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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

对 话创客空间2.0

03

器材

第一篇对话当中,我们关注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。记得我用过的每一款“积木式机器人”都有一个很精美的说明书,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能过够获得不错的成就感,但是再往深入就差一些了。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的学习效果的理论基矗

本期我们聚焦了从设备、软件、硬件、结构件的四个方面的开源机器人建设的实施主体,更像是一个专门的研讨会,试图提出开源机器人主题创客空间建设的一般结论。

创客空间2.0

开源机器人主题的创客空间的建设

创客空间2.0:开源机器人主题的创客空间的建设

吴俊杰

北京景山学校信息技术教师,学校创客空间负责人,国产开源硬件项目“虚谷计划”联合创始人。

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唐西岳

雷宇科教激光STEAM教育课程负责人,LaserMaker和Laserblock开源机器人方案推广人。

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宋翔

大腿(北京)科技有限公司开源机器人Makerpush设计项目教学总监,RCJ全国机器人大赛(机器人格斗项目)裁判。

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杨静

GoodMaker创客教育创始人,致力于研发和推广开源电子件与积木机器人结合教学方案的应用。

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陈付军

多元优贝机器人创客中心创始人,创客教育普惠课程开源机器人专项合伙人。

吴俊杰:很开心能够聚齐一个“创客天团”来一起聊一聊开源机器人主题的创客空间建设,这个话题比较实在,一开始源自于开源的电子件在机器人领域当中简单应用。之后开源结构件又开始“蚕食”或者说变革原有的以结构积木和电子积木为核心的传统机器人教学的版图,大家怎么看这样的一个过程。

杨静:我的孩子是从四岁开始学习机器人的,机器人是他很多课外班当中最喜欢的一类。我觉入门特别是低年级的学生如离不开积木式的机器人搭建的。Goodmaker团队主要设计跟目前的主流机器人积木的尺寸相适配的电子件,让开源硬件能够很好的和这些结构件配合起来。目前最受欢迎的是乐高规范的配合中国电子学会机器人等级考试一级到四级的解决方案,未来我们还有配合韩端、慧鱼、VEX结构件规范的电子件的开发计划。

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图:乐高规范的积木和开源硬件结合起来

是开源机器人教学的一个比较好的过渡方案

唐西岳:我应该没有经历“积木式”的机器人教学阶段,雷宇激光是在发现了我们在国外有大量的客户使用激光切割机设置和制作各种开源机器人之后,“空降”到这个圈子里的。开源还意味着自由,限制越少,创造力的边界就越宽。自由设计还降低了参与成本,开源机器人的覆盖面会达成前所未有的广度开源机器人鼓励学生使用新科技,控制板要开源,结构件要数字化,这会促使学生去探索更多新工具的用法。近些年我们支持了大量的创客竞赛和科技竞赛,现场设计、现场加工已经成为了一种明确筛选学生能力的有效做法。因此我很看好激光STEAM教育、创客教育在开源机器人领域未来的发展潜力。

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图:用激光切割机设计的完全自主结构的开源机器人

宋翔:大腿科技更关注学生是如何设计开源机器人的,通过自主研发的“MakerBrush”3D设计平台软件,将创客教育的使用门槛、成本门槛大大降低。基于此工具平台开发的系列STEM课程,推动着国内青少年创客、创新教育的普及。在Makerpush软件当中学生可以通过选定建造所需的基础图形、确定基础图形的平面尺寸、搭建立体造型、加入电子元器件四个步骤快速的搭建成一个开源机器人的雏形,不断修改,并用激光切割机加工。

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图:使用Makerpush软件迅速的完成结构-电子的一体化设计

陈付军:我的经历好像是三位老师的综合。多元优贝机器人的成长正是从积木式的机器人教育出发,但是在自有品牌开发的过程当中遇到了塑料积木研发投入过大,门槛过高的问题。后来我们接触了开源结构件Laserblock,然后结合自己的机器人教学优势开发了更适合机器人教学实际的自己的一套机器人套装,当看到自己的品牌打印到了结构件上的时候,着实有一种发自内心的欣喜,而且作为一个从小没有接触过机器人的创业者,看到开源机器人降低了成本,能够让更多的人接触到机器人搭建,让我们的校外机构进校上课不用再担心成本,可以把做好的机器人送给孩子,这种体验是划时代的。

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图:使用LaserMaker软件设计自有品牌的机器人

吴俊杰:陈老师本身并没有机械专业的背景,开发和设计开源机器人结构件是一种多年教学经验的总结。自己设计机器人结构、加工出零部件然后在改装和调试甚至二次设计,这个过程就很像专业的机器人工程师的开发过程了。大家怎么看待开源机器人的育人价值。

