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创客空间2.0:开源机器人的发展历程和竞赛组织形式

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发表于 2020-7-30 15:48:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
卷 首


数字匠人的美丽与哀愁

我本是一个情商很低的人,但莫名其妙的做了“创客教育”以后,却被认为是一个情商高的人,可能是大家让着我,也可能是确实创客教育这个圈子里的人比较简单。我生于东北的小城鹤岗,高中只知道学习,离开家乡去北京,不跟周围的“落后”的圈子打交道,班主任老师见我个性单纯,恐难以在他认为的世界中立足,于是建议我去读一个老师,于是2001年我拉着行李来到了北京师范大学。

物理系是一个容忍怪人的地方,各种高智商低情商的人的衬托下,我反而成为了高情商的人,继而也发现了自己在智商上的短板,继而放弃了理论物理的研究。大学的时候成绩最高的是普物实验,年级第一名,这让我爱上了做实验。硕士论文也是物理实验的方向,是用摄像头研究一系列的中学物理实验。虽然还是因为“情商低”,不肯向“真实”的物理教学低头,没有一所学校收我当物理老师,但很幸运,我成了景山学校的信息技术教师。

后来就投身到创客教育的研究中了,物理学让我明白定义理论体系的重要性,于是就有了“杰客与未来消费者”“构建创客教育的立体生态”“信息技术实验与信息技术实验室”的思考框架。在其中认识了很多“数字匠人”,他们做各种各样特别精巧和细致的东西,很多都是手工制作,因此应该称得上是“工匠精神”的传人,但又熟练的使用编程和建模的工具,但是他们当中的大部分人都是默默无闻的爱好者。有的是有一份教师一类的稳定工作,业余的时间做点东西;有的是一个大公司的技术人员,平时除了“装裱”自己公司的东西之外,还业余做点自己更喜欢的东西;有的是有雄心壮志的个人创业者,空有一手的技术,无处施展,在资本和信仰之间反复摇摆;有的是自己开了一个课外班,平时教一教学生编程,偶尔碰见几个基础好的,把自己的作品跟学生一起改装一下,看看能不能拿个奖;有的是“见一个,爱一个”的花心型的玩家,见到什么新奇的东西,总是要买一个来玩玩,又难以深入,结果钱花了不少,家里都快堆成博物馆了……

数字匠人(Digital Craftsman)是一群掌握数字化造物技能的爱好者、手工业或者产品原型的设计师,是个性化设计与数字制造之间的连接者。在全世界范围内,数字匠人活的也不怎么样,他们很多都是有一搭没一搭的“自我雇佣人士”,说好听一点叫艺术家、设计师,说不好听一点——真的不好意思议论人家的生活。但,这是为什么呢?因为时间还没到,花也还没到采摘的时候。本期对话的主题是“开源机器人主题的创客空间建设”,目前流行的很多主题的开源机器人其原型都来自与“数字匠人”的作品,但如何“让教育滋养创客”,则是一个始终要思考的问题。或许在搞到面包的同时坚守初心,扩大朋友圈和影响力的同时又不失去本色,是一个比较理想的答案。

但同为黑龙江老乡的萧红,恐怕没有这么乐观,作为作家,苦难的生活,也正是作品能够传世的一个因素,但百年前的“文学匠人”们,未免也太苦了。玫瑰有刺,生活和未来的生活,铸就了数字匠人的魅力和哀愁。不再单纯,仍然善良的我,与你们同在。多年以后,才知少年时的底色成就了一生难以割舍的乡愁。


