论文部分内容阅读
智能机器人是中小学课堂新兴的一门旨在培养学生动手能力的信息技术课程，但是实际上在实施这门课程的时候存在很多的误区，往往达不到培养学生动手创新能力的目的。我们尝试开设的智能机器人DIY课程，经过理论上的探讨和实际上的操作实践，以及在东莞市青少年活动中心的实施过程中，学生在课堂上真正地参与到了机器人的设计、焊接、编程中去，达到了锻炼学生动手能力的目的。实践证明这门课程对培养学生动手创新能力是行之有效的。
一、中小学智能机器人的教育背景
近年来，在中小学课堂上兴起一门全新的信息技术课程一一智能机器人，它包含了计算机硬件、软件、电子技术、机械技术等多学科的综合应用，对锻炼学生动手能力、编程能力，培养团队协作精神有很大帮助。
虽然现在中小学智能机器人教育得到了长足的发展，但是一些弊端已经逐渐地显露出来。一些学校名义上开展着智能机器人课程，但实际上是为了应付比赛和检查而临时培训几个学生，而大部分的设计都由机器人生产商或老师事先完成，学生只是一个看客，只能对机器人进行简单的运行操作。这与我们开展这门课的初衷是背道而驰的，偏离丁培养学生动手创新能力的目的。
现在市场上机器人价格昂贵，都是四五千元左右一台，学校投入相当大，价格问题已成为制约学校参加这项活动的主要因素，资金的缺乏使一些学校只能购买少量机器人来参加一些特定的比赛，而无法在校园内作为一项科技活动来开展和普及，在这一社会背景下，提倡学生自己动手来制作机器人，而老师只作为一位真正意义上的指导者，让比赛回归到教育的目的，这样无疑对这项活动的推广和普及具有更重要的意义。正是在这种情况下，我们尝试开设了智能机器人DIY这门课程。
二、优势独特的机器人DIY课程
DIY，是Do It YouSelf的缩写，即自己动手的意思，提倡学生自己动手制做机器人，主要意义在于降低机器人的成本，让更多的学生有经济能力参与进来。通过学生自己动手焊接电路板，自己制作底盘、挑选马达来完成一台机器人的制作，不但锻炼了学生的动手能力，达到提高学生个人综合素质的目的，还使学生从中体会到成功的喜悦。
现在市场上各种电子零配件相当丰富，自己动手组装一台机器人的方案已经具备可行性，对于成本、一台足球机器人大约是四、五百元左右，相对于现在市场上机器人价格而言，已经相当低，这也能使厂家进一步降低自己机器人销售的价格。
三、DIY机器人的设备选购
（一）底盘
机器人的底盘可选用一般的PVC板来做，PVC板为高密度塑料板，在市场上可方便的买到，能自由打孔，方便固定机器入主板和各种零配件，也可选用玻璃板，中鸣数码公司提供的足球套件采用玻璃板底盘，但玻璃板底盘价格昂贵，也比较厚，不利于人工打孔，如果采用小型数控机器或到工厂去进行打孔或切边，则不存在这问题。除此之外，也可采用玩具车模型底盘或坦克底盘，在开展DIY课程中，使用这些底盘更有利于提高学生的兴趣。
（二）电机
对于机器人的动力系统，一般都是采用高速马达和减速箱来组成，减速箱的作用是降低电机输出轴速度，增大扭力。现在市场上带减速箱的电机货源比较充足，有6V、12V或24V选择，当然，也可在电机二手市场买到一些性价比高的电机。对于机器人灭火或足球项目，电机的电压选择在12V，400rpm就可，对于不同的项目，也可根据需要来选择不同参数的电机。
（三）轮胎
轮胎在市场中比较难找，主要是现在电机输出轴半径大小不一，没有统一标准，厂家都是针对自己的产品对轮胎进行定做，所以市场上比较难卖到通用的轮胎。如果采用玩具车底盘或坦克底盘，它们都自带了轮胎和马达，可以节省到找轮胎的时间，如果采用PVC板或玻璃板做底盘，则可根据自己选择的电机的轴径在市场中寻找轮胎，也可到淘宝网一些个人商店进行定做，价格大约在二、三十元左右。
（四）机器人主板
主板功能设计上应考虑机器人的通用性，尽量把各种功能模块都设计在主板中。例如应具有模数转换功能，即A/D转换，可用来检测周围的环境光;数字输入功能，可用来检测开关闭合情况、数字输出功能、可用来驱动发光LED;电机驱动模块，让机器人做出不同的动作，声音检测功能，检测周围的声音;发音功能，能播放音乐，提供学生的兴趣;液晶显示功能，可用来和学生进行一些简单的交互也方便用户程序的调试;如果有可能，尽量把扩展卡模块设计进主板，方便以后增加功能模块以满足不同项目比赛的需要。
设计好主板原理图后，可让学生按照原理图把元件焊接在万用板上或让工厂把原理图制作成空PCB板，再给学生使用。如果是焊接在万用板上，则需要花费时间比较长，也容易出错，对中小学生不太适用，如果是让工厂加工成PCB板，则成本比较贵，老师可根据实际情况选择焊板。
（五）主控制芯片的选择
机器人主控芯片的选择必须具有自我编程的能力，即具有程序下载的功能，才能使学生重复的进行多次練习。AVR单片机是1997年由ATMEL公司挪威设计中心的第一个姓名字母为A和v的研发者利用ATMEL公司的Flash新技术，共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR，其中的R表示芯片为RISC结构。作为增强型RISC内载Flash的单片机，它具有下面的特点：
1.速度快、时钟频率高。
2.1/0口驱动能力强、电流大.