陈付军:是啊,在2019年我设计了能够满足机器人等级考试一二级结构搭建的这一组机器人结构,并且通过了中国电子学会的机器人等级考试器材的审定。其结构运动中长久保持立体稳固是其最大的不足,在2020年我的设计集合了榫和螺丝螺母的特点,并且兼容LEGO、Makeblock参数规格,进行了版本优化升级。这个升级的过程,就经历了无数的不眠之夜,当想法被激光切割机验证的时候,其内心是无比兴奋的。我自己也在想,如果我设计一个开源机器人的设计课程一定也要让学生经历我这个内心成长的过程,而不是只是按照我测试出的一条路径照着做一遍。

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图:开源机器人结构件的改进过程

吴俊杰:就像优秀的数学老师会鼓励学生一题多解一样,优秀的机器人教师也会鼓励学生探索不同的技术方案,之前没有激光切割机一类的数字化加工工具,及时有想法也很难在积木式机器人的两个固定孔之间打一个新的孔,这种改装非常不方便。现在,在创客空间当中,3D打印机、激光切割机和CNC数控机床等加工工具的普及,使得机器人教学打开了一个新天地。

唐西岳:开源意味着分享,分享带来快乐,快乐提高兴趣,而兴趣是最好的老师。开源机器人教育会让学生产生自驱力,从“为学习而学习”中跳脱出来,更多的掌握自主学习的能力。现行的机器人竞赛更偏向精英教育,而开源机器人竞赛强调普惠性质,让更多的学生都能参与其中、共同进步。工程上讲究的就是“失之毫厘,谬以千里”,开源机器人的现场竞赛,学生带着电子件进来,从零开始设计,反复调试的过程非常的锻炼人的综合素质。这个过程不是在竞赛的时候一下子产生的,这需要学生在学校学习的时候也反复经历类似的过程。

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图:学生在对二次设计和激光加工的机器人小车底盘进行调试

宋翔:高中水平的开源机器人设计可以达到准专业的水平,而且竞赛的过程也可以非常的紧张刺激。Makerpush格斗挑战赛是Robocup机器人竞赛的比赛项目之一。学生需要在比赛中,用自主设计、激光切割机器人,完成对抗性的比赛,还要完成软件操作技能挑战。这个赛项源自于美式橄榄球的这种对抗性,大型的场地和高度的对抗性,呈现出一种紧张激烈的现场感,许多团队还会对自己的击打装置的形状进行反复的改进,以产生最好的接抛效果。

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图:紧张刺激的开源机器人橄榄球比赛

杨静:我常年在中小学上机器人的社团课,普及教学和竞赛教学都很重要,而且很多教师都很享受课程设计的过程。开源机器人学习套件的高性价比可以做到无论是校内还是校外课堂,安全易操作性可以做到让低年龄段的学生人手一套教具,学生的作品可以带走,方便教具文具化的进程。

我认识的很多老师很喜欢开发课程,之前他们当中的很多人都是针对某一个竞赛或者某一个厂家提供的器材来设计教程,有时候这些套件里的器材数目不能够满足课程设计的需要,一个很好的想法可能就要因此搁置。但随着越来越多技术类老师加入到创客教育的领域,相信未来以创客老师或机构主导的区域性品牌将会成为主流。在产品需求上都出现了小批量、多品类的变化趋势,为此推出了也启用了一种新模式“创客师”。“创客师”专注定制化器件生产,满足个性化需求。设计和生产端都进行了创新,将传统的创客电子产品设计为模块化设计,把一整套的电路设计变为公模,可以快速响应客户设计需求,自定义设计的同时还可以满足小规模的生产,从而快速响应创客老师或机构个性化定制套件需求。以前总觉得有的厂家的器材很好,但是针对教师的教学支持不足或者不够专业,未来由教师主导的开源机器人器材应该能够解决这个问题,一种“百花齐放”、“教学优先”的开源机器人普及教学的新生态期望能够成为普及教学的主流。

创客空间2.0:开源机器人主题的创客空间的建设

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图:开源机器人让每个学生都有自己的器材

让每个教师都有自己设计的套件

吴俊杰:我觉得随着网络直播技术的发展,学生也可以设计自己的开源机器人品牌,我就常常觉得学生讲的比我好。总结起来,开源机器人教学从低年级到高年级可以经历一个,积木式开源机器人、激光切割的模块化开源机器人、自主设计的自由外观的开源机器人三个阶段,但这三种形式虽然在难度上是递进的,但是也不是说小学就一定要讲积木,创客空间的条件比较好、学校的指导老师水平比较高、软件技术的进步结合合适的师生比,也可以上来就从自制设计的自由外观的开源机器人开展教学。就像是儿童画画的时候,最好给学生画笔让他/她自由的设计,然后才是简笔画或者临摹一类的东西。作为学校的教师,我还是希望能够博采众家之长,提出一个适合我们景山学校的这种从小学到高中的开源机器人主题的创客空间的建设方案。

唐西岳:开源机器人主题的创客空间配置可以用“极简”二字形容,主要由制作区和展示区两大区域组成。制作区主要配备数字化加工工具:激光切割机和3D打印机,以及各式各样种类丰富的开源硬件。

