机器人实验室建设蓝皮书.doc

机器人实验室建设蓝皮书（仅供参考）纳英特机器人事业部总页数正文附录生效日期： 编制：审核：批准：目录一、机器人实验室建设的意义及必要性31、机器人实验室建设的意义32、机器人实验室开展的目的及必要性32.1为什么我们需要机器人实验室32.2学习的乐趣42.3学习收获4二、前期准备51、设备的选型（略）52、实验室要求及布置521实验室的整体布局522环境要求1123活动场地的要求1324课桌要求1425电、水、气要求1426展示要求1527储物要求16三、实验室的开展171、师资培训172、课程设置1821教学1822兴趣小组203、实验室管理办法2131实验室的日常管理2132实验室器材管理2133实验器材的日常维护224、项目展示22四、各种制度参考23学生实验守则23仪器借还制度23实验室工作人员职责23仪器报损赔偿维修制度24仪器管理使用制度24安全防护制度25一、 机器人实验室建设的意义及必要性1、机器人实验室建设的意义机器人实验室的意义在于：重体验、求过程、尝试中经历；做中学、学中做、实践中提高。随着智能机器人技术的发展，智能机器人的教育走入中、小学校已经成为可能和必然趋势。机器人的教育也必将给信息技术基础教育带来新的活力。智能机器人会成为青少年能力、素质培养的智能平台。我们认为智能机器人教育在基础教育领域中的作用主要体现在以下三个方面。 1、 使学生了解智能机器人这个学术前沿领域的发展和应用状况，了解智能机器人的概念和工作方式，破除青少年对机器人的神秘感，为进一步学习机器人的有关知识打下基础。 2、 使学生掌握为一种智能机器人下载程序的方法，了解智能机器人各种传感器和驱动装置的作用。理解体会程序是智能机器人的灵魂，了解机器人是怎样在人的指挥下工作的。学习为一种智能机器人编写程序，通过为机器人编写程序学到科学而高效的思维方式，提高逻辑思维能力、规划能力，提高学生分析问题和解决问题的能力。 3、 通过完成任务和模拟项目使学生在为机器人扩充接口的过程中学习有关数字电路方面的知识，在组装机器人的过程中培养学生的动手能力、协作能力和创造能力。2、机器人实验室开展的目的及必要性 智能机器人教育走进普通中、小学校的可能性和必然性估计会在今后的五年内得以实现。智能机器人的教育在中、小学校中会以下面方式体现出来。 1、以校外的科技活动为动力，在校内以科技活动小组的方式出现。2、以中小学劳动技术课的方式出现，并大大改变劳动技术课的科技知识含量。 3、以信息技术课内容之一的方式出现在中、小学的信息技术课上，并可为信息技术课，这个内容更新速度很快的学科带来新的活力。 “青少年是祖国的未来，科学的希望。”用科学的火花，去点亮自己的理想之火，这 就是纳英特智能机器人寄予青少年朋友们的一点希望。我们衷心地祝福今天的小机器人工程师，将来能成为真正的机器人工程师。2.1为什么我们需要机器人实验室当今世界是一个多变的世界，科学技术飞速更新，我们必须面对这样一个问题-我们家长和教育工作者如何培养我们的孩子，去应对明天复杂世界的各项挑战我们的回答是，给我们孩子们更多的机会，去发展他们分析问题和解决问题的能力；让他们能应用科学知识和信息去做决定；鼓励他们有信心去接触新科学和新技术最佳学习工具 最佳与普通教育工具的区别在哪里？美国哈佛大学教育研究所的霍华德加德纳教授认为，“一个人全身心投入一项活动中，主动去问、去想、去寻找问题的答案，这是获取和积累知识的最佳途径。被动的接受会随时间的流逝很快被遗忘，不会产生持久的影响。” 2.2学习的乐趣科学家和教育学家的研究发现，如果出一道有趣的难题能够挑战孩子解决困难的极限，那么孩子很容易就会进入最佳学习状态。如果孩子置身于自己喜欢的活动中需要解决问题的难度又正好合适，符合他目前的知识水平，那么学习就会象呼吸一样自然孩子们根本就没有意识到自己正在学习。