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创客空间2.0:开源机器人主题的创客空间的建设-案例

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发表于 2020-7-30 17:35:47 | 显示全部楼层 |阅读模式

前面,我们分析了从学生发展和现场竞技的角度开展开源机器人教学的必要性。下面的对话将围绕开源机器人主题的创客空间建设展开。

记得我用过的每一款“积木式机器人”都有一张很精美的说明书,告诉我如何使用里面的积木搭出一个特别可爱的机器人,学生往往跟着这些说明书操作就能够获得不错的成就感,但是再往深入探究可能就差一些了。让学生像专家一样思考、解决类似专家会遇到的问题,是探究教学的意义所在。从科学探究到工程探究,让学生像机器人工程师一样思考,则是开源机器人主题的创客空间能够有效促进学生学习效果的理论基础。

我们邀请到有特点的开源机器人主题创客空间的负责老师,谈一谈如何建设和运营开源机器人主题的创客空间,以及从事创客教育过程中的酸甜苦辣,这更像是一个专门的研讨会,并试图提出开源机器人主题创客空间建设的一般结论。


对话丨创客空间2.0:开源机器人主题的创客空间的建设-案例


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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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周茂华


深圳市第二高级中学创客教育研究中心负责人,全国普通高中信息技术教材《开源硬件项目设计》主编(人教地图版),中国电子学会现代教育技术分会创客教育专家组副组长,致力于研究创客教育与STEAM教育的普及发展,出版专著《创客时代的学习方式创新》,国产开源硬件“掌控板”项目联合发起人。


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王培鹏


内蒙古巴彦淖尔市第一中学创客教师,硕士研究生,中学一级教师,国家机器人西部教练员,辅导3名学生获青少年机器人大赛国家二等奖,内蒙古青少年机器人竞赛骨干裁判员,辅导30多名学生在自治区科技创新大赛中获一等奖。



吴俊杰:2019年的冬天,我从南到北做了一圈调研,走访了当时比较重要的创客空间,访问了熟悉的老师和企业。调研的目的就是如何在2020年帮助创客教育能够有一个2.0层面上的深入的升级,升级一方面需要保留原有的优秀的成分,另一方面也需要将一些新的理念和方法聚集起来,应该说开源机器人主题的创客空间是原有的创客空间升级的一种产物。将造物和机械制造结合起来,开源硬件的智能控制,罩上一个机器人的壳,是一个很好的继承创客空间1.0阶段在3D打印、开源硬件和图形化编程领域的积累的课程资源的一个好方法。今天请来的两位老师来自一南一北,首先也想请各位来比试比试,介绍一个自己制作的拿手的开源机器人。


王培鹏:我先来吧,我担心来自深圳的高大上的机器人一出场,我们的作品就不好意思出来交流了。这是一个多足的3D打印的机器人蚂蚁(如下图),每条腿都有3个舵机,可以独立运动,头部的夹子还可以像真实的生物界的兵蚁一样,能够“咬人”,主控采用的是Arduino配合舵机拓展板,整个长度为五十厘米,自然界可没有这么大的蚂蚁。这个机器蚂蚁是我们创客空间的明星,每一次都会有很多人喜欢它的表演。


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图:使用3D打印和开源硬件配合自主设计的机器人蚂蚁


吴俊杰:我去巴彦淖尔培训的时候,我自己也特别震惊,原本在跟全市老师交流的时候,感觉咱们这边的创客教育还刚刚起步,但是来到咱们一中,看到王老师将信息技术和通用技术教室打通,改造出来的校园创客空间的时候,我着实震惊了,不光是创客作品,更重要的是晚自习之前主动来创客空间学习的学生们更让我感动。王老师这个作品3D打印的尺寸很大,这需要3D打印机的加工比较稳定,另一方面使用Arduino的2560主控,实现更多的端口控制,保证了这么多关节的灵活运动。周老师,您带来的是怎样的一个开源机器人呢。


