人工智能普及教育：利用Micro:bit进行轮式机器人的设计与制作
作者：高凯（北京市第二中学）
Micro:bit是近年来被很多中小学学生和科技教师青睐的一款控制器，以其体积小、集成度高、操作简单等优势迅速在校内普及。将Micro:bit控制器结合相应的拓展板能够完成很多项目的制作。本文中，以轮式机器人的设计与制作为例，向大家介绍基于Micro:bit控制板的项目式学习。
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项目背景
轮式机器人是机器人领域中非常经典和常见的一种机器人，很多同学接触和学习机器人知识都是以轮式机器人作为开端的。与此同时，在日常生活中的生产、运输中用到的机器人也都采用轮式移动的方式。我国设计制造的“玉兔号”系列月球车，也属于轮式移动机器人。在教学中，向学生介绍“玉兔号”月球车的基本原理及背后的科研故事，培养树立学生正确的价值观，激发学生学习本项目的热情。
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项目目标
本项目是一个综合性的设计与制作项目，需要学生综合运用自己所学的各学科领域知识进行方案设计、问题解决，最终达到预期目标。
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项目简介
在此项目中，学生设计的轮式机器人要完成一些既定任务。从机器人的结构设计、程序设计、材料选择等不同方面以目标为导向，完成机器人的制作，并在场地中完成测试。
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实施过程
项目制作过程中，依托工程设计周期的项目制作环节，培养学生核心素养全面发展。
创设情境，激发学习热情，明确项目目标
高中学生在逻辑思维能力上和动手实践上有很好的基础，学生已经对机器人的基础知识有了初步了解，能够了解机器人系统中各个子系统的功能及主要组成，学生喜欢参与项目式学习，并期待能够在与同学的合作下完成作品。基于对学生情况的简单分析，首先要通过一些学生感兴趣的话题，激发学生参与项目学习的热情。在项目的导入环节，通过月球车和火星车的介绍，引出本项目的具体目标。
小组内讨论，确定最终方案
前期每个同学根据自己对任务的理解，形成了自己的方案。接下来，再以小组为单位完成最终方案的确定。在查阅资料的过程中，每个同学都有自己的关注点，在确定小组最终方案前，需要经过大家的充分讨论，结合项目制作的时间、材料等客观情况，确定一个最适合的方案。
依据方案完成项目制作，遇到问题及时调整
按照各小组确定的方案及人员分工，经历零件加工、组装调试、程序设计等几个环节，完成移动机器人模型的制作。具体环节有：①学生根据小组讨论确定的设计方案，使用计算机绘图软件完成各部分零件的设计；②根据设计图纸，使用激光切割或者3D打印等加工设备完成零件加工；③将加工好的零件进行处理，将处理好的零件与标准件进行装配；④完成机器人结构组装之后，使用BXY编程软件对Micro:bit控制板进行程序设计，经过调试，保证机器人能够正常移动。软件中有较为丰富的库文件，通过调用库文件可以实现对直流电机、舵机等输出设备的控制。
任务测试，提出更优的改进方案
任何设计都不是完美的，在测试中还会出现一些问题，需要进一步迭代、改进。学生将制作完成的机器人在场地上进行测试，按照评价标准从灵活性、越障能力、爬坡能力等几个方面对机器人进行评价。及时发现各组方案设计的优势与不足，并能够根据不足提出适当的解决方案，对设计进行优化。
项目制作过程中，每个小组都有自己的设计思路，也都形成了一定的制作经验。此交流环节中，邀请每个小组的学生进行分享，分享自己在设计制作过程中的成功经验，让更多的同学能够有所借鉴，共同提高。
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总结与反思
突出以学生为主体的学习过程
本项目教学始终本着以学生为主体的教学理念，从最初发布任务到学生自主设计解决方案，再到学生设计制作模型，自主在场地上完成模型测试，最后总结机器人的优势与不足。教学的各个环节充分体现了学生的主体地位，教师则是教学的引导者，通过设计活动和问题激发学生的思考。
以我国科研成果为项目导入，培养学生正确价值观
本项目教学的引入以我国“玉兔号”月球车为例，介绍移动机器人的特点，载体选择考究，既能让学生了解移动机器人的特点，又能让学生感受到我国强大的科研实力。在模型制作和调试过程中，让学生感受科学研究的不易，引导他们形成正确的价值观。
以机器人为载体，培养学生人工智能意识
人工智能正在逐渐走进我们的生活，本项目以移动式机器人的设计和制作为主线，让学生在制作中学习人工智能相关知识。学生经历体验、思考、实践、探究等几个环节和过程,实现与人工智能技术的亲密接触。在未来的项目拓展中，可以增加更多人工智能技术的运用。比如，在机器人上增加摄像头，通过图像识别技术引导机器人完成标签识别、面部识别等经典人工智能的功能。
总而言之，移动机器人制作项目是一个综合运用知识与技能的项目。通过这样一个项目的制作，为学生创造学以致用的机会，更加深刻地让学生理解知识的学习不能停留在其表面，更要理解如何灵活运用知识解决问题。
原文刊载于《中国科技教育》2021年第9期新技能栏目，作者 ：高凯（北京市第二中学）。原文有所删减，中国青少年科技辅导员协会会员可 点击 “阅读原文”登录杂志官网免费浏览全文。
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