北京景山学校 吴俊杰于回乡园



政策

发端于2012年,自2015年开始快速发展的创客教育当中,创客空间成为一个重要的核心要素。如果用“厨房”来类比创客空间的功能,在这五年来,很多中小学都有了自己的“创客厨房”,解决了创意“温饱”问题,然而下一步的发展便是如何吃的有营养,吃的有特色的问题,除此之外,还有就是如何把“吃”这种喜闻乐见而又不可或缺的消费行为转化为创新型国家建设的体制机制的营养的问题。为此,我们准备以下篇幅来讨论创客空间2.0的概念,其中包含核心技术和体制机制建设两个维度。从技术上我们选取了开源机器人、人工智能和虚拟现实作为创客空间升级的技术抓手,还包括从教学、竞赛、评价、升学等体制机制维度的创新和规划。在访谈嘉宾的层面上,我们注重专家、一线教师、硬件企业、软件企业、校外培训机构、综合服务商等多角度呈现创客教育在创客空间2.0阶段发展的一些新的形态。不负韶华,一直在路上。


开源机器人的发展历程和竞赛组织形式



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吴俊杰



北京景山学校信息技术、物理教师,STEM教育研究者,研究方向为创客教育的普及课程和教师专业发展,创客教育普惠课程创始人。全国中小学STEAM教育大会联合发起人,“猫友汇”社群联合创始人,家庭创客空间计划、Laserblock开源结构件项目发起人。发表论文百余篇,专著三本。在创新创业领域,致力于从教育的角度推动可持续发展理念下的模块可重用的设计,推进电子、家电、家具、建筑行业的可重用设计的理念和消费行为。



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龙丽嫦


广州市电化教育馆应用推广部教育技术教研员。广州市电化教育馆红棉创客空间联合创始人、负责人,广州市名教师工作室主持人。全国普通高中信息技术教材(粤教版)选择性必修《开源硬件项目》主编,全国中小学电脑制作活动创客项目裁判长。


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梁锦明



广东顺德德胜学校,信息系副主任。致力于中小学信息技术教学、创客教育、人工智能教育研究,顺德区中小学创客教育联盟负责人。全国中小学计算机教育研究中心网络教研员,广东省教育学会网络教育专业委员会常务理事,佛山市计算机学会中小学专业委员会理事,第20届全国中小学电脑制作活动创客项目广东省代表队总教练。


对话丨创客空间2.0:开源机器人的发展历程和竞赛组织形式


吴俊杰:我经常去广东,其实跟龙丽嫦老师和梁锦明老师都很熟悉了,特别是龙老师,我们还常常一起来做全国中小学生师生电脑作品比赛创客项目的评审,记得第一年比赛的时候现场还是浓浓的手工风、等到第二年的时候3D打印机就用起来了,再到第三年的时候激光切割机就已经开始使用了。这种“现场造物”的体验越来越好,也带动了全国创客教育现场竞赛的风向标的变化。


龙丽嫦:是啊,现场学生的建模水平也在提高。记得第一次有激光切割机参与到国赛当中来的时候,很多学生还没有见过,需要手工画图纸,然后和现场的工程师沟通,索性软件比较简单,学生们上手还是挺快的。但是过去一年以后参加国赛的学生就已经完全没有压力了,现场设计复杂的立体结构非常的熟练。


吴俊杰:龙老师,让我们稍微回顾一下历史,您是如何结缘开源硬件的呢?


龙丽嫦:说实在话,与大多数女性一样,我听到“硬件”两个字是本能性回避的,并不想去了解。但是开源却是知道的,因为在我还是广州市白云区教研员的时候,用来做教师信息能力培训的网站服务器就是开源软件FreeBSD搭建的,而搭建服务器人的骨干教师就是来自白云区景泰小学的曾祥潘老师,他也是区内乃至国内较早一批玩开源硬件的兴趣者、创客教师。而我接触开源硬件,也是因为曾老师热衷于将他感兴趣的技术和有意义、价值的玩意推送给大家。

而至后来,我、曾祥潘老师、梁志成老师创建创客流动工作室,随后发起了名为“广州教育创客空间”(后更名为“红棉创客空间”)的开源硬件和数控制造实验室建设,当我正式调入现单位广州市电化教育馆时,我就进一步推广开源硬件的普及应用,面向广州市中小学包括中职学校教师组织开展基于开源硬件和数控制造的开源机器人创意搭建培训,并演化为若干创客教育师资培训的系列活动。不得不说感谢2012年那个时期认识了开源硬件以及一批早期玩开源硬件的创客教育先行者。


