农村中学机器人教学实现初探

张礼明

【摘要】本文就农村中学机器人教学的现状进行了探讨。指出导致智能机器人教育无法在农村中学开展的三大门槛：价格高昂、教材不统一和专业教师缺乏、教学目标没有同意明确。并就三大门槛中的价格高昂进行了个人思考，提出了针对硬件化整为零自行组装、针对软件使用常见的C语言的解决思路，既解决了经费问题，又强化了学生的实践动手能力，使学生在动手中享受到成功的喜悦。

【关键词】农村中学  机器人教学  化整为零  C语言

信息技术正式走入普通高中课程已有12个春秋，智能机器人的身影最近几年在信息技术课程中若隐若现。机器人技术包含信息技术的多个领域，综合了多个学科的发展成果，能培养学生的创新和综合实践能力，能体现新课改中对提高学生素质的要求。智能机器人的教育走进中学课堂必将成为趋势，它将给中学的信息技术课程添加新的活力，成为培养学生信息素养、综合能力的优秀平台。但目前智能机器人的推广和普及还面临重重障碍，尤其是在农村中学，智能机器人的教学几乎为零。

步履维艰：农村教育的现状限制

经过调查与思考，笔者发现有以下几个方面原因导致了智能机器人教育无法在农村中学中开展：

首先，价格高昂，普通农村中学望而却步。据不完全统计，目前国内市场上的教育机器人有近20种品牌，但价格均在2000元/套以上，多则上万元。农村中学的经费受地方财政限制，购买这些“奢侈品”显然力不从心。

其次，没有统一教材，专业教师缺乏。目前教学机器人的教材大都属于“产品说明书”或“用户指南”，受品牌限制，自成一家，互不兼容。教师的培训也只能购买哪家产品，参加哪家的产品培训了，换个品牌，需要再次培训。没有统一成熟的教材，教师也只能摸着石头过河，缺少专家指导，讨论的圈子也极小。

第三，教学目标不明，竞赛引导教学。当前中学机器人的教学因为没有统一明确的目标，很大程度上受到机器人企业的影响。许多学校开办的机器人培训班就是为了比赛，培训成为教学的主要甚至唯一形式，在培训过程中缩小培训范围，只针对少数精英进行突击和强化训练，为比赛而学习，即变相的“应试教育”。

道道门槛将经济和师资都对落后的农村中学学子们拒之在机器人教育的门外，客观上也就将将这些孩子置于一条相对落后的起跑线，造成教育新的不平等。

金口可开：能够一试的解决方案

教学机器人的工作原理是通过传感输入模块获取外界信号输入到运算控制模块，运算控制模块根据事先设计的算法采取相应的动作，将结果交给动作输出模块来实现。在参考一些教学机器人资料后，笔者做出一些简单的设想和尝试，希望能为农村机器人教学提供一些参考。

完整的教学机器人从硬件上分为三个组成部分：传感输入模块，包括多种传感器（如红外、声音、光敏、指南针、碰撞、超声等）以及相应的AD转换电路，一般教学机器人将这些传感输入做成模块，在组装过程中可以直接使用；运算控制模块，即整个机器人的核心部分，一般教学机器人的控制部分由单片机实现，机器人商家研发的相应编译环境，就是机器人教材百花齐放的根本原因；动作输出模块，包括电子开关、机械传动等。

实际上，我们可以不采用完整的教学机器人。化整为零，独立购买各个模块或分立元件。传感输入模块以及动作输出模块，我们可以直接在市面或者淘宝上购买。我们可以购买分立元件，也可以购买现成的模块，两者间有一定的差价。比如一个循迹机器人的灰度传感器，模块的淘宝价格是8-15元，而自己使用分立元件制作只要3元，即一个光敏电阻、一个发光二级管以及一个电压比较器。选择模块还是分立元件制作可以根据经费和老师的电子技术能力来把握，总之，比购买专用教学机器人要便宜很多。实际上，网上可以查找到常见模块的DIY电路图，可以由有电路常识的人制作。笔者建议使用分立元件制作，这样做有如下好处：一、便于学生搞清原理。面对模块学生知其然而不知其所以然，独立的元件能让学生更直观的了解各种元件的工作原理。二、培养学生的动手能力。将分立元件组装成模块需要同学一针一脚的焊接，从而培养学生的实践动手能力。

运算控制模块建议使用STC单片机来实现。首先，其引脚和指令均兼容8051单片机，而目前高校中计算机专业类的课程设置中，凡开设单片机课程的均以8051为教程，所以一般中学的专职计算机教师都具备一定的单片机基础知识，只需稍加培训或学习就应能很快掌握相关知识。其次，单片机的资料和教程都很成熟，网上范例也很多，可以很容易就寻求到帮助，可以克服专用教学机器人自成系统、老师摸石头过河的困境；第三，ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器件，无需专用仿真机，自制一根串口通信线即可完成在线编程下载，无需专用设备，便于教学以及广泛推广；第四，价格低廉，单时钟周期，自带看门狗、AD转换器、E²PEOM、PWM等都是其特出的优点，可以大大简化外围电路。

当然，购买元件自己组装的方法，只能制作相对简单的智能控制，但不管是多么复杂的、精度多高的智能机器人，它们遵循的原理都是一样的，智能体现的关键都在算法的合理及优化，所以，我们教给学生的是一种思路，发现问题解决问题的思路。

一般机器人的教学过程：学生根据任务需要选择相应的输入输出模块，进行硬件装配、程序编写、功能调试，从而达到激发学生探究机器人的欲望并形成动手实现目的的能力。C语言是一种通用的编译型结构化计算机的程序设计语言，它兼顾了各种高级语言的特点，并具备汇编语言的的功能，能直接对单片机和计算机的硬件进行操作，由于C语言可读性强，便于移植，因此应用范围越来越广泛，逐渐成为国内外开发单片机的主流语言，因此在高校计算机教学中十分流行C语言。在中学阶段让学生学习流行的C语言比学习互补兼容的教学机器人语言更为实用，将来不论面对何种单片机，只要修改接口地址，C语言编写的程序将继续适用。

曙光在前：农村机器人教学的方向

机器人教学应该以实用和创新为方向指导学生进行设计制作。2012年5月最新基础教育信息技术课程标准中规定机器人教学的目标是完成简单的机器人设计、硬件装配、程序编写、功能调试等任务；在掌握有关机器人的知识和技能的基础上，积极创意解决更多实际问题，在过程中培养创新精神，提高实践能力。

为了拓宽学生的知识面，培养学生钻研精神，提高动手能力，激发兴趣，所以在选题上可以从实际应用出发。如为了节约报栏照明用电，我班学生设计制作了超声波智能控制开关。从最初的解决方案的讨论到最后的制作调试，学生自始至终保持着高度的热情，在一次次失败挫折面前从未气馁。由于用的是分立元件，同学们必须先搞清各个元件的功能和电气参数，设计电路并动手焊接。然后设计算法、编写程序，直至调试成功，经过包装后在报栏内正式应用。在这个过程中，平时同学们觉得高深莫测的智能控制，最终在自己手中实现，那用兴奋和成就感就无法言语表达了。