开放性实验室恰好提供这样的学习环境和场所。2.3学习收获孩子们通过在实验室中的系列学习，可以培养他们：团队精神、创造与创新精神、多学科知识、解决问题的能力。更可帮助他们培养良好的生活习惯 、掌握技能：与人的沟通与合作、对他人的尊重、毅力与自信心的树立及时间的合理分配、利用等，知道自己的兴趣所在，为将来走上社会，面对新的挑战做好充分的准备。二、前期准备1、设备的选型（略） 结构紧凑，简洁实用，最好有图形化的程序设计界面。 耐用，不容易坏。 配有大容量的充电电池，能联机充电，最好充电器具有充电保护功能 。 机器人最好既能参加比赛，又能进行教学。 服务方便，信誉好的产品 。 除了机器人器材之外，选型时还要考虑该机器人相关教学资源是否丰富 。 考虑该器材近年来全国各比赛中的成绩。2、实验室要求及布置 21实验室的整体布局 一个完善的机器人创新实验室系统将是一组集机器人教学、科技活动、科学普及为一体的全功能实验室集合。我们根据学校的具体教学活动情况，建议中心构建两个不同功能的机器人创新实验室：智能机器人实验室、创意机器人实验室，和一个机器人活动展示区构成完整的实验室系统。由于机器人的教学过程更强调学生的主动性、合作性，需要更多的动手活动和师生互动，因此一般需要比较大的空间，每个班级的人数不宜过多，建议每班少于55名学生最好，有利于有序地开展教学。由五大主要功能区结合而成：1、教学区进行机器人日常教学活动2、活动区机器人活动的专用场地，及学生测试机器人的的空间3、组装区提供专用课桌和工具，搭建和改装机器人（结合万能机床）4、展示区展示各种各样的机器人，以及学生自己创作的科技创新作品5、储物区存放机器人及其相关设备面积大于250m2，共有学习区、动手区、讨论区、比赛区、存储室等五大功能区。可根据学校需求由学校和老师参与进行专门设计。 实验室局部环境论文展示区，机器人展示区，项目展示区，比赛活动区学习区与工作区我们也可以使用50-90平米左右的普通实验室或教室进行改造。根据通常教室的尺寸，进行了布局设计，供学校参考，最终的设计方案需根据现场实际进一步完善。以下是环境设计参考方案：淄博张店区第七中学兴趣小组实景浙江绍兴城南中学课堂教学实景实验室通道规划的一般要求：中央台与边台间过道的最小距离为1.2米中央台与中央台间过道的最小距离为1.5米中央台与高柜间过道的最小距离为1米中央台面对墙时的宽度不宜小于1米两边台间走道的最小距离为1.2米两座位间的走道不宜小于1.5米座位与中央台的间距不宜小于2米通风柜面对墙时的走道为1.8米通风柜与实验台对放的最小距离为1.8米两台通风柜对放的建议间距为3米22环境要求 机器人的活动都是通过传感器采集外界信息而进行的，如灭火、足球项目都不能有外界光的干扰（这里指的是暖光源，如阳光、白炽灯等）。因此机器人实验室对环境的要求非常高。整个实验室必学采用遮光窗帘密封，同时要考虑场地的通风，窗帘下部分不要封死 。 磁场对机器人也有很大影响，因此实验室尽量避免使用防静电地板。窗帘：使用遮光布，窗帘要大于窗户，可有效的遮挡外界光，10.00-30.00/平方。双层外遮光布里绒布照明：使用冷光源材料，在很多机器人竞赛规则中都有指出，同时还说明现场不能使用照相机。地面：地面的平整度是最关键的要求，至于用什么材料关系不大，因为可能考虑要地面处理强、弱电的走线，一般建议使用强化地板。现在很多计算机教室使用防静电地板，在地板下金属地垄（见下图）会产生磁场对数字指南针进行干扰，一般使用架高机器人活动场地的作法，来减少对设备的干扰，因此在新建实验室中不建议使用。环境的三大要素：外界光-窗帘 内部光-冷光源 地面-平整尽量不使用防静电地板日光灯双层窗帘强化地板23活动场地的要求机器人活动无论是课堂教学还是兴趣小组都需要活动场地，因此教室需要有足够的空间进行机器人开展活动。