周茂华:既然王老师带了一个3D打印的大家伙,我这边就介绍一个用激光切割机加工的开源机器人,就是在我们深圳第二高级中学上课经常用“小伙伴”,它的名字叫“创立方”。开源机器人的项目,如何普及发展确实是一个值得认真思考与研究的问题,2019年我发起了《一起来玩掌控板》强师行动计划,采用工作坊的形式开展,帮助全国各地开展师资培训,那我们就开始思考如何能做一款普及化的开源项目,更好地帮助各地开展工作坊,能在40分钟内就能让机器人动起来的项目,成本在200元左右就行,同时也可以开发物联网、创客等相关项目,采用开源的方式提供给广大师生应用。这个小方盒子就是我们的研究成果,我觉得开源机器人设计和应用是普及机器人技术,让机器人常态化走进课堂的一个重要的方式,像这个“创立方”,我们学校自己的创客空间就可以在一天之内“生产”出一个学期使用的五十套教学器材,学生上课损坏了一些部件也完全不担心,损坏了,说明设计有缺陷,老师和学生一起来修改刚好是一个好的教育契机。开源机器人,让机器人告别了物质匮乏的时代的同时,给了老师和学生更好的、更真实的学习体验。


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图:深圳第二高级中学师生自主设计的开源教学机器人“创立方”


吴俊杰:在2019年暑假的第七届全国中小学STEAM教育大会的时候,创立方刚刚亮相,就得到了很多老师的认可,现场的工作坊人头攒动,人们看到三张A4大小的木板(如图3),就能够有这么多的玩法,觉得很有意思。据我了解,目前全国范围内也有不少老师使用“创立方”并且改进和创造属于自己的开源机器人结构件,这还是有赖于近几年在激光STEAM教育、开源机器人设计软件、以及普惠式的开源机器人模块这些领域的发展。


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图:“创立方”开源机器人图纸


周茂华:有了想法,就要行动,这是创客的精神,敢想敢干,开始研究一套确实可行的解决方案,采用随手可得的木板做为结构件的原料,利用身边的数字制造工具配合完成设计,外观采用立方体的框架,便于搭建,可以结合掌控板快速的搭建好基础的机器人项目,在此基础上可以扩展很多传感器模块,也可以轻松的安装舵机、机械臂、马达等(图3)。这个项目起名为创立方,原意也是创立方造无限的意思。

我们经过10多次的修改图纸,第一稿的定稿于2019年7月4日正式在开源社区发布,后来又根据各大厂商提供的模块设计了多种规格的解决方案,目前有很多学校,包括中国台湾、香港、澳门等一些地区的一些老师也自行下载创立方结构件应用于课堂,一些教育企业也会在他们的创客套件或机器人教学套件中配送创立方的解决方案。小小创立方,能给开源机器人项目带来不一样的体验,相信之后一定会让更多人参与到开源机器人项目中来,共同推进开源机器人项目的普及化。


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图:安装了两个机械臂的“创立方”在彼此对战


吴俊杰:两位老师都带来了自己得意的开源机器人作品,那么从事创客教育这么多年,二位又是如何来看待开源机器人主题的创客空间对于校园创客空间升级的意义呢?


王培鹏:巴彦淖尔市第一中学创客空间是一个为全校师生提供创意实现、分享交流的实践平台。空间提供创意设计、原型开发、电子制作、机械加工、编程测试等所用的软硬件设备。通过在实践中综合应用STEAM科学、技术、工程、艺术、数学等学科知识和创造力来解决问题和创造事物。创客空间的空间区域分为五部分:一是演讲展示分享区、二是电子电路测试区、三是程序设计与模拟飞行区、四是活动区、五是机械加工区。(如下图)


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图:巴彦淖尔市第一中学创客空间


王培鹏:对于开源机器人的教学,我们也没有特意的说一开始就去研究开源机器人,而是说玩着开源硬件的各种应用,一些简单的项目做完了之后,无论是老师还是学生自然而然的就喜欢上了一些更有趣的“能动”的开源硬件项目。我们就在创客空间里面铺设了机器人的赛道(下图),然后去自主的设计一些机器人开展一些校内的竞赛和活动。


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图:在创客空间当中铺设的机器人跑道


王培鹏:在玩的过程当中,我们的机器人设计水平自然就提高了,在这里面我有一个先天的优势,就是在我们的创客空间当中既有信息技术老师又有通用技术老师,我们可以很熟练的使用通用技术教室的各种钣金设备,还有新配备CNC数控机床。这些能够让我们去实现一些比较复杂的机械结构的设计(下图)。我觉得开源机器人主题的创客空间的升级一方面是要配备一些新设备,但更主要的是用机械设计+开源电子的思路把已有的设备用好。