吴俊杰:看来“红棉创客空间”的发展和开源硬件密不可分啊。梁老师,您又是如何和开源硬件结缘的呢?我认为,开源机器人是使用开源硬件和开源结构件,自主设计外观,制作结构,通过编程实现功能,测试效果并不断改进,最终把想法和图纸再分享出去的一个完整的机器人的创造过程。您怎么看开源硬件和开源机器人之间的关系?


梁锦明:回顾一下,我接触开源硬件的经历。其实对于开源硬件,我应该是2013年的时候开始“入坑”的,我在2010年开始在学校里开展Scratch的教学,在开展了两年的教学后,感觉有点瓶颈,想再往前走一步,这个时候,我查到Scratch是可以连接硬件的,就尝试着在淘宝上搜索相关的设备。很有意思的是,我联系上的卖家,竟然也是一位老师。同行非常有共同语言,也很容易相互信任。我的硬件之路就是从一块Scratch传感板开始的,后来慢慢开始接触Arduino。

2014年,我正式把Arduino引入到我校的拓展课程上,2017年全面进入信息技术常规课程。学校也就从2017年开展参加各类创客比赛,尤其在现场赛中表现突出,18、19连续两年代表广东省参加全国中小学电脑制作活动创客项目现场赛。


龙丽嫦:说到开源硬件和开源机器人之间的关系,我很自然就想到了机器人比赛。虽然我从事多年的信息技术工作,但由于机器人比赛的器材价格较贵、普及面较窄、开放性不足且受益学生较少,而让我却步。开源硬件无疑为机器人教育展现了新的舞台。在这个舞台上,无论是开源硬件兴趣者,还是机器人生产厂商,都可以在上面跳舞,演绎他们各自的精彩。我是这样理解开源机器人,开源机器人是指利于开源硬件搭建的具有物理运算功能的结构较完整的装置。这样,利用开源硬件的价格门槛低、技术开源,让更多的爱好者能够进入到舞台中央来,衍生出更多的机器人项目及其赛事项目,让地区差异、学校差异和家庭条件差异不再成为阻碍学生接受机器人教育的拦路石 ,有机会有可能变革一直以来因为器材问题所涉及到的比赛治理的问题,为深被诟病的学生机器人比赛注入了生机和活动。


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Laserblock@红棉创客空间的设计图纸


吴俊杰:我很认可龙老师的观点,我多次去顺德参加梁老师负责组织的的创客节,也看到了咱们的学生使用Laserblock做了很多开源硬件作品,特别是咱们现场搭建的机器人比赛,让我印象特别深刻。这说明开源机器人虽然是一个新兴事物,但是在您这里已经可以有一些经验跟我们分享了。


梁锦明:关于开源机器人项目,在顺德的开展也是一个比较偶然的事情。2017年顺德区首届教育创客节举办,由于时间紧、经验不足,比赛项目不尽人意。而区里明确了第二届教育创客节的比赛由我来负责组织与设计。为了搞好创客节的比赛,我查阅了很多地方的创客节的比赛项目,感觉都是大同小异,基本上比赛的形式都是学生制作好一个作品,到现场路演展示,学生参与度有多大并不知道。同时,我也了解到机器人项目的比赛大多是机器人企业在负责,学生的参与度其实也不高。因此,我突然萌发了一个想法:创客节的比赛是否可以做到把成绩数字量化,不再是人为主观判断打分。成绩数字化,不外乎就是时间、距离、重量等显性化的东西,如何让学生的作品能够与时间、距离、重量等拉上关系?在思考的过程中,我盯上了轮式小车这个项目。然后就找厂家切割了一批Laserblock,让小车完成一个最基本的巡线任务,通过车辆的设计和完成时间两个角度来考核学生。


