三、机器人社
社团的日常活动主要是对社员进行机器人技术知识讲解，通常每两周请专业老师来对社员进行一次有关机器人技术方面知识的培训，还要求高年级社员带领低年级社员进行相关的实验操作。每周在实验楼进行培训，主要讲解机器人技术硬件基础知识及机器人的组装、机器人软件基本知识及系统维护与机器人安装系统、C语言基础知识培训、3D打印机等培训。
在青少年机器人创意竞赛中培养学生实践创新素养
（一）青少年机器人创意竞赛
有兴趣的在校中小学生机器人爱好者根据本主题与规则，花费6个月左右的时间，在课题导师或教练员的指导下，在学校、家庭、校外机器人工作室或科技实验室，以个人或小组的方式进行机器人的创意、设计、编程与制作，最后以验证创意的机器人作品参加中国青少年机器人竞赛组委会举办的机器人创意比赛活动。
机器人创意比赛对于培养学生学习与综合运用机器人技术、电子信息技术、工程技术，激发创新思维潜能，提高综合设计和制作的能力极为有益。
第十七届中国青少年机器人竞赛机器人创意比赛主题为“我的学习伙伴”，旨在促进青少年了解机器人技术在帮助人类获取知识方面的作用，并使同学们在探索机器人知识、技能的过程中树立终身学习的理念。
（二）培养学生实践创新素养
1.在选题与查新过程中培育学生热爱科学勇于创新的意识
热爱科学、勇于创新的意识是学生实践创新素养培育的重要基础，选题和查新过程中学生的能动性行为有利于不断强化这种意识并指导学生在兴趣引领下不断再实践。
本届比赛的主题是“我的学习伙伴”。“伙伴”指的是机器人；“学习”指的是它能起作用的领域。就是说，作为创意作品的机器人要能在改善学习方式、提高学习效率方面起到作用，真正成为人们难以割舍的学习伙伴。
在学生调查选题的过程中，我向他们提供了比赛规则并分析了比赛主题的意义。学生们拿到题目后进行广泛调查、商讨并形成最初的选题。头脑风暴持续了近两周的时间，学生多次反复陈述自己的观点，提出个性化的方案，结合查新不断再否定，在持续深入的交流中找到自己的切入点。整个过程中，指导教师、大学教授、在读学长、社区民众都为学生调查选题提供了帮助，项目来源于生活，原创性得到了保证。
《海洋学习机器人》项目灵感最初来自于孩子们对海洋的好奇。学生们发现，当远离海洋的人们了解海洋时，要么是亲身旅行，要么是通过纪录片、书籍等方式去学习。但这样的学习模式要么走马观花，要么缺乏亲身体验。孩子们对海洋世界是充满向往的，对内陆的孩子们而言，海洋更是承载了一种特别的感情。介于这样的情况，学生们将目光聚焦到学习情景的真实性和实时性上，借助海底的机器人进行互动式的学习，对于孩子们来说，新奇而充满兴趣。
《垃圾分类意识培养机器人》项目的灵感则来自于生活中的细心观察。当今世界资源匮乏，垃圾回收的行动迫在眉睫，垃圾分类的意识需要从小培养。目前，多数垃圾桶没有分类盛放或者简单地分为可回收和不可回收。在这样的情况下，教会人们垃圾分类就显得尤为重要。分类意识传播可以通过短片、海报等途径实现，垃圾分类则可以改造现有的垃圾桶来达到。于是将宣传垃圾分类与垃圾箱结合起来，一个具有垃圾箱外表、又可以传播垃圾分类的机器人的创意产生了。这样的垃圾桶不仅可以让人们进行垃圾分类，还可以利用垃圾桶本身进行分类意识的培养，达到学习与实用两全其美的效果。
学校依托渝中区教育城域网和已有相关数据库账号，方便学生实时查新，在保证不重复已有研究的基础上，结合中学生自身特点进行创意开发。
2.在设计与制作过程中培育学生创新思维和创新技能
创新思维和创新技能是学生实践创新素养培育的核心，依托机器人制作室、高校功能室、社区工厂的人力和设备资源。学生亲身参与实践，基于问题进行思考，在解决问题过程中不断挑战自我并学到新技能，在完善项目过程中进行高效学习，边做边学、体验中学，跨学科学习得以践行。
在《海洋学习机器人》项目中，学生们设计了一种能够让任何人共同使用近海学习机器人的方案，即在移动设备上通过网络共享进行包含海洋实时数据的互动式直播，这种机器人和现有近海航标有机结合，在能量供给，数据传输，探测感知上实现了新的创新。在此基础之上，学生们制作了创意演示模型。即利用无线网络进行数据共享、通过移动终端与AR技术的结合，辅以实时温度、湿度等信息呈现实现互动式的学习。本创意需要把机器人安放在靠近海岸，有暗礁的地方，分为三个部分，水上部分为一个航标，航标上面搭载有信号传输模块，它由主机供能，并一直处于发射状态，能够将水底传来的数据发送给接收卫星，与此同时还可以标注海底暗礁所在的位置，给过往船只提供警示。海面以下有一个水下风筝提供能量，“风筝”漂浮在水面以下，水底以上的位置，“风筝”上装有一个摄像头，能够采集水底的温度、相对盐度、浪级程度等数据的传感器，并将所有的数据传输给水底的主体机部分。主机体固定在海底暗礁附近，它采用水下“风筝”提供的能量运行，上面装备有全方位的环绕摄像头，能够采集海底的实时影像，它将“风筝”所采集的数据进行处理，并将其传输给水面上的航标部分。
为了达到以上的目的，学生的演示模型采用了以下的思路：设计整体的结构，机器人整体结构采用多平台三层式，分别为海平面以上部分、海洋水下“风筝”部分、海床主机处理器部分。海平面以上部分，通过制作一个模型板用来表示海平面，航标外壳呈柱和多面体的结合体，上面搭载着用于数据传输的模块和用于照明的冷光灯，在演示时，数据传输模块会接收到来自主机的信息，然后将信息发送给演示端。海洋中间部分采用制作一个模拟的“风筝”运行轨迹，通过人力的驱动来模拟海流的冲击，“风筝”将在此沿八字形轨道循环运动，在其腹部装载传感器以及摄像头，通过监测空气中的温度、湿度等参数来模拟海洋的数据，摄像头拍摄的图像经线缆传输到主机体进行处理并将数据传递给航标部分，再发送给演示端。