我们创客空间的开放时间也会有很多学生过来继续完成他们的作品,即使他们遇到了家长和老师的不理解,但是学生还能抽出时间来做项目和作品,我们老师也应该支持他们,他们有很多创意和想法,虽然有的在我个人看起来不合理,但我觉得还是应该支持他们,有的作品虽然没有实用性,但是很好玩,好玩也是一种用途,而且我觉得是越来越有价值的用途,很多机器人的用途也许不是有啥特殊的用途和功能,也学不到太多的知识,仅仅是好玩,我觉得也就够了。有不少学生就是为了好玩来的,例如机甲战车的制作,模仿大疆的机甲大师,学生觉得挺好玩,但是有点贵,问我能不能自己制作一辆,我开始也犹豫的说,应该可以,试试吧,后来经过半个多月的努力,也把它完成了,虽然远比不上大疆的高级,但基本功能也有了,也挺好玩,过程中学生也学习了相关的知识,我也鼓励他们,大疆的创始人汪涛可以说也是一个创客,玩机器人和无人机的,如果你在机器人方面好好研究发展,以后说不定也会有一些成就,不一定有多大,但以后的社会需要这方面的创新人才。


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[size=13.3333px]图:全向轮机甲战车
[size=13.3333px]可以通过手机遥控发射水弹
[size=13.3333px]

周茂华:我认同王老师的观点。说起我们学校的机器人教育项目,时间要回到十多年前年了,学校于2009年开始筹建机器人社团,也就是说二高创客要晚于机器人社团3年,目前机器人实验室与创客空间是两个不同的物理空间,但属于一个管理团队,学生共享资源,提供给学生开展机器人与创客活动的地方超过了1000平方。目前建有开源硬件实验平台、机械加工坊、数字制造工坊、型材加工车间、机器人比赛场地、项目孵化室、路演展示区等完善的教学环境支持系统。(下图)


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图:深圳第二高级中学创客空间


周茂华:从机器人到创客,这十多年来,一步一个脚印,我一直认为教育就应该是慢慢来的,求真更重要,探索一个模式,对了就要去坚持,开源这件事,我认为是做对了。随着创客教育的发展,我发现开源硬件的普及可以让更多学生参与机器人项目,利用开源硬件,自造结构件,老师也能去开发出开源机器人项目,也能引进开源机器人项目,并不一定要机器人企业的支持才能开设课程。

我发现,现在大多数学校都有了创客空间,要开展开源机器人项目其实也就是增添一些耗材就可以了,增加一门开源课程,这些更是一些软性的投入,工具应用并不需要重复投入,另外器材方面不用追求高端,够用就行,不一定要工业级的设备,只要能稳定运转有售后保障的产品就可以了。开源是一种文化,慢慢的也会变成一种习惯,为了方便老师们参考,我把如何建设一个开源机器人主题的创客空间的方案也“开源”给老师们分享一下(如表)。


创客空间2.0——开源机器人基础配置

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吴俊杰:周老师真的是把开源精神贯彻到底的一位“开源文化布道师”,我自己也亲历了周老师组织了多次的“深港中学生创客马拉松”活动,周老师自己的学生也有好几位在高中时代就开始了创业。我觉得无论是预先设计的开源机器人主题的创客空间,还是自然而然投入到开源机器人学习当中的创客空间,都表现出一种发自内心的创造力和幸福感。这也是创客教育能够不断发展的动力源泉所在。


周茂华:我觉得还是要感谢深圳第二高级中学的创客教师团队(如下图)。自2012年将开源文化引进校园,并同年筹建了二高创客社团,一开始我们的创客社团是2个老师与8个学生开始的。我们从网上淘来激光切割机和3D打印机开始创客,也正是有了开源硬件与数字制造工具的引进,同时为机器人项目注入了新的元素,只要规则没有限制的,学生也都会想到怎样改进机器人,显然这还不是我们今天聊的开源机器人项目,只是原来的机器人应用了一些开源硬件技术去支持与改造。但梦想就是伴随着创客教育的发展慢慢实现的,团队也慢慢壮大。


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图:深圳第二高级中学创客空间教师团队


周茂华:比如说我们创客空间的秦峰老师,他原本是高中的生物老师,特别喜欢机械相关的东西,从09年开始接触教育机器人,其中也经历了很多不同品牌的教学机器人。他跟我说,早期学校的机器人教育都是有社会机构等推动的,先后做过很多品牌的机器人项目,比如足球机器人项目、救援机器人项目,这些机器人项目都是特定主题,因为其配件成本高昂、技术相对封闭和赛事项目单一等原因,慢慢就放弃了,其实在国内开展过机器人教育的中小学都有过大致相似的经历,被人牵着走很是被动,机器人教育往往不能面对大多数学生,都是小众的群体。而开源机器人则解放了教育生产力,释放了师生的创造力。

