中国青少年机器人竞赛
基于目标建构法的儿童垃圾分类意识培养创意机器人设计
（一）活动背景
机器人融合了计算机、机械、电子、通信、控制、声、光、电、磁等多个学科领域的知识。机器人创意活动既教会学生去思考，又让学生通过动手、动脑，培养综合素质。学生通过亲手组装机器人系统、检测调整传感器、编制调试控制程序等工作，能够使学生的综合知识水平得到提高，使学生的动手能力、逻辑思维能力、综合应用能力、创新能力等都能得到全方位训练和提升，对进行学科知识渗透、引领学生职业生涯规划，培养素质全面的创新型人才具有重要的作用。
基于目标建构法的循阶造物与启发变化实战训练是一种在青少年创新教育中有效指导物品制造、创造的有效方法体系。在儿童垃圾分类意识培养创意机器人设计中，基于目标建构法的循阶造物与启发变化实战训练过程能有效培育学生创新技能和创新思维，围绕建构目标，通过拆解认知、模仿造物、主题变化造物、创意研究造物的不断进阶，对照目标挖掘技术学习、技能形成、创意设计、建构重组、修正完善中所体现的创新意识、创新思维，激励学生用创新的方式思考如何让作品具有创新。
（二）活动步骤与目标
1.活动步骤（如图8-32所示）
图8-32 活动步骤
2.活动目标
知识与技能：了解垃圾分类和机器人结构组件的相关知识，理解机器人搭建和机械传动的基本原理，能够正确完成机器人系统的组装，调试运用相应传感器并编制适当程序，实现合理的人机交互。
过程与方法：学生通过拆解认知、模仿造物、主题变化造物、创意研究造物的进阶过程，提高自身创新能力和意识。学生借助对照最初目标，完成、评价并改进自身作品，不断积累知识与技能、体验不同方案的不同实现过程，培养创新能力和意识。
情感态度与价值观：学生能够平等地与老师、同学交流，主动学习相关知识、技能，主动寻求帮助，主动整合资源以完成作品并持续改进，体验创意机器人制作的无穷魅力。
（三）活动过程
1.准备阶段
（1）信息搜集与材料准备
针对儿童垃圾分类意识培养机器人这一主题，从硬件到软件，从技术到经验进行全方位多角度的信息收集，包括制作心得、技术学习理解、使用方法、设计思路方式、技术选择，技术的工艺材料，步骤流程，创新理念、成功经验、价值效应等内容。
准备协调包括FLL机器人积木材料及其控制、传动和感应设备，亚克力原料及加工设备，FTC机器人配套材料及arduino控制、感应和执行设备。
（2）学生选拔与知识、技能学习
在初三年级已经完成全部学业内容并保送本校的学生中召开宣讲会，在学生报名的基础上组织选拔面试，对学生的参与动机、自我期望、发展潜力进行合理打分，最终选拔出适合的队员并组建创意机器人设计团队。发放相关学习资料，要求学生形成多篇学习笔记。落实专门场地和不同类别、材质的机器人供学生拆解使用，为学生适应项目做好铺垫。
（3）实地调研与专家指导
学生以实地调查、问卷和访谈形式对儿童垃圾分类意识培养问题展开调研，通过小组展开头脑风暴，结合查新过程，完成对机器人创意作品的结构和功能定义，明确细化建构目标。请市区相关领域专家到学校给学生做技术讲座，和中学指导教师、学生一起开创意设计论坛并保持长期持续的联系，既保证项目不偏离合理轨道，又保证能够获得持续及时有效的指导。
2.循环制造阶段
（1）模仿造物
按照先模仿，再变通，最后独创的进阶思路，模仿造物环节不可或缺。教师给出分步骤的图纸，学生用FLL机器人积木元件搭建一个垃圾分类机器人，通过尝试搭建和实际测试，理解其工作原理，进而再反思机器人的制造过程、依据、方法、流程。
（2）主题变换造物
以建构目标为标准，要求学生从完整设计制造的全局思考整体的再设计和制造方案，运用亚克力材料加工制作基础结构原件，把原有的基于FLL的闭环接口扩展到基于arduino的开环接口，把基于图像识别的交互扩充到语音和图像综合作用下的交互方案，同时注意将改变限定在同等或接近的造物程度范围，反复启发造物时变化带来的思考，每一次不追求过多改变，鼓励学生多尝试，多从失败中走出来。
（3）创意研究造物
综合考虑机器人的实用场景、稳定耐久需求、功能要求，选择FTC结构器材进行架构搭建，以arduino控制器为核心进行整体建构。
儿童垃圾分类意识培养机器人可以通过在垃圾箱上嵌入的显示屏和语音播放设备，结合语音识别和图像识别触发机制，实现与儿童的游戏互动过程，以寓教于乐和行为强化的方式实现垃圾分类意识培养。