3.丰富的片上资源
4容易上手、开发费用低，网上资源丰富
进行AVR单片机开发费用低廉，可使用ISP在线下载编程方式把编译好的程序写到单片机的程序存储器里，也可采用BootLoader程序通过电脑的串口来进行程序的更新，不需购买仿真器、编程器、擦抹器和芯片适配器等，节省很多开发费用。
四、机器人DIY的教学过程 在开展机器人DrY课程中，需要针对知识层面不同的学生进行分层教学，有些学生没有电子线路基础知识，可以从最基本的电子电路基础学起，先认识电压、电流、电阻的概念，掌握一些常用的电子元件的用途，如电阻、电容，IC脚标号的顺序等。元件的摆放和归类很重要，把相同类型的元件都放在一起，需要时候可以方便的找到给学生，对于一些常用的元件，例如电阻和电容，可以一次性买一包，这样可以节省成本，对一些Ic芯片和外围电路需要的元件，可以用一个小的元件包进行封装，在焊接某一功能模块时候，标上功能模块名称和写上IC芯片的用途—起交给学生，在焊接功能模块前，先给学生讲解该功能模块的硬件原理和电路的组成，让学生在焊接过程中学习到一定的数字电路和模拟电路的技术。
在正式焊接前，先让学生在万用板上进行试焊，比如在万用板中用电阻焊接一些简单的汉字和图形，或把数码管上显示数字的效果焊接出来。在进行正式焊接时，按照“边焊接边测试”的原则，以功能模块为单位，对每一功能，焊接好后，先检查焊接好的功能模块是否可用，以免把现在功能模块的错误影响到下一功能模块，表1为可参考焊接和练习的功能模块顺序。
进行上面的焊接后，可按下面顺序来进行综合练习，以进一步提高学生的兴趣。
（一）追光实验
利用模数转换模块，编写程序，让机器人向着光亮的地方走，实验过程中，可把机器人放在足球场地里面，让它进行追球，为提供趣味性，可以安排两位同学同时进行追球比赛。
（二）霓虹灯实验
利用数字输出口功能，让机器人按一定的方式点亮不同颜色的发光二极管，同时可把发音模块加进来，让灯亮和灭的频率跟着音乐的节奏，以实现日常生活中常看到的广告灯效果。
（三）三人接力赛
利用数字输入功能来制作碰撞开光，如果开光闭合，说明有碰撞，把A、B、c三台机器人排成一直线，A先启动，当A碰到B后，B起跑，A停止，B前进碰到C后，C起跑，B停止，之后C-直前进到终点。这里要用到电机模块让机器人一直走直线，交捧的方式为碰撞。也可利用声音检测模块，启动方式更改为拍手掌，则游戏会变得更精彩。
五、面临困难
一方面，各個学校、老师已经习惯了从机器人生产商那购买已经封装好的套件，并且在改装机器人的时候也是老师一手包办，生怕然学生自己设计改造出来的机器人比不过其它学校。学生的动手部分更少，往往存在着老师做，学生看的现象。这些现象似乎是理所当然，大家心照不宣了，没有必要再多此一举，开设类似机器人DIY这样的课程。这些实际情况不利于我们推广这门课程。
另一方面，现阶段的学生，特别是中小学生，没接触过c语言的编程，所以现在的设备提供商都在提供机器人套件的同时，提供了一套相应的图形编程系统，学生在图形编程系统上利用放置功能图标的方式来编写任务程序，基本上不用掌握c语言知识。
六、未来展望
机器人DIY活动，是将来机器人竞赛和机器人教学发展的一种必然趋势，只有把制作机器人的成本降低，才有利于智能机器人课程的进一步普及，而在机器人DIY过程中，学生参与到大部分的制作过程，包括设备选购环节，这样才能对机器人的硬件性能更加了如指掌，也给学生留下了更大的发挥空间，相信在不远的将来，每个学生都会拿着自己设计的，有着个性化的机器人来参加课外活动、竞赛，体会成功的喜悦。
一、中小学智能机器人的教育背景
近年来，在中小学课堂上兴起一门全新的信息技术课程一一智能机器人，它包含了计算机硬件、软件、电子技术、机械技术等多学科的综合应用，对锻炼学生动手能力、编程能力，培养团队协作精神有很大帮助。
虽然现在中小学智能机器人教育得到了长足的发展，但是一些弊端已经逐渐地显露出来。一些学校名义上开展着智能机器人课程，但实际上是为了应付比赛和检查而临时培训几个学生，而大部分的设计都由机器人生产商或老师事先完成，学生只是一个看客，只能对机器人进行简单的运行操作。这与我们开展这门课的初衷是背道而驰的，偏离丁培养学生动手创新能力的目的。
