方國辰

（萊西市職業(yè)教育中心）

教育機(jī)器人是由專門的教育機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力、鍛煉學(xué)生的邏輯思維生產(chǎn)成品套裝或散件，除教育機(jī)器人本體之外還有相應(yīng)的教學(xué)課本和控制軟件。教育機(jī)器人在不斷發(fā)展與應(yīng)用中需要滿足新課程教學(xué)改革的需要，遵循學(xué)生成長發(fā)育規(guī)律，對(duì)教學(xué)的模塊不斷更新，增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。讓學(xué)生在“玩中學(xué)，學(xué)中做。”通過教育機(jī)器人的廣泛應(yīng)用能夠極大地減輕教師的教學(xué)壓力，有更多的時(shí)間和精力進(jìn)行深入的鉆研，提高課堂教學(xué)的質(zhì)量。在教育機(jī)器人設(shè)計(jì)與研發(fā)中與實(shí)際課程教學(xué)相融合，真正提高教育機(jī)器人開發(fā)教學(xué)的整體水平。

一、教育機(jī)器人的發(fā)展

教育機(jī)器人本質(zhì)是為教育服務(wù)，目前大部分的教育機(jī)器人主要以家用教育機(jī)器人或?qū)I(yè)教育機(jī)器人為主。國外教育機(jī)器人發(fā)展較早，在上世紀(jì)六七十年代，以日本、美國為首的發(fā)達(dá)國家就已經(jīng)開展了對(duì)教育機(jī)器人的研究，在大學(xué)課程中融入了教育機(jī)器人教學(xué)的內(nèi)容[1]。我國的教育機(jī)器人研究在七八十年代開展，由于教育機(jī)器人研發(fā)起步較晚，目前教育機(jī)器人的設(shè)計(jì)和應(yīng)用并不完善。在目前教育機(jī)器人研究中主要的領(lǐng)域有以下幾個(gè)方面：（1）教育機(jī)器人本體研究，重點(diǎn)針對(duì)教育機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分析，包括人工智能教育機(jī)器人學(xué)等，通過對(duì)教育機(jī)器人概念、特征、分類和相關(guān)理論進(jìn)行解析，增強(qiáng)教育機(jī)器人的核心應(yīng)用水平。（2）教育機(jī)器人教學(xué)角色和影響研究，主要涉及人型教育機(jī)器人，通常由教育機(jī)器人來扮演導(dǎo)師、同學(xué)和工具等不同的角色，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際需求來調(diào)整不同的教學(xué)功能。（3）教育機(jī)器人設(shè)計(jì)研究，主要是針對(duì)移動(dòng)教育機(jī)器人服務(wù)教育機(jī)器人遠(yuǎn)程操控編程的重點(diǎn)研究。通過特定的教育機(jī)器人技術(shù)對(duì)相關(guān)的程序設(shè)定加以改造，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)或教學(xué)功能。（4）教育機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐的主要研究對(duì)象為嬰幼兒，教育機(jī)器人課程設(shè)計(jì)教育技術(shù)支持、教育機(jī)器人教學(xué)等相關(guān)內(nèi)容。教育機(jī)器人的應(yīng)用場景主要是教學(xué)科研環(huán)境和個(gè)人環(huán)境根據(jù)不同兒童的成長需要設(shè)計(jì)出了不同的功能，針對(duì)特殊兒童群體可以設(shè)計(jì)出自閉癥兒童教育機(jī)器人，方便對(duì)自閉癥兒童進(jìn)行正確的健康幫助。

