【摘要】师范院校教育技术学专业开设机器人教育课程，如何提升学生机器人教育能力是关键。文章分析了机器人教育能力培养过程中存在的问题，构建了机器人教育课程体系，在此基础上总结出一种机器人教育能力提升教学模式，通过该教学模式激发学生的学习兴趣，更加积极主动地参与学习过程。从而加强学生的动手能力和团队协作能力，提高学生的机器人教育能力和综合素质。
【关键词】机器人教育；能力提升；教学模式；机器人竞赛
近年来，随着基础教育新课程改革的不断深入实施，机器人教育得到较快发展。近期创客空间和创客教育引起了社会各界的广泛关注，其基本内容也是围绕机器人的设计与创作展开的，为机器人教育提供了新的发展空间和外在动力[1]。机器人教育要发展，机器人教育指导老师的专业素质是关键，目前机器人教育指导老师缺口较大，建立一支专业的高素质的机器人教育教师队伍显得尤为重要，在师范院校增开机器人教育课程是提高机器人教育师资力量的有效途径[2]。为了提高H学院学生对于机器人教育的认识和理解，开设了“机器人教育”系列课程。通过该系列课程的学习，学生能够掌握机器人的硬件结构及各功能部件的工作原理，掌握机器人的硬件拼接、软件编程和调试的方法，使其具备机器人课程教学和指导学生参加机器人竞赛的能力。
1机器人教育能力培养存在的问题
“机器人”是一门复杂且综合性较强的学科，涉及电子、机械、计算机软件、人机交互、人工智能等多个学科，对学生的知识体系有较高的要求。机器人教育能力培养更加强调在实验过程中了解和掌握理论知识。通过对教学过程的思考和课后的反馈，发现部分问题，这和学生的教育背景和知识体系有关。1）部分学生知识积累不够。学生在本科前期阶段学习专业基础课程，初入大学，学习环境的变化导致小部分学生主动学习积极性不高，学习方法不正确，学习效果不理想。2）部分学生动手能力较差。有别于其他专业课程，“机器人教育”对学生动手能力的要求非常高。学生在中学阶段以理论知识学习为主，动手能力不够强，学习效果不尽如人意，后续学习动力不足。
2机器人教育能力培养课程体系
根据“机器人教育”系列课程的特点和教学目标，构建了机器人教育能力培养课程体系，如图1所示。其中先修课程包含“大学计算机基础”、“电工电子技术”、“C语言程序设计”和“电工电子实训”，通过以上课程的学习积累，提高学生的学习能力和实践动手能力，为“机器人教育”课程的开设做好铺垫。“机器人教育”课程修完后，为对该课程感兴趣并希望深入学习的同学开设了“面向对象程序设计”、“单片机原理与应用”、“嵌入式Linux操作系统”和“嵌入式系统开发应用”等选修课程。“机器人教育”课程通过对机器人知识和实验内容的讲授，使学生掌握机器人的硬件组装和软件编程，从而具备讲授机器人课程的能力。为适应当前机器人课程教师人才培养的需要，将“机器人教育”课程内容进行了整合，调整后的机器人教育课程知识结构如图2所示。课程主要内容包括机器人的基本结构、机器人的组装、机器人的编程和机器人比赛。理论授课环节包括机器人概述和机器人的硬件结构两个章节。机器人概述主要讲授机器人的概念，机器人的发展历史、机器人的特点和分类以及机器人的未来。机器人的硬件结构主要讲授机器人的硬件结构及各组成部分的功能。其中机器人控制器包括单片机最小系统、常见机器人控制器等，传感器包括光传感器、声音传感器、温度传感器、灰度传感器、超声波传感器和视觉传感器等，通讯方式包括红外传输、蓝牙技术和WIFI传输等。此章内容是机器人知识的重要基础，通过此章内容的学习，学生能够了解传感器的工作原理、掌握通讯的各种技术，为后续设计和构建机器人夯实技术基础。实践操作环节包括机器人的组装和机器人编程。机器人的组装主要讲授机器人组装技巧，“探索者”选用模块化机器人平台，“探索者”平台的主要零件采用铝镁合金材质，零件上开有通孔，用不锈钢螺丝螺母完成组装。机器人编程主要讲授机器人的软件编程知识，“探索者”机器人是基于Arduino平台，通过Ar-duino编程软件控制基板和扩展板进行连接和控制。Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Ar-duinoIDE），能通过各种传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境[3-4]。板子上的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，烧录进微控制器。“探索者”平台拥有较完善的教学体系和开放度较高的系统，能够较好地兼容市面上常见的各种机械零件、电子部件以及通用的创客平台。综合运用环节主要讲授机器人比赛，内容包括介绍机器人比赛，讲解机器人比赛的比赛项目和规则。通过选取具体的比赛项目（例如轨迹机器人寻迹挑战）作为综合实验内容，模拟机器人比赛场景，要求学生分组参赛。