我认为开源机器人源自于开源硬件和软件,我认为制作和设计使用的机器人,只要主控电路板是开源硬件并且底盘动力由开源软件编写程序用开源硬件驱动,这就是开源机器人。开源机器人因为其门槛低、成本低、材料容易获得、开放性等特点,老师和学生在使用时容易上手,在设计制作时能够激发更多的创意,可以从不同的角度去学习机器人相关的知识。


吴俊杰:是的,让机器人教学获得真正的驾驭感,让学生像专业的机器人工程师一样思考。


王培鹏:我要谈谈这里的辛苦。机器人这个领域一直是比较累的,尤其是到参加一些机器人竞赛的时候,老师没有周六日的休息是常有的事情。但是还是有一些其他的因素制约着开源机器人的发展,首先是经费的问题,一个新的机器人的制作需要购买很多新的材料,学校第一次购买的材料往往不够用,例如:每制作完成一个机器人需要很多的舵机,再次等待学校购买往往等待时间太长,无法及时的完成调试,影响项目的进度。还有就是知识的储备问题,机器人制作虽然是依据一些开源的教程,但教程多数都不会面面俱到,很多教程都是要求学生和老师具备一定的机器人知识基础和相应的软件编程知识才能完成,例如:我们制作的蚂蚁机器人,首先要求会使用电烙铁焊接,3D打印机的使用,C++编程的基本知识,手机APP图形化编程的基本知识,基本的电路测试调试等知识才能完成。在制作过程中,如果使用到激光切割、数控机床加工则需要老师具备相应的知识和技能的储备,如果是参加一些比赛,做一些创新方面的作品,对老师和学生的技术要求则更高,所以感觉要学很多东西,自己在不停的学习,但是感觉需要学习的东西越来越多啊!第三就是新技术的压力。Arduino还没有彻底玩明白的时候,人工智能来了,需要学习Python编程,没有人指导,网上学习效率很低,遇到相关问题,作为一名高中老师,也没有合适的人去请教,只能自己苦苦搜寻,慢慢摸索。其实我们很需要一个组织或者一个协作共同体,来统筹开源机器人的整体发展,分享新技术或者组织一些活动。

还需要有类似的社区将创客学生组织起来,参加创客活动的学生中有很多优秀的学生,其中让我最想念的学生是现在已经上了大二的王嘉恒。回想起来,王嘉恒就是那种深度具备创客特质的学生,造物可以给他带来比一般人更多的创造乐趣,造物的过程是一种享受,你可以看到他的专注、痴迷或者是进入一种心流的状态,造物的成果似乎也可以给他带来一点与众不同的优越感,也许这就是内驱力和外驱力的一种结合产生的持续兴趣。记得在制作“实时温度控制衣”的时候,他设计了加热装置、水循环散热、温控显示等装置,最后集成到一件衣服中、设计改进了几十遍,那个时候我有的时候晚上陪他一起制作,有的时候他自己和几个同学一起在实验室或我的办公室设计改进,最后虽然显得有些笨重的衣服,但还是实现了他设计的所有功能,自己买其它东西都很节省,但再购买所用的器材方面就比较舍得,确实是喜欢创造。把这种学生送到合适的大学的相关专业深造是一种教育资源优化配置的表现,于此同时如果能够有一个平台,让学生们能够相互学习,也是激发一个我们这么大的国家的学生创造性的一种机制。


吴俊杰:是的,由中国仿真学会主办的“2020全国青少年网络创客马拉松”就是这样的一个平台,教师可以在上面点赞他认为优秀的作品,学生也可以在线展示自己的作品,而且全年有不同的主题,让创客教育常态化开展,过程性评价起来。恰好,今年暑假的主题就是“开源机器人带给我快乐”,起这个名字的初衷正是看到许多玩开源机器人的师生们的内在的快乐。此外,作为一种教学相长的活动,创客马拉松还提供很多的在线培训和公开课,我相信“创客马拉松”可以成为一个公共的平台。

因为版面有限,可能老师们也没能聊得尽兴,也有可能我们的读者还有很多疑问想咨询两位老师。我们结束的时候建立一个钉钉群来解答老师们的疑问吧。群号为31465677,群里面也有很多直播讲座,方便更多的老师和机构进入到开源机器人教学和开源机器人主题的创客空间的建设当中,推动创客教育的纵深发展。

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