二、教育機(jī)器人設(shè)計(jì)的原和作用分析

（一）教育機(jī)器人設(shè)計(jì)的主要原

首先，在教育機(jī)器人開發(fā)設(shè)計(jì)中要確保教育機(jī)器人本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)制作需要不斷的創(chuàng)新，對(duì)各種資源配置進(jìn)行全面的調(diào)整。在電路體系設(shè)計(jì)中可以采用單片機(jī)形式，也可以采用嵌入式模式。單片機(jī)設(shè)計(jì)需要保證與通用技術(shù)和非功能標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系，對(duì)燒錄單片機(jī)的具體型號(hào)進(jìn)行正確地挑選，選擇簡單的單片機(jī)編程內(nèi)容。通過套件引進(jìn)控制系統(tǒng)和功能，確保教育機(jī)器人的具體操作順利實(shí)施。其次，在教育機(jī)器人開發(fā)設(shè)計(jì)中要滿足兒童的需要，必須保證交互界面設(shè)計(jì)更加的簡潔高效。教育機(jī)器人教具必須要有一定的科學(xué)性，通過游戲、娛樂、影音等多種程序來使知識(shí)實(shí)現(xiàn)可視化滿足學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，并且通過增加初級(jí)或中級(jí)語言編程教育，讓學(xué)生提前了解新語言和匯編語言，利用程序燒錄技術(shù)和紅外線技術(shù)來增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性[2]。在教育機(jī)器人教育設(shè)計(jì)之前需要對(duì)所有教材的不同單元內(nèi)容進(jìn)行深入地研究，確保教育機(jī)器人教學(xué)與課堂教學(xué)緊密結(jié)合。每一個(gè)單元都可以設(shè)計(jì)成獨(dú)立的教育機(jī)器人介紹，隨機(jī)附帶課堂挑戰(zhàn)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)相關(guān)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面搭建，讓學(xué)生對(duì)相關(guān)的課堂知識(shí)有著更深入的了解。最后，還可以通過圖像、視頻、音樂等多媒體資料將課堂理論知識(shí)傳輸給學(xué)生，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的整體效果。

（二）教育機(jī)器人應(yīng)用的重要作用

教育機(jī)器人主要是針對(duì)不同教育學(xué)科和教材制定的教學(xué)輔助工具，能夠成為學(xué)生學(xué)習(xí)的重要伙伴。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，由于教學(xué)方式老套陳舊，教學(xué)內(nèi)容落后很難跟上時(shí)代發(fā)展的步伐，而且大部分的教學(xué)傾向于給定特定的問題，讓幼兒形成固定的思維，教學(xué)方式無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，嚴(yán)重限制了學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。通過教育機(jī)器人不僅可以設(shè)計(jì)開放性的問題，讓學(xué)生運(yùn)用不同的方法和思路來快速地尋找問題的關(guān)鍵，也能夠進(jìn)一步鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造力和想象力，增強(qiáng)學(xué)生的開放性思維。在課堂教學(xué)中應(yīng)用教育機(jī)器人不僅可以探討更加有趣充滿趣味挑戰(zhàn)性的主題，同時(shí)也可以動(dòng)手實(shí)踐操作獲取相關(guān)的知識(shí)，在多學(xué)科知識(shí)學(xué)習(xí)中也能夠讓學(xué)生的思維具有邏輯性和緊密性，通過對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行構(gòu)思設(shè)計(jì)與開發(fā)與實(shí)際工作和生活場景相結(jié)合，真正像編程人員一樣對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行研究、策劃。在教育機(jī)器人教學(xué)中能夠讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)小組，共同設(shè)計(jì)屬于自己的教育機(jī)器人，鼓勵(lì)學(xué)生為教育機(jī)器人編寫個(gè)性化程序，主動(dòng)提高學(xué)生的探索能力和動(dòng)手能力[3]。通過親身體驗(yàn)和實(shí)踐操作來感受教育機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、溝通能力和交流能力，教育機(jī)器人的設(shè)計(jì)融入了機(jī)械學(xué)電子學(xué)、傳感器、人工智能等多種先進(jìn)的技術(shù)領(lǐng)域，而通過在教學(xué)中應(yīng)用教育機(jī)器人，可以提高學(xué)生的創(chuàng)新思維，引導(dǎo)學(xué)生在觀察思考中去了解相關(guān)的知識(shí)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