创客空间2.0:开源机器人主题的创客空间的建设

图:开源机器人主题创客空间的“大家伙”激光切割机

唐西岳:开源机器人主要以实物形态展示,而且还要动态展示,展示区的存在使得整个创客空间更显活力,更具氛围。展示区还可包含竞技区,让地面上,桌子上,墙壁上,甚至是天花板上都布满你们的机器人。

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图:学生自己设计和制作机械运动展示墙

吴俊杰:看来唐老师的建议是,给我一个空屋子和激光切割机,我自己“变”出一个开源机器人的创客空间。从创客空间建设的角度,我还是期望能有一个具体的报价,举贤不避亲,大家也不必客气。

唐西岳:“乐造匠”激光切割机(含课程)一台设备29800元,加上耗材大概三万五千元就可以完成基础环境的布置了,其余的电子件、结构件和设计软件还需要其他人的配合。

杨静:对于入门的创客空间还是需要一些大班教学,能够反复使用的教具的。Goodmaker机械原理&创意电子套件(12级)二十套的价格是5800元,Goodmaker创客教育实操套件(34级)二十套的价格是9600元,这里面包含了塑料积木和收纳盒,再加上老师们的一些个性化的配件需求,两万元的预算就可以满足需求了。因为器材不再“娇贵”我们也很鼓励学生把它跟激光切割、瓦楞纸等手工模型来进行混搭,让作品更有表现力。

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图:混搭风格的开源机器人竞赛作品

宋翔:激光切割设计平台软件Makerpush账号pro长期版的学校标准包是20个账号终身使用授权是三万元,其中也包括培训和入门课程。我们的软件有免费的在线版本,和付费版本相比,基础功能已经涵盖了很多。我们也很欢迎开源机器人的学习者以个人的身份购买我们的软件,每个月的费用是128元。Robocup机器人竞赛套装4800元,提供切割好的参考结构件设计,但是我们还是建议学生在已有的设计上多做改造,这样才是一个好的玩法。

创客空间2.0:开源机器人主题的创客空间的建设

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图:用Makerpush软件和加工技术

配合完成复杂的传统机构的设计

陈付军:我们设计的基于Laserblock的开源机器人器材,主题搭建类199元每套,开源机器人赛事类498元每套,按照每种20套来计算,需要一万两千元。其实作为一家开源机器人的推广者,我很希望能够将大家的强项融合起来,我们的优势是整合和具体服务校园的创客空间,帮助他们经历一个与我们类似的设计自有开源机器人品牌的过程,并且去帮助曾经跟我们一样的校外机器人机构向开源机器人教学的转型。无论怎样,我都很享受把我的学习体验的过程传授给老师或者他们的学生们。

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图:教师独立设计的成本在百元左右的遥控机器人小车教具

吴俊杰:其实大家的方案很有互补性,粗略统计,新建创客空间的预算大概在十万左右,原有的创客空间改造升级,增加一两项目的话需要四万左右的投入。大部分的一线、二线的城市最好的中小学都建设了校园创客空间。三四线城市的较好的学校或者一二线城市其他学校也会在近两年开始在创客空间建设上有所投入。无论是是升级的需求还是新建的需求,在创客空间2.0背景下,主题明确、易于使用、延展性强、兼顾教学和竞赛都是开源机器人主题的创客空间建设的一个共性需求。此次我们邀请到的访谈嘉宾有好几位都是创客教育圈子的“新面孔”,创客教育是需要不断推陈出新的,而这种推陈出新绝不是推倒重来式的盲目建设,开源机器人教学与之前的互动媒体、开源硬件、创意制造、包括传统机器人教学之间都有着自然的联系,在引入新理念的同时促进已有的教学手段和工具的充分利用,调动学生积极性,培养创新精神和实践能力,则更是开源机器人主题创客空间建设的应有之意。

因为版面有限,访谈嘉宾又比较多,可能很多老师也没能聊的尽兴,也有可能我们的读者还有很多疑问想咨询几位老师。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。

后记:这是一个比较辛苦也比较重要的访谈,我当时问了几位嘉宾三个问题:

开源机器人的教育价值;

开源机器人风格的创客空间的建设方案;

开源机器人与现行机器人竞赛之间的关系。

前两个问题已经讨论得比较清楚了,第三个还在发展中,毕竟有那么多教育机器人的巨头在那里,工业化大生产的优势本来就摆在那里,目前谈未来如何还不好说。但是目前大部分的教具机器人公司的产品已经开始兼容Scratch、Mixly一类的开源软件。连微软都开始拥抱开源了,有什么不可能发生呢?我相信,在提高下一代的创新能力,建设创新型国家的问题上,各方都是可以达成共识的。在这个问题上,教育行政主管部门和上一级高等院校的招生制度改革是和我们站在一起的。中小学信息技术教育四十年的发展,靠的是持续创新,而这种创新,将会在“两个百年”的奋斗目标实现的征程中变得愈加重要。

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