学生们设计了一种基于互动游戏学习的拟人化机器人“酷酷”。即通过识别技术识别垃圾种类，然后根据垃圾种类介绍垃圾的分类常识以及如何回收利用。针对小朋友的身心发展特点进行垃圾分类实物游戏，学习并强化分类意识。对于正确投放垃圾的小朋友还可以给予一定的奖励。
学生采用了介电识别与图像识别技术来实现对垃圾种类的识别。为了实现儿童垃圾分类意识的培养，学生们为机器人安装嵌入式计算机和显示屏及音响，当机器人识别到不同的垃圾并让儿童投放后，机器人向计算机发送数据，计算机通过屏幕识别和数据接收，获取垃圾种类，然后根据预设的FLASH交互动画，在小游戏中培养儿童垃圾分类意识。
（四）改进优化问题解决阶段
1.系统兼容协调问题
考虑到开源功能，学生们在创意研究造物的最初阶段使用Arduino主板作为主控芯片，亚克力作为外壳，通过步进电机进行控制，但在开发过程中发现，Arduino硬件过多、连线复杂，存在问题过多，并且Arduino不能很好的为步进电机提供电压和控制，并且亚克力板不能提供稳定的支撑，于是经过广泛查阅资料，发现FTC机器人主控器的稳定性高，并且提供了简易的编程方式和灵活的控制机制，学生们经过反复沟通决定使用FTC组件进行结构搭建和驱动控制。
2.人机交互问题
在模仿造物阶段的实物测试中，由于EV3为闭元，无法完成参数传输。学生们通过多次试验也没有发现EV3中相关代码，并且EV3主机蓝牙传输也存在不确定性，难以将数据直接发送到电脑，并且EV3没有提供介电常数。经过研究和考虑，学生运用屏幕识别技术，通过检查EV3调试程序在屏幕上显示的内容，并且检查像素点，结合VB编程，实现数据的闭元传参。
3.垃圾准确识别问题
在变化造物阶段学生发现不同的垃圾在交变磁场与不同频率的弱电场中磁化能力和导电能力随着材质的不同而不同，那么不同的垃圾主要拥有不同的介电常数，以此可以初步判断垃圾的大致材料。测试中发现，不同种类的垃圾因为构成不同，有可能介电常数大致相同，于是学生们想到了图像识别。即通过垃圾桶前方的摄像头拍摄垃圾的图片，然后通过无线局域网上传到服务器，然后，服务器通过结合位点分析、区域取样等识别方法进行判断，然后结合介电常数进行详细判断，在这之后将数据回传到机器人，机器人根据结果，控制电机，打开相应的门，方便投放对应垃圾，实现垃圾分类。这一过程极快，人们也不需要等待。
（五）评价方案设计
1.对项目计划的评价
（1）学生对知识的获取度
在儿童垃圾分类意识培养项目活动中包含各种结构零件，这些结构件可以组成生活中存在的各种简单、复杂的机械结构。不同的传感器、控制核心、执行端同样需要理解运用大量知识内容和技术原理。学生对课外知识的学习和有效运用是创意设计得以完成的重要基础。
（2）学生对技能的把握度
机器人机械设计与机器人伺服控制密切相关，包括机器人运动学、机器人静力和动力、机器人位姿误差、机器人典型机械结构、机器人移动技术、步行机、特殊表面移动机器人、关节伺服控制与关节传动的机电一体化设计、谐振、摩擦、空程、传动误差及其估算、关节伺服中的位置检测装置等。学生需要综合运用软硬件原理进行二次开发，程序设计技能要求很高。
（3）学生对项目的参与度
团队成员也是评价主体，作为参与者，对合作伙伴参与度、实施效率、配合程度、质量水平进行评价有利于形成内部互帮互促机制。
2.对项目成果的评价（如表8-3所示）
表8-3 机器人创意成果评价表
（六）预期成果及呈现方式
1.预期成果
（1）本次活动学生以项目为指引，经历拆解认知、模仿搭建、循环造物、主题变换造物、创新造物的完整阶段，扩充了知识面，形成了很强的自主学习意识，综合解决问题的能力得到提升。
（2）小组成员在创意设计、方案修改、项目推进、作品制作过程始终能够相互鼓励，有效沟通，保证项目进度落实，沟通协调能力和实践创新素养得到有效培育。
（3）通过这次活动，学生对垃圾分类问题有了更深入的认识，环保理念通过行动和思考融入意识，科技改变生活的认识得到强化。
（4）以这次活动为引领，锻炼了师生的科技创新能力，为学校后续科技项目的发展提供了很好的人力资源和经验保障。
2.呈现方式
（1）学生通过制作宣传海报、ppt简介等形式，在校园科技节路演活动中向广大师生介绍自己的作品。
（2）学生参加包括相关专家和中学指导教师在内的现场答辩会，从学术角度做好项目反思整理。
（3）学生通过把自己的作品安放在大型购物娱乐中心的相关楼层，实地检验作品的科学合理度。为后期进一步研究、改进做好铺垫。
（4）整理整个活动开展的资料，形成一个比较完善的实践活动方案。相关作品报送中国青少年机器人竞赛组委会，参加机器人创意作品评选活动。