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图:2018年开源机器人场地竞速项目


吴俊杰:当时我就在现场,我记得梁老师带着一群老师分器材,淘宝款的很便宜的电子件分装成一组一组的现场竞赛的器材包,然后每一组配几张A4大小的激光切割的laserblock木板,感觉就像是老师在发卷子一样。这个时候我感受到了一种机器人竞赛的“驾驭感”,可以说从2007年我工作的时候参加机器人比赛以来,从来没有这种感觉,一直觉得机器人比赛被各种器材厂家瓜分的一块儿一块儿的,老师没有驾驭感,没有命题的主动权。这一点能够在顺德实现一些改变,还是很令人欣慰。


梁锦明:2018年第二届的时候还在摸索期,学生使用的是成本在300元的器材,等到2019年的时候每组学生的成本就压缩成150元了,指导老师更倾向于让学生通过编程算法来解决问题,而不是搞硬件装备方面的竞赛,去比谁的传感器多。

我查阅了大量的关于轮式小车的资料,如何设计比赛的项目,使得学生可以最大程度地参与到比赛中来,那么比赛的规则、评分标准、对设备的要求等都是非常重要的事情。而且这些事情还不能让企业进来包办,由此,我们第一件事情就是规定了从第二届创客节开始,所有的品牌机器人将不再允许进入创客节的比赛项目之中,他们的比赛全部安排到中小学电脑制作活动的机器人比赛项目之中,创客节的比赛与中小学电脑制作活动项目不再重复。这样就为我们的创客节机器人比赛扫清了障碍。


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图:2019年开源机器人竞赛场地竞速项目


梁锦明:为了不让老师对学生的比赛干预太多,我们不允许学生自带设备,不提前公布比赛所用到的地图,赛前只公布比赛的基本评分规则(任务分+时间分),公布比赛用小车的硬件清单,学生只需要带上笔记本电脑,装好开源硬件编程所需要用的软件即可。第二届创客节虽然由于经验不足,比赛的个别项目出现一些小问题,但并不影响整个比赛的精彩程度以及学生的参与程度。到了第三届创客节,我们的项目更加完备,对硬件的要求更加简单,而对学生的技术水平要求却更高了。场地的变化、小车的尺寸要求等等,都更加真实地反映了学生的现场制作与编程水平。同时,教师赛的出现,也让老师们无法把精力放在学生比赛之上,因为他们更加头痛的是自己的比赛,假如学生拿到了好成绩,而自己成绩不好,是非常打脸的事情。由此,师生的兴致就更加高昂了。

2019年竞赛的水平,以及比赛的规则都上了一个新台阶,教师的参与热情也更高了。


开源机器人江赛场地竞速项目规则和设备清单表

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吴俊杰:龙老师,您现在的工作主要是区域层面上的整体规划,看了梁老师分享的这些特别具体的活动细节之后,您觉得此类活动的推广价值在哪里?


龙丽嫦:开源机器人的传播,有五大好处。首先最大的好处是将鼓励分享的开源理念所倡导的开放(项目)协作精神和开放社区治理给传播开来,这是我们过往在普通民众中并未广泛科普过的;第二大好处是脱离原有以主题器材分类为主导的比赛规则制订的绑架,重新规范机器人教育科普、教育教学活动开展、器材生产、商业活动推广、专家制订赛事规则的全链条活动;第三大好处是让参与者能够参与到机器人教育教学活动及其赛事规则的制订和演化中去,具体细节成为践行开源、开放准则的表现,能有效体现教育功能;第四大好处是引导师生从注重技术转向注重工程和设计,在开源机器人的DIY设计和制造中,在基于创客空间场域的指尖造物学习中,从调研、制作到调试,亲身参与开源机器人的生成过程;第五大好处是通过链条的改变,使倡导开源普惠的创客教育改革了教育的供给侧,极大地扩大了机器人教育的受益面,打破机器人教育精英化的局面,一定程度了破解了机器人教育不均衡带来的矛盾问题,促进了机器人教育的教育公平。综上所述五大好处,我可以重新给开源机器人下个定义,开源机器人是指倡导开源、开放、协作理念,借助开源机器人教育社区共治而设计、维护规则与标准的,以开源软硬件为核心平台搭建的反映技术、工程和设计特性的装置。我认为,开源机器人是为滋养创客师生提供了载体和路径之一。