现在市场上机器人价格昂贵，都是四五千元左右一台，学校投入相当大，价格问题已成为制约学校参加这项活动的主要因素，资金的缺乏使一些学校只能购买少量机器人来参加一些特定的比赛，而无法在校园内作为一项科技活动来开展和普及，在这一社会背景下，提倡学生自己动手来制作机器人，而老师只作为一位真正意义上的指导者，让比赛回归到教育的目的，这样无疑对这项活动的推广和普及具有更重要的意义。正是在这种情况下，我们尝试开设了智能机器人DIY这门课程。
二、优势独特的机器人DIY课程
DIY，是Do It YouSelf的缩写，即自己动手的意思，提倡学生自己动手制做机器人，主要意义在于降低机器人的成本，让更多的学生有经济能力参与进来。通过学生自己动手焊接电路板，自己制作底盘、挑选马达来完成一台机器人的制作，不但锻炼了学生的动手能力，达到提高学生个人综合素质的目的，还使学生从中体会到成功的喜悦。
现在市场上各种电子零配件相当丰富，自己动手组装一台机器人的方案已经具备可行性，对于成本、一台足球机器人大约是四、五百元左右，相对于现在市场上机器人价格而言，已经相当低，这也能使厂家进一步降低自己机器人销售的价格。
三、DIY机器人的设备选购
（一）底盘
机器人的底盘可选用一般的PVC板来做，PVC板为高密度塑料板，在市场上可方便的买到，能自由打孔，方便固定机器入主板和各种零配件，也可选用玻璃板，中鸣数码公司提供的足球套件采用玻璃板底盘，但玻璃板底盘价格昂贵，也比较厚，不利于人工打孔，如果采用小型数控机器或到工厂去进行打孔或切边，则不存在这问题。除此之外，也可采用玩具车模型底盘或坦克底盘，在开展DIY课程中，使用这些底盘更有利于提高学生的兴趣。
（二）电机
对于机器人的动力系统，一般都是采用高速马达和减速箱来组成，减速箱的作用是降低电机输出轴速度，增大扭力。现在市场上带减速箱的电机货源比较充足，有6V、12V或24V选择，当然，也可在电机二手市场买到一些性价比高的电机。对于机器人灭火或足球项目，电机的电压选择在12V，400rpm就可，对于不同的项目，也可根据需要来选择不同参数的电机。
（三）轮胎
轮胎在市场中比较难找，主要是现在电机输出轴半径大小不一，没有统一标准，厂家都是针对自己的产品对轮胎进行定做，所以市场上比较难卖到通用的轮胎。如果采用玩具车底盘或坦克底盘，它们都自带了轮胎和马达，可以节省到找轮胎的时间，如果采用PVC板或玻璃板做底盘，则可根据自己选择的电机的轴径在市场中寻找轮胎，也可到淘宝网一些个人商店进行定做，价格大约在二、三十元左右。
（四）机器人主板
主板功能设计上应考虑机器人的通用性，尽量把各种功能模块都设计在主板中。例如应具有模数转换功能，即A/D转换，可用来检测周围的环境光;数字输入功能，可用来检测开关闭合情况、数字输出功能、可用来驱动发光LED;电机驱动模块，让机器人做出不同的动作，声音检测功能，检测周围的声音;发音功能，能播放音乐，提供学生的兴趣;液晶显示功能，可用来和学生进行一些简单的交互也方便用户程序的调试;如果有可能，尽量把扩展卡模块设计进主板，方便以后增加功能模块以满足不同项目比赛的需要。
设计好主板原理图后，可让学生按照原理图把元件焊接在万用板上或让工厂把原理图制作成空PCB板，再给学生使用。如果是焊接在万用板上，则需要花费时间比较长，也容易出错，对中小学生不太适用，如果是让工厂加工成PCB板，则成本比较贵，老师可根据实际情况选择焊板。
（五）主控制芯片的选择
机器人主控芯片的选择必须具有自我编程的能力，即具有程序下载的功能，才能使学生重复的进行多次練习。AVR单片机是1997年由ATMEL公司挪威设计中心的第一个姓名字母为A和v的研发者利用ATMEL公司的Flash新技术，共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR，其中的R表示芯片为RISC结构。作为增强型RISC内载Flash的单片机，它具有下面的特点：
1.速度快、时钟频率高。
2.1/0口驱动能力强、电流大.