（三）教育機(jī)器人進(jìn)行學(xué)科教學(xué)的必要性

在現(xiàn)代化學(xué)科教育中更強(qiáng)調(diào)學(xué)生的核心素養(yǎng)，而學(xué)生的核心素養(yǎng)培養(yǎng)必須要通過恰當(dāng)?shù)姆椒?，通過加強(qiáng)對(duì)教育機(jī)器人學(xué)科教學(xué)，能夠讓學(xué)生從小了解并認(rèn)識(shí)教育機(jī)器人的重要作用，提高全社會(huì)對(duì)教育機(jī)器人的正確認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步促進(jìn)教育機(jī)器人技術(shù)的快速普及和推廣。在教育機(jī)器人教學(xué)應(yīng)用中通過對(duì)編程控制管理、維護(hù)人機(jī)關(guān)系等重要知識(shí)進(jìn)行分析，能夠讓學(xué)生進(jìn)一步了解教育機(jī)器人的原理結(jié)構(gòu)、使用方法、操作技巧。確保教育機(jī)器人的應(yīng)用水平全面提高。隨著教育機(jī)器人的研制水平不斷提高，對(duì)于教育機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)也在不斷加深，能夠不斷地掌握各種最新的科研技術(shù)成果，從而豐富教育機(jī)器人的層次感。在新時(shí)期要高度重視對(duì)教育機(jī)器人專業(yè)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，通過為教育機(jī)器人專業(yè)營造良好的課堂環(huán)境，真正地為教育機(jī)器人專業(yè)改革提供重要的依據(jù)。在教育機(jī)器人不斷應(yīng)用中能夠打破現(xiàn)有信息技術(shù)教育的問題讓學(xué)生可以更靈活地掌握教育機(jī)器人的相關(guān)操作技巧[4]。通過在中小學(xué)開展教育機(jī)器人教育能夠使得青少年科技創(chuàng)新活動(dòng)不斷發(fā)展進(jìn)一步普及相關(guān)的知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)現(xiàn)代技術(shù)的興趣。

三、教育機(jī)器人的設(shè)計(jì)總體思路

（一）硬件設(shè)計(jì)

在教學(xué)教育機(jī)器人教育實(shí)踐中，教師可以先構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，將相關(guān)的教學(xué)資源傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)課程之中。通過將教育機(jī)器人教學(xué)的實(shí)踐與理論知識(shí)傳輸給學(xué)生，讓學(xué)生能夠?qū)逃龣C(jī)器人課程有著初步的印象，同時(shí)也可以幫助學(xué)生了解控制原理和基礎(chǔ)的操作技能。在教育機(jī)器人總體設(shè)計(jì)中可以對(duì)教育機(jī)器人的功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面優(yōu)化，可以不在附加設(shè)備的同時(shí)直接開發(fā)教育機(jī)器人程序。在教育機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)為了滿足教育機(jī)器人的具體功能需求，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該包括傳感器，控制器和執(zhí)行器三大部分，而且還增加了幾十個(gè)傳感器用于拓展，增強(qiáng)教育機(jī)器人對(duì)環(huán)境感知能力。控制器類似于人的大腦，可以對(duì)各種操控指令進(jìn)行快速的分析和判斷，主要由中央處理單元，輔助電路和程序共同組成執(zhí)行器能夠類似于人的四肢完成各種操作指令，CPU可以采用16位數(shù)字信號(hào)處理芯片不僅內(nèi)容豐富而且處理速度極快，具有所有單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)包括程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器脈沖、寬度調(diào)制，但與單片機(jī)不同的是。CPU能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)利液變換也是DSP的內(nèi)核，可以及時(shí)進(jìn)行音頻和視頻的處理，主板上有電源電路兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電器等這種教育機(jī)器人的額定電壓為5V。教育機(jī)器人在使用中電池電壓會(huì)逐漸下降，所以必須要保證教育機(jī)器人電池電壓穩(wěn)定在5伏，而設(shè)備的檢測接口包括前后左右紅外線障礙物檢測，通過電位器對(duì)紅外發(fā)射管和紅外接收管連接，不斷調(diào)整紅外發(fā)射功率對(duì)障礙物的具體情況進(jìn)行檢測，剛發(fā)射的紅外線被障礙物反射彈回時(shí)接收管會(huì)接收，發(fā)出低電平。光敏三極管用于檢測兩邊的火源，路面檢測由光電模塊組成，不同的顏色對(duì)光的吸收各不相同，快速識(shí)別路面軌跡。

（二）教育機(jī)器人的用戶軟件開發(fā)