吴俊杰:龙老师总结的特别好,这些优点也是为什么说“开源机器人”是创客空间2.0当中的一个先导性的活动,从具体技术上难度并不大,但是从教学效果和教学的有效性和STEM综合育人效果来说,上了一个新台阶。我记得第二届开源机器人比赛当中,学生还不会使用Laserblock的榫卯结构,应该拧螺丝的地方用热熔胶粘,这样影响了整体的美观度和模块的回收质量,之后是不是就好很多了。



梁锦明:是的,像2019年就不允许学生使用热熔胶,而且不再发放已经切割好的小车底盘,所有底盘必须要现场设计现场制作。器材要签字领取,不能归还的,学校要赔偿。这些细节的建设,保证了活动的可持续发展。在2018年的时候我们现场只有1台激光切割机,大部分学生是使用统一规定的的底盘参加走迷宫比赛,到2019年现场有7台激光切割机,学生都是在自己设计小车底盘,对于走迷宫这个项目来说,超声波测距传感器的安装角度非常关键。统一设计的底盘虽然方便,但是还是不如现场设计和制作、调试的底盘效果好。这也说明活动的效果得到了认可,教学水平和设施环境都得到很好的改善。


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[size=13.3333px]图:现场设计和制作的走迷宫小车更能够体现学生的主动性
[size=13.3333px](上图18年使用的统一的laserblock底盘,下图2019年现场自制的机器人小车底盘)
[size=13.3333px]
     梁锦明:不少的学校在创客节比赛结束的时候就开始打听明年创客节大概的方向,有学校围绕着创客节的项目在学校里开展相应的第二课堂的课程,有学校甚至着手编写创客节项目中开源机器人比赛的相关教材,这些都让我们感到鼓舞,开源机器人的比赛方向是正确的,而且开源机器人比赛反过来会影响到创客马拉松的成绩,这也是2019年顺德区能有3位同学闯进中小学电脑制作活动创客项目全国总决赛的很重要的支持。今年,我们的开源机器人比赛项目将全面引进人工智能,场地竞速、迷宫竞速项目都将提供摄像头,让有能力的学生可以通过人工智能视觉识别进行开源机器人的设计。估计今年的比赛精彩程度会更上一层楼。

吴俊杰:龙老师,作为创客教师队伍的带头人,还想听听您的意见。


龙丽嫦:开源机器人从民间实践活动,到带头者发起“开源机器人“的推广,我感觉近五年也积累了不少经验。首先,普及最为广泛的就是以Arduino系列为代表的开源硬件平台的学习和使用,基于Arduino UNO 或NANO,全国各地创客教育师生玩出了不少令人愉悦的成果,也让全国中小学电脑制作活动的创客项目现场赛成为最为耀眼的活动。在全国普通高中信息技术课程教材,相信五套教材五套都有提到Arduino开源硬件及利用它搭建的开源机器人项目。

其次,我最为看好的就是Laserblock项目,因为它利用激光切割机满足和实现了机器人结构件的结构开放、样式多元、制件可重用、技术开源等这几个典型需求,让激光切割的木制结构件可以堆满在家庭创客空间、校园创客空间的制作桌上,让我们步入了开源机器人的时节,就如吴老师你所说的“彻底告别机器人物质匮乏的时代”。至于开展开源机器人的活动形式,基于项目搭建的项目学习活动是最好不过的,但据我观察到的一些情况看,偏重于技术步骤的学习,缺乏对项目整体调研、设计和迭代的整体教授,对学生的设计思维、计算思维和工程思维培养方法的认识,需要进一步增强认识。