3.丰富的片上资源
4容易上手、开发费用低，网上资源丰富
进行AVR单片机开发费用低廉，可使用ISP在线下载编程方式把编译好的程序写到单片机的程序存储器里，也可采用BootLoader程序通过电脑的串口来进行程序的更新，不需购买仿真器、编程器、擦抹器和芯片适配器等，节省很多开发费用。
四、机器人DIY的教学过程 在开展机器人DrY课程中，需要针对知识层面不同的学生进行分层教学，有些学生没有电子线路基础知识，可以从最基本的电子电路基础学起，先认识电压、电流、电阻的概念，掌握一些常用的电子元件的用途，如电阻、电容，IC脚标号的顺序等。元件的摆放和归类很重要，把相同类型的元件都放在一起，需要时候可以方便的找到给学生，对于一些常用的元件，例如电阻和电容，可以一次性买一包，这样可以节省成本，对一些Ic芯片和外围电路需要的元件，可以用一个小的元件包进行封装，在焊接某一功能模块时候，标上功能模块名称和写上IC芯片的用途—起交给学生，在焊接功能模块前，先给学生讲解该功能模块的硬件原理和电路的组成，让学生在焊接过程中学习到一定的数字电路和模拟电路的技术。
在正式焊接前，先让学生在万用板上进行试焊，比如在万用板中用电阻焊接一些简单的汉字和图形，或把数码管上显示数字的效果焊接出来。在进行正式焊接时，按照“边焊接边测试”的原则，以功能模块为单位，对每一功能，焊接好后，先检查焊接好的功能模块是否可用，以免把现在功能模块的错误影响到下一功能模块，表1为可参考焊接和练习的功能模块顺序。
进行上面的焊接后，可按下面顺序来进行综合练习，以进一步提高学生的兴趣。
（一）追光实验
利用模数转换模块，编写程序，让机器人向着光亮的地方走，实验过程中，可把机器人放在足球场地里面，让它进行追球，为提供趣味性，可以安排两位同学同时进行追球比赛。
（二）霓虹灯实验
利用数字输出口功能，让机器人按一定的方式点亮不同颜色的发光二极管，同时可把发音模块加进来，让灯亮和灭的频率跟着音乐的节奏，以实现日常生活中常看到的广告灯效果。
（三）三人接力赛
利用数字输入功能来制作碰撞开光，如果开光闭合，说明有碰撞，把A、B、c三台机器人排成一直线，A先启动，当A碰到B后，B起跑，A停止，B前进碰到C后，C起跑，B停止，之后C-直前进到终点。这里要用到电机模块让机器人一直走直线，交捧的方式为碰撞。也可利用声音检测模块，启动方式更改为拍手掌，则游戏会变得更精彩。
五、面临困难
一方面，各個学校、老师已经习惯了从机器人生产商那购买已经封装好的套件，并且在改装机器人的时候也是老师一手包办，生怕然学生自己设计改造出来的机器人比不过其它学校。学生的动手部分更少，往往存在着老师做，学生看的现象。这些现象似乎是理所当然，大家心照不宣了，没有必要再多此一举，开设类似机器人DIY这样的课程。这些实际情况不利于我们推广这门课程。
另一方面，现阶段的学生，特别是中小学生，没接触过c语言的编程，所以现在的设备提供商都在提供机器人套件的同时，提供了一套相应的图形编程系统，学生在图形编程系统上利用放置功能图标的方式来编写任务程序，基本上不用掌握c语言知识。
六、未来展望
机器人DIY活动，是将来机器人竞赛和机器人教学发展的一种必然趋势，只有把制作机器人的成本降低，才有利于智能机器人课程的进一步普及，而在机器人DIY过程中，学生参与到大部分的制作过程，包括设备选购环节，这样才能对机器人的硬件性能更加了如指掌，也给学生留下了更大的发挥空间，相信在不远的将来，每个学生都会拿着自己设计的，有着个性化的机器人来参加课外活动、竞赛，体会成功的喜悦。