在針對(duì)教育機(jī)器人用戶軟件開發(fā)時(shí)，首先，要對(duì)對(duì)象和軟件功能以及使用目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估，目前，大多數(shù)的教育機(jī)器人用戶主要以中小學(xué)生和教師為主，在軟件開發(fā)設(shè)計(jì)中要根據(jù)教師和學(xué)生的不同需求進(jìn)行設(shè)計(jì)軟件語言、C語言編程，真正做到了易學(xué)易用。在軟件不同模塊設(shè)計(jì)中，主要包括窗體模塊繪制模塊、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊和文件處理模塊等窗體模塊，可以用于快速接收各類信息，也能夠集成窗口、菜單、工具欄、狀態(tài)欄等。繪制模塊主要是被其他模塊函數(shù)調(diào)用，能夠快速繪制較小的繪圖單位。結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模塊包括處理模塊繪制模塊輸入模塊和輸出模塊，在文件處理模塊中能夠用于打開或保存流程圖，快速保存生成的源代碼等[5]。在用戶使用教育機(jī)器人時(shí)可以利用C語言進(jìn)行編程，也可以通過圖形化交互式C語言界面編程。最后，利用串口下載，每次下載都能自動(dòng)拆除，上一次的程序?yàn)榱送耆珴M足用戶需要。在不運(yùn)行任何外部數(shù)據(jù)庫或動(dòng)態(tài)鏈接庫的情況下技術(shù)軟件層面有了廣泛的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)流程圖到程序源代碼在可執(zhí)行程序轉(zhuǎn)換屬于自動(dòng)化編程軟件，這也是軟件未來發(fā)展的重要方向。在用戶界面設(shè)計(jì)中需要基于windows操作系統(tǒng)，利用C語言編程和圖形化交互式C語言編程兩種不同的形式。通過新型教育機(jī)器人的設(shè)計(jì)，不僅采用了領(lǐng)先的圖形化交互式C語言，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)算法描述和程序設(shè)計(jì)，具有非常先進(jìn)的教學(xué)功能。

（三）教育機(jī)器人教育實(shí)驗(yàn)任務(wù)的具體設(shè)計(jì)

教育機(jī)器人可以直接安裝在具有履帶雙輪或四輪的運(yùn)動(dòng)模型中，能夠?qū)β访孢M(jìn)行識(shí)別與檢測，快速規(guī)劃行駛路線，具有非常強(qiáng)的移動(dòng)能力，而目前的教育機(jī)器人教學(xué)應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和動(dòng)手能力，普通學(xué)生家中都可以有遙控玩具車，學(xué)生能夠通過對(duì)相關(guān)的玩具進(jìn)行動(dòng)手改裝，構(gòu)建自己的教育機(jī)器人，通過學(xué)生親自編制指令，并且在技術(shù)教育機(jī)器人中。存儲(chǔ)幫助教育機(jī)器人執(zhí)行各種操作，不僅增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)踐操作的真實(shí)體驗(yàn)，而且也可以對(duì)計(jì)算機(jī)語言教學(xué)進(jìn)行直觀地展示，提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)核心素養(yǎng)，真正滿足創(chuàng)新發(fā)展的需求。教育機(jī)器人還具備輸入輸出接口，同時(shí)接入多種模塊，實(shí)現(xiàn)障礙物躲避、滅火、自動(dòng)行走等功能，可以為學(xué)生的計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)提供更廣闊的空間，也能夠幫助學(xué)生按照自己的想象增加其他的各種功能，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和想象能力。教育機(jī)器人教育具有良好的普及性，通過學(xué)生親自動(dòng)手操作能夠減少制作成本，同樣大部分的教育機(jī)器人主要采取鎳氫充電電池，有效減少了對(duì)環(huán)境的破壞，教育機(jī)器人具有先進(jìn)的開放性、普及性、可拓展性，是目前在教學(xué)中應(yīng)用最廣泛的教學(xué)工具，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的重要途徑。在教育機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用中教師可以提前設(shè)計(jì)小規(guī)模的教育機(jī)器人挑戰(zhàn)任務(wù)，并且在每次課堂教學(xué)中與課后練習(xí)中，都能夠讓學(xué)生親身體驗(yàn)，共同探討教育機(jī)器人硬件如何運(yùn)行才能保證教育機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。在課堂教學(xué)完成之后要主動(dòng)地培養(yǎng)學(xué)生傳感器運(yùn)用技能，積極鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)參與。

