆想象，肯定在今后某一天机器人将完全取代计算机，那么在教学中信息技术肯定将被机器人技术教育所取代；既然信息技术可以带动教育跨越式发展，那么也总有一天将是机器人技术带动教育跨越式发展。为此我们总该做些什么，那就是我们从现在起，在现有的条件下学校积极主动参与，呼吁政府主管部门重视机器人技术教育，加大投入，尽我们所能，缩短这一天到来的时间。在2003年教育部颁布的《普通高中技术课程标准》第三部分“通用技术”选修课中提出了“简易机器人制作”课程内容和要求；在2004年上海市教育委员会在“征求意见稿”基础上正式颁布的《上海市中小学劳动技术课程标准（试行稿）》第四部分“内容与要求”高中阶段拓展型课程教学中，提出了“智能机械系统（或智能机器人）”的制作[5]。这些课程标准中关于智能机器人教学内容和要求的提出，虽然还是比较简单，但还是说明了我国教育部门对机器人技术的教育已经引起了足够的重视。
三、向准备开展机器人设计与制作项目的学校提出的几点建议。
（一）、根据就学阶段的不同，学校要明确开展项目的层次。
对于中学和小学，开展这个项目就有区别，由于年龄结构、智力水平、知识技能的差别，中学重在制作真正的智能机器人，小学重在模仿制作机器人、或仅作搭建。而在中学阶段，笔者认为普通中学和重点中学同龄学生的参与反而差别不大，他们的学力可能有所区别，但智力差距不会太大，而且动手能力的高低更难区别。普通中学的学生反而可以通过这个项目的实施推动自身学力的提高。例如松江区一所普通中学立达中学，它的机器人设计与制作项目开展的就相当不错，在市、区不少比赛获奖。
（二）、根据学校情况，学校要明确开展项目活动的定位。
实施项目的目的，是增加一项兴趣活动，还是参加竞赛，或是重在参与？实施对象的规模，是几个学生，还是十多个人的小组，或是整班？实施项目的师资力量，有没有指导条件？实施项目的投入如何？花多大的钱，做多大的事，笔者认为机器人设计与制作项目的硬件不是关键，如果在资金保证充足的前提下，设备、场地都可以解决，关键是软件问题。
（三）、开展项目时，学校事先要解决教学实践中的一些具体问题。
一是使用的课堂教材问题，一般各机器人产品公司都提供各类教材，但对于实际课堂教学，都不太适合，需要各校重新选编、修订。二是相应课时的安排，由于上文所述机器人设计与制作中学生投入很深，刚刚有点眉目、想法，40分钟就到了要下课，再换一个班级，刚才搭建的都又要拆除，这也是一个很麻烦的问题。三是学生独自设计、制作机器人困难相当大，比较恰当的是以2-3位同学为一小组的形式开展设计制作。同时教师在事先安排学生组成小组时，不能让其任意自由组合，要对每一位同学的能力情况作一定了解，如果清楚各位学生的智力、学力、动手能力，合理的将他们组合在一起，产生最大的教学效益。
笔者通过本文简单地介绍了学校开展机器人设计与制作项目的实际情况，提出了一些自己的想法，希望能给予后来者以启迪。让更多的同道者携起手来，为机器人技术教育在中小学蓬勃发展共同努力，开辟一片新的天地！
参考文献：
[1]、[2] 西觅亚科技网站，教育思想，
[3] 广州双龙电子公司，耿德根，中小学开设机器人课程的意义和必要性，
[4] 沙有威，让智能机器人教育走进中、小学校
[5] 上海市教育委员会，上海市中小学劳动技术课程标准（试行稿），
上海市教育出版社，2004年10月第2 版，P59
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