孙志新
酒泉市第三中学 甘肃 酒泉 735000
摘要：文章在研究的过程中，重点是对中小学教育机器人的开发、以及教学实践进行研究，首先简单阐述了教育机器人的开发，然后在研究其教学实践的过程中，从任务挑战设计、机器人教具案例、评价引进等环节对教育机器人教学实践做了深入的研究，希望通过本文的深入研究，可以为国家和社会提供更多优秀的创新人才。
关键词：中小学教育教育机器人；开发；教学实践
目前，机器人教育受到了很多教育机构的关注与重视。在中小学机器人教育中，其主要的课程是搭建和简单编程，虽然机器 人教育课程在教学过程中的教学效果比较良好，尤其是在机械原理和电气教学方面，但是还是有部分学生依然无法有效的掌握好工程设计方法，所以，在这种情况下，中小学教育教 育机器人的开发和实践教学还是值得深入研究的课题，在开发机器人教育的过程中，通过怎样的科学手段来提高其教学的实践有效性，这是目前教育工作者们需要深入思考和研究的问题。
1.教育机器人的开发
1.1开发原则
在中小学教育机器人开发时，一定要遵循几点开发原则：第一，机器人本体设计，在制作机械结构的时候，需要围绕着创新平台零部件对其进行有效调整和配置，在设计电路体系时，单片机形式不是唯一的选择，同时还可以选择嵌入式模式。 单片机设计中，与非功能标准与通用技术有着密切的关联，因此，需要对烧录单片机的型号进行多次的挑选，并选择简单的单片机编程内容。然后需要将套装散件引进控制系统和功 能实施过程中；第二，手段、效率以及交互界面设计，机器人教具设计要具有一定的科学性，并适应机器人比赛对抗项目；另外，在设计程序时，简单的可视化编辑界面不需要保存，设计时应结合学生认知特点，有计划的加以低级语言与中级 语言编程教育，特别是C语言与汇编语言；第三是程序传递方面，采用良好的数据传输，利用程序烧录技术和红外线技术，或者采用其它先进技术。
1.2教材单元设计
在实施中小学机器人教育之前，要先对教材的每个单元内容进行设计，第一个单元可以设计成机器人简单介绍，并设置课堂挑战任务，利用简单的机器人案例，引导学生进行基础结构的搭建，进而让学生对NXT编程以及控制机器人的方式等有一个简单的认识和了解；第二个单元可以设计为机器人结构基础知识，通过利用图像等资料，让学生了解机器人是运用几何知识怎样搭建的，将乐高相关结构件对学生进行系统介绍，并通过事例，布置和强调结构操作计划；第三个单元可以是机器人运动，将多种传动机构为学生进行全面的讲解，对模块最大化思想进行分析，介绍一机器人有关的乐高夹子和爪；第四，为学生讲授机器人制作传感器，通过较为丰富的活动，将传感器的原理和使用方法讲给学生们；第五个单元可以将机器人控制知识讲授给学生，就是单片机知识，并将语言和编程等渗透进来，如果条件允许，还可以为学生讲授一些人工智能知识[1]。
2.中小学教育机器人教学实践
2.1精心设计和研究
此课程中的大部分单元都和实践与理论知识有关，所以，这门课程的主要目的不是将控制原理传递给学生，但也不是对学生教授基础通用技术。最终的目标是创设机器人理论知识和实践操作的桥梁，进而为一些工程经验相对匮乏的学生设置早期的工程体验课，帮助学生形成专业化的知识框架。
（1）网络教学
教师先建立一个网络平台，然后将教学资源发送到网络课程中，让学生在课余时间进行自主阅读和学习，使学生对机器人课程有一个初步的印象。
（2）围绕项目开展活动实践
在项目具体实施过程中，项目流程教师和学生要一起经历，先从较小的学习开始，然后教师带领学生一起研究项目需求，并进行评估。先将机器人基本硬件设计结构设置出来，然后在对流程控制环节进行设计，并对项目方案进行落实。在具体教学过程中，要对理论定性要求以及进行重点介绍，并对典型问题处理方式进行探讨。
（3）早期项目体验课