在《垃圾分类意识培养机器人》项目中，为实现垃圾分类意识培养，学生们设计了一种基于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信息以及如何回收利用。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。为了实现这种方案，学生们采用了这样的结构设计：机器人为长方体，每一侧面上方开有垃圾投放口，每个垃圾口由摄像头进行识别后打开。投放口下方依次为显示设备、语音和交互设备，机器人下方为四个可移动轮子。内部为四个独立结构的盛放垃圾的容器，容器下方为机器人控制系统。
为了实现对垃圾种类的识别，我们采用了介电识别与图像识别技术。介电识别主要是根据学生们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。在测试中，学生们发现，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，通过无线局域网上传到服务器，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，使人们投放垃圾，实现垃圾分类这一过程极快，人们也不需要等待。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。
3.在控制与改进过程中培育学生创新思维和创新技能
自动化控制是机器人的重要特征，软件程序具有严密的逻辑性和指向性，调试过程也充满挑战，结合硬件的嵌入式开发对于学生的创新思维和创新技能提出了更高要求。
在《海洋学习机器中》项目中，学生们最初的方案是通过亚克力板材搭建模型并使用Arduino作为主控芯片进行演示，但后来发现Arduino主控板对图形化的处理能力太差，并且亚克力板材制作的模型不能够十分清晰地演示作品的详细内容。在发现问题后，学生小组进行了广泛地讨论，最终决定了实施的方案：航标以及主机体外壳使用SOLIDWORKS建模，使用3D打印机进行打印。主控板则选择了对图形处理能力较强的树莓派进行数据的处理。对于海平面的演示，学生们还是选择了用亚克力板进行模拟地演示。
学生们自己在网上查找资料，发现在图形处理方面，opencv提供了十分高效的处理方法的库文件，于是学生们通过识别圆形来模拟AR的实现。在设计客户端程序的时候，学生们从网上下载了vs2017社区版，使用C++调用opencv库的方法，先在端口接收摄像头数据，对图像进行识别，找出圆形，再将显示的内容打印在屏幕的圆心上，并随着圆心的移动而改变方位，同时写入鼠标指针的回调函数，当鼠标移动到圆心附近时，便会显示出模拟的相关信息。而对于树莓派端，学生们采用C++调用摄像头，创建TCP端口与客户端相连接，传递影像，由于温湿传感器为串口控制，学生们就采用对串口控制更加快捷的python语言进行模块的调用，并将模块采集的数据通过创建新的TCP端口进行传输。客户端将两个端口的数据进行整合，再新建一个窗口呈现出来。
在制作模型的过程中，学生们发现最初选择的Arduino对针脚串口控制能力强大，但是对于图形化的处理能力极其欠缺，而且使用Arduino来无线传递数据十分不稳定。在查阅相关的资料后，学生们决定使用树莓派进行模拟，它具备针脚串口控制的能力，同时对图像调用十分快捷，无线数据传输十分稳定。于是最后决定采用树莓派制作模型。经过反复地实验，模型终于成功问世了，能够基本满足图像识别、数据传输等功能。不足在于只能够识别圆形来进行模拟，还不能够实现对鱼群的识别；对功能的演示还不够形象完全，欠缺生动性；实物模型比较简陋，不具有美观价值。
在《垃圾分类意识培养机器人》项目中，考虑到开源功能，学生们最初亦使用的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，存在的问题过多，并且Arduino不能很好地为步进电机提供电压和控制，亚克力板不能提供稳定的支撑。经过广泛查阅资料，发现乐高积木的稳定性高，乐高EV3机器人提供了简易的编程方式和灵活的控制机制，学生们经过商量一致决定使用乐高平台进行搭建，于是决定了这样的方法：采用EV3编写颜色传感器与电机，平板电脑ppt视频实现演示。
在后期使用中发现，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，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，最后学生们运用屏幕识别技术，通过检查EV3调试程序在屏幕上显示的内容检查像素点，结合VB编程，实现数据的闭元传参。最后关于EV3的介电常数，学生们决定采用颜色与光电传感器进行代替模拟，根据光感的返回值进行大致的识别。经过仔细编程和反复调试，能自动分类垃圾并教会儿童垃圾分类意识的机器人产生了。尽管机器人只能实现基本并且不完整的功能，但是这个机器人对学生创新实践素养的培育具有现实意义。
《海洋学习机器人》和《垃圾分类意识培养机器人》的案例对比分析如表8-9所示。
表8-9 案例分析对比表
以参加机器人创意竞赛为抓手，以《海洋学习机器人》《垃圾分类意识培养机器人》这两个项目为载体，学生亲身经历并实现了实践创新素养培养的全过程，创新意识、创新思维、创新技能得以强化，源自日常生活，具有挑战性的问题解决过程让学生对创新实践活动充满兴趣，主动筛选并获取新知，在学习与动手实践中发展技能，在创新创造中形成习惯，青少年机器人创意竞赛搭建了一座培育学生实践创新素养的桥。