四、教育機(jī)器人教育的具體應(yīng)用案例

在挑戰(zhàn)任務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)，教師可以讓學(xué)生利用教育機(jī)器人進(jìn)行快速搜救與滅火，通過挑戰(zhàn)任務(wù)帶給學(xué)生競賽的體驗(yàn)，每一塊區(qū)域中所選擇的圖案都各不相同，所以教師可以先將學(xué)生劃分不同的學(xué)習(xí)小組，讓學(xué)生有足夠的時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)備，針對(duì)這一問題如果單純選擇里程計(jì)算或者簡單地定時(shí)循環(huán)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不符合實(shí)踐要求，而通過場地優(yōu)化讓學(xué)生充分的認(rèn)識(shí)并了解控制技術(shù)的重要作用，在接受任務(wù)的同時(shí)也會(huì)受到程序優(yōu)先級(jí)的影響[6]。通過小組挑戰(zhàn)與合作的方式增強(qiáng)學(xué)生對(duì)教育機(jī)器人的感悟，針對(duì)學(xué)生制作教育機(jī)器人的情況包括時(shí)間結(jié)構(gòu)和定量任務(wù)的調(diào)整進(jìn)行全方面的評(píng)估，讓學(xué)生能夠?qū)逃龣C(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的同時(shí)引入人工干預(yù)。通過設(shè)計(jì)平滑性的功能來確保教育機(jī)器人運(yùn)行軌跡更加的穩(wěn)定。在運(yùn)行教育機(jī)器人時(shí)需要與電池電壓結(jié)合在短時(shí)間內(nèi)快速完成任務(wù)挑戰(zhàn)減少能量消耗，提高節(jié)能效果，要將學(xué)生劃分為不同的學(xué)習(xí)小組。通過相關(guān)的硬件設(shè)備分給小組內(nèi)成員，讓學(xué)生可以在課余時(shí)間共同完成教育機(jī)器人教學(xué)設(shè)計(jì)。在教育機(jī)器人開發(fā)設(shè)計(jì)中，需要主動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)表面的張力進(jìn)行判斷，利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿生器水繩，在實(shí)驗(yàn)操作中將控制系統(tǒng)和紅外傳感器安裝，并且對(duì)目標(biāo)水域進(jìn)行自動(dòng)化搜索，教育機(jī)器人在感知目標(biāo)后會(huì)及時(shí)釋放信號(hào)，吸引更多教育機(jī)器人進(jìn)行快速感知，從而尋找目標(biāo)，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中風(fēng)扇具有反作用力，能夠快速推動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置追蹤紅外線來源，因?yàn)樗砻鎻埩δ軌蛟谒嫔弦苿?dòng)，如果風(fēng)扇轉(zhuǎn)速較差時(shí)機(jī)器水可能就會(huì)向左或右移動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)中硬件需要承載硬件，驅(qū)動(dòng)硬件和探測硬件。而探測硬件還包括光敏二極管用于兩者接收，紅外線的強(qiáng)弱程度并不一致，輸入端電壓也各不相同，通過AD轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)可以及時(shí)吸收電壓信息，驅(qū)動(dòng)硬件和劃槳以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路相結(jié)合，可以保證劃槳進(jìn)行反向或正向運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而對(duì)電機(jī)快速驅(qū)動(dòng)。在機(jī)器人的學(xué)習(xí)過程中，通過制作機(jī)器人過程中的實(shí)際問題解決，可以學(xué)到模擬電路、力學(xué)等方面知識(shí)，不但對(duì)物理學(xué)科、計(jì)算機(jī)學(xué)科的教學(xué)起到促進(jìn)作用，同時(shí)也擴(kuò)大、加深了學(xué)生科學(xué)知識(shí)；通過完成任務(wù)和模擬項(xiàng)目使學(xué)生在為機(jī)器人擴(kuò)充接口的過程中學(xué)習(xí)有關(guān)數(shù)字電路方面的知識(shí)。

五、結(jié)束語

在現(xiàn)代化課堂教學(xué)改革的背景下，通過教育機(jī)器人的設(shè)計(jì)和應(yīng)用能夠增強(qiáng)對(duì)學(xué)生的積極引導(dǎo)，具有非常強(qiáng)的實(shí)踐探究能力，能夠不斷地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和發(fā)散性思維。在課堂教學(xué)的同時(shí)要加強(qiáng)對(duì)教育機(jī)器人教育課程資源的深入開發(fā)與應(yīng)用，更好地推動(dòng)教育機(jī)器人教育的全面發(fā)展。