吴俊杰:我身边有不少乐高积木的粉丝,我自己也有一些朋友在机器人公司从事积木设计的工作。这些设计好的积木或者成品都有一个共同的特点,就是“天才的设计,傻瓜的应用”,教师拿到这些成品的积木,没有改进的能力,只有按照说明书“照本宣科”,自然没有教学的热情。学生学习了一些基础知识之后,很快就面临着知识的天花板,难以从机械和电子这两个角度开展更深入的教学。设计软件-加工设备-机械知识-电子模块-电路知识-编程水平-竞技意识是一个“七合一”的综合结构,他们共同构成了机器人作为一个非常好的信息技术、综合实践、劳动技术的结合点独特的教学价值,有了开源机器人,机器人的教学价值才能充分地挖掘出来。这种能力才能够更适切的配合高校相关专业的育人要求,对于未来建立适应创新型国家建设的选材育人体制也有着重大的示范意义。

创客空间的升级是近几年创客教育发展一个自然需求,而作为创客空间2.0而言其发展也肯定不单单是技术的进步,这次突如其来的疫情,一方面打乱了很多人的安排,另一方面也让我们意识到家庭作为创客教育的载体的重要性,像今年2月到4月由中国仿真学会组织的“全国青少年网络创客马拉松”活动当中,很多学生报了“开源机器人”的项目,此时大部分的学校还没有开学,这位同学没有任何设备加工设备的情况,自己绘制图纸,用家里的泡沫塑料完成了一个机器人消毒车作品的设计。


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图:用泡沫塑料板制作的开源机器人作品


梁锦明:我觉得开源机器人推广起来成本是很低的,政策比经费重要。回过头来看我们顺德区的开源机器人教育之路,创客节比赛项目的改革是非常重要的,也正是因为有创客节的比赛作为引导,再加上顺德区教育发展中心的大力推动,尤其是2019年第三届创客节启动镇街预选赛,要求全区所有初中、小学必须参加镇街预选赛其中一个项目的比赛,区属高中和职校必须参加创客节的其中一个项目比赛,如果不报名,将在年终绩效考核中扣除信息化项目的积分。

一项规定就把开源机器人比赛推广到全区所有的学校,而教育发展中心联合顺德区创客教育联盟的讲师团,借创客节的机会,连续三年举办全区的创客教育培训,要求所有学校必须派人参加,提供培训用设备,甚至培训完可以把设备带回学校,保证了每所学校均有两个以上老师参加过创客培训,每所学校都至少拥有一套开源硬件的入门套件。

顺德区创客教育联盟讲师团,把自己多年来玩开源硬件的经验归纳起来,给全区学校推出一套开源硬件的入门套件,所有的设备均源于网络,没有企业在中间赚取高额利润,坚持走草根、平民化路线,推广万元创客计划,一所学校装备起一个开源机器人的实验室,基础设备一万元内完成。同时也联合镇街教育局,支持部分经费充足的学校购买激光切割机、3D打印机等设备,然后片区兄弟学校可以到该学校去使用这些设备。使得顺德区的创客教育以及开源机器人的教育可以顺利地开展下去,并能真正地使学生得到了锻炼与成长。




结语:相信很多老师最后看到“万元创客计划”都觉得眼前一亮,这一期我们聚焦在开源机器人的发展历程和竞赛牵引下的竞赛组织形式的探讨,毕竟中小学机器人活动有一个“以赛促学”的历史传统,但是开源机器人不是一个空降的概念,它有着庞大的群众基础,下一期我们以开源机器人课程和开源机器人主题的创客空间建设为抓手,呈现推动开源机器人的“任务清单”,力争让教师和学校有更明确的操作规范,“即做好蛋糕胚的工作,又做好奶油和水果装饰的工作”是创客空间2.0阶段的一个基本的工作要求。


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