在课程实施过程中，教师可以先设计一些规模较小的机器人挑战任务，并且保证每次课堂上与课程后的训练任务都是不同的，这样学生可以在多种训练中亲身体验。同时和学生一起探讨如何运用机器人硬件，如何运用才会成功，而不是和学生直接探讨如何设计完整的机器人。同时还要将传感器故障处理方式讲给学生。在课堂最后阶段，学生学习任务是综合化项目，在学生执行项目时，多培养学生传感器的运用技能，鼓励学生在设计的时候，从多个方面来进行设计。
2.2中小学教育机器人实验任务设计
（1）设计挑战任务
组织学生参与到挑战任务中，挑战任务是，利用小车进行搜救，通过挑战任务给学生带来竞赛体验。这个任务选取的场地是594mm×594mm的方格纸区域，在这块区域中，每快图案设计都不一样，但在选择场地的时候，要选择模块化拼接模式（如下图所示），任意选择比赛场地：
在这个期间，先将学习者进行小组划分，并给小组成员一个星期时间进行挑战。针对这个任务，如果只是选择里程计程序或者是简单的定时循环是远远不够的，结合场地的设计，要让学生认识和了解运用行为控制技术的必要性，学生在接受任务的时候可能会受程序优先级影响，因此在挑战时通过小组合作方式来进行处理，这也是学生体验机器人项目实施的一个最好的机会[2]。此外，针对学生制作机器人情况，需要对其时间、结构以及定量任务完成情况等进行全面的评估；制约：比如，设计时要求机器人不能和每个物体进行碰撞，或者是在机器人知识实施命令的时候，将人工干预引入进来；主观要求：在对机器人运动轨迹设计的时候，功能及平滑性等设计要具有一定创意和新颖性；节能效果：学生在运行机器人的过程中，需要与电池电压等进行结合，尽量争取可以最短时间内来完成任务挑战，进而使电能效益得到提升。在第二个学年教学的过程中，可以划分两个学生为一组，将相关的硬件设备分给小组人员，这养样学生在课下的时间也可以走进实验室，但是需要对学生在实验室的环境进行监控和关注，注意不要出现放电情况。
（2）中小学教育机器人教具案例
将自主发开机器人教具给有效的作用在教学中，引导学生如何通过谁表面的张力来对其进行研究。在实际教学的过程中，先让学生利用此系统设置来设置一个仿生机器水黾，在进行实验的过程中，将控制系统和红外线传感器进行安装，并对水域目标进行自动化搜索。当机器人发现后，就会立刻将信号传输到外界，进而来吸引更多的机器人进行感知，最终将目标给找到。在试验时，风扇的反作用力在作用之下会推动驱动装置，但这种驱动模式相对比较稳定，可以追踪红外线源，这是由于水表面张力是漂浮在水面上，这个时候可以不用考虑水所产生的阻力，因此，这个时候风扇就可以让机器水黾在水面上移动，当风扇转速条件较差的时候，机器水黾会向左或者是向右进行转动。在这整个的系统中，其硬件主要有承载硬件、驱动硬件以及探测硬件，其中探测硬件中还包括两个光敏二极管，由于两者接收红外线强弱程度不一样，所以，其输入端电压也是不一样的，在AD转换器的操作下，单片机会吸收电压信息；驱动硬件是与划桨以及H型电机驱动电路结合，其优势是，能够保障划桨进行反向和正向运转。在处理程序后，需要对PWM信号脉冲的宽度进性调整，进而对电机转速进行控制，对机器水黾运动的方向进行调节。机器人具体实物如下图：
结语
综上研究，在教育发展过程中，中小学教育机器人教育的开发与教学实践研究还是非常重要的，在培养学生创新和思维能力中具有重要的作用和意义，因此，教育工作者需要不断对中小学教育机器人教育课程资源的开发进行研究，进而有效推进中小学教育机器人教育领域的发展。
参考文献
[1]裴洲奇,马振峰.工业机器人技术"课程思政"教学改革的研究与实践[J].佳木斯职业学院学报,2020,36(1):108-109.
[2]祝洲杰,甘伟,黄畅, 等.小型模块化多功能科教机器人的设计与实践研究[J].机电工程技术,2020,49(10):138-140.
本文系：酒泉市教育科学“十三五”2020年度规划课题JQ〔2020〕GHB293《智能机器人特色教育探索与研究》成果