3机器人教育教学模式创新
传统的机器人教育教学模式为理论授课加实践教学相结合，其中实验多为模仿实验，这样的教学模式虽然能一定程度提高学生的动手能力，但对提升学生的学习兴趣和培养学生创新能力没有太大帮助[5]。结合H学院教育技术学专业学生的知识体系结构，针对机器人教育课程内容的特点，总结出一种新的机器人教育教学模式，该教学模式结合了说课、理论教学、实验操作和机器人比赛等环节。通过该教学模式培养学生的学习兴趣，使之能够在掌握基本理论知识的前提下，更加积极主动参与学习过程，从而加强学生的动手能力和团队协作能力，提升学生的综合素质和创新能力[6]。1）机器人知识说课。由于部分学生对机器人的相关知识积累不够，设计了机器人知识说课的教学环节。说课是学生参与机器人教学锻炼的一种方式，将学生分成两人一组，提前准备说课素材，做好课件，准备10分钟的说课。课后组织同学和老师评课，总结该组同学说课素材和说课过程中存在的亮点与不足。机器人知识说课既能普及机器人和机器人比赛的相关知识，又能培养学生自学能力和团队合作能力，同时提高学生的教师素养和教学水平，为从事机器人教育工作打下良好基础。2）机器人教育理论授课环节。这个环节让学生了解机器人知识，搭建机器人知识的整体框架。理论授课应让学生发现和认识生活中常见的机器人，了解它们的工作原理，跟当下流行的机器人知识和技术相结合，让相关知识更接近生活、更具感官刺激，以吸引学生注意力并激发他们的学习兴趣。在讲解机器人的结构和功能这一章节时，以目前较为常见的智能扫地机器人为例。智能扫地机器人是智能家用电器的一种，能凭借一定的人工智能，自动在房间内完成地板清理工作，它的特点是操作简单，使用便捷。通过分析智能扫地机器人的硬件结构及其功能，帮助学生了解碰撞传感器、红外传感器和超声波传感器的侦测原理，掌握扫地机器人控制器的操作流程和工作原理。智能扫地机器人的加入给原本枯燥的理论课堂增加了生动性和趣味性，学生学习积极性和融入课堂程度得到显著提升。3）机器人教育实验环节。实验教学对于机器人教育的重要性较为突出。在传统的模仿实验的基础上，通过由浅入深的实验，巩固理论知识，激发学生的学习兴趣，掌握机器人控制和编程的基本技术，提升学生的动手能力和团队协作能力，增强学生的创造力和分析、解决实际问题的能力[7-8]。学院新建了机器人创新实验室，购买了模块化机器人创新平台（高级版）3套、模块化机器人创新平台（卓越版）1套、模块化机械创新平台5套。学院实行机器人创新实验室全天开放，并积极开展“第二课堂”，延长学生在实验室的学习时间，取得了一定的教学效果。以超声波传感器避障小车实验为例，先将基板、车轮、万向轮、电机等零部件组装成小车，再将主控板、功能扩展板、电池和超声测距传感器等零部件固定在小车上。然后编写避障程序：如果超声测距得到距离障碍小于20cm，小车自动进行停止、后退、转向一系列操作；否则，小车继续前进。超声测距传感器可以测量到具体的距离值，这个距离值是传感器利用采集到的“声波反射时间间隔”，通过一个简单的测距算法公式计算出来的。图形化编程界面已经提供了一个程序图块，该图块包含了这个测距算法。通过对超声波避障小车算法和程序的修改和调试，帮助学生了解超声波测距传感器的工作原理，巩固理论课所学知识，增强学生的动手能力、团队协作能力和解决实际问题的能力。4）机器人竞赛裁判环节。近年，机器人竞赛广受关注，比赛项目包括中鸣超级轨迹挑战赛、机器人足球比赛、灭火机器人竞赛、WER-J普及赛等。H学院每年选派多名相关专业学生担任相关竞赛的裁判员，通过赛前组织的裁判员培训，学生较好地掌握比赛项目的规则和流程。学生以裁判员的身份参与紧张、激烈的比赛过程，需要在短暂的时间内完成裁判工作。这样能有效促进学生对机器人竞赛的项目和规则的了解，增强学生处理突发事件的能力和应变能力，提升学生的综合素质。
4结束语
师范院校开设机器人教育课程为推动机器人教育的发展提供强劲动力，运用传统的理论加实践的教学模式不利于激发学生的学习积极性，开拓学生的创造性思维，已成为制约机器人教育进一步发展的瓶颈。这就要求我们开展机器人教育研究，开创机器人教育新的教育模式。H学院在这些方面取得了一定成绩，下一步计划在学校开展机器人学生社团活动，举办机器人比赛，希望通过多个维度的努力，提高学生学习机器人的兴趣，增强机器人教育教学的效果，为社会提供更多的机器人教育人才。
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作者:刘泽源 赵晋琴 单位:湖南第一师范学院信息科学与工程学院