方案一 在教室内就地取材。例如机器人走迷宫，可以让学生用自己的凳子随意在地面上组合成一个迷宫。这不仅解决了场地问题，而且学生在组合迷宫的过程中，既要设计机器人行进的路线，分析自己搭建的场地是否合理，又要反思自己的编程设计能否解决问题，这对学生提高分析能力、巩固知识很有帮助。方案二 采用简易材料制作小型活动场地。例如 “机器人小导游”项目中，设计的情境是由机器人带领游客浏览一到两个景点。我们直接在地面上贴上三块不同颜色的圆形贴纸，纸上写着地名作为旅游景点。学生调整好的机器人在该场地上由第一个圆进入到第二个圆，停顿数秒后再转入第三个圆，效果非常好。同理，根据机器人任务的不同，我们可以相应使用塑料、卡纸、瓶罐等材料，直接在纸上或地面上制作出简易的小型活动场地，满足课堂教学需要，实现低成本高效率。方案三 标准比赛场地。如机器人迷宫场地、机器人灭火场地、机器人足球场地、 这些场地不仅可以用于教学，也可以做赛前调试用，实用价值比较大。 整个场地布置要合理，便于学生的通行及机器人在场地调试时要方便，教师在进行教学是要便于管理、监督学生。总之，在机器人活动场地问题上，我校的经验是“根据学校实际，逐步到位；老师和学生共同设计制作；因地制宜，灵活实施”，从而以较低的代价取得了满意的课堂效果。 24课桌要求 A、课桌的设计考虑电脑的摆放，及机器人的储藏；B、网络的过线，电脑、机器人充电的电源线的过线，交流输出电压：220V 50HZ，桌面应提供多功能接线板（主要是机器人充电及改装设备使用）。C、桌面要足够大，除了能摆放电脑之外还需要有空间摆放机器人，及完成对机器人搭建调试的需求，且不影响学生对电脑进行操作。主要是考虑到学生在编程下载程序过程中的方便性。D、同时考虑机器人、电脑、学生的比例，理想下是1：1：1的关系，但现在也有1：1：2或1：1：3的状态。 E、尺寸要求：高度按国家规定要求，台面宽度考虑学生人数，2人的考虑在80-100cm，3人的考虑120-140cm，台面深度考虑在60-80cm； 25电、水、气要求实验室的电、水、气等配管方式，在实验室设计时是非常重要的，必须根据实验室内容和建筑形式（高层或平房），以及将来扩充、安全、经费、功能等进行综合考虑。我们通过大量的实践，可以提供最佳配管系统的设计与施工。 A、考虑机器人充电的方便性。 B、尽可能减小强电对实验室环境磁场的干扰，最好的方式是沿墙走线。 C、少走明线，考虑师生人身安全。 D、其他可以按电脑教师的布线处理； 26展示要求 展示分为两部分：一部分是机器人相关知识的展示区域一部分是机器人作品的展示柜 展示区域可展示机器人相关知识，有图片文字之类的相关介绍，学生参加机器人活动介绍，可在墙壁上做个展示框，设置玻璃门，墙壁周边张贴机器人相关张贴画。科普宣传 展示柜用来展示学生各种机器人创意作品的，要求柜子每隔空间要足够大，玻璃门，柜子里附上各种相关创意的介绍。展示区储物、充电区 27储物要求 机器人所有部件分门别类进行存放，有利于教师的管理和学生的使用方便。考虑器材充电的统一管理。三、实验室的开展1、师资培训目前在中小学机器人活动领域缺乏大量的老师，而开展这项活动这个条件是非常重要的，培训是教师快速成长的必要手段，可以从学校的信息技术课、劳技课、或者通用技术课等抽调动手能力强的老师进行二次培训。培训的途径：请机器人厂家代办培训 各地区现有的培训中心 利用网络（www.robotedu.com/ask）机器人知道系统教研活动课堂教学师资培训内容课时安排培训内容备注第一部分机器人简单原理以及编程系统讲解第二部分机器人传感器的简单应用第三部分多个数字传感器的应用技巧指导迷宫的实现第四部分多个模拟传感器的应用技巧指导轨迹的实现第五、六部分多种传感器的结合应用技巧指导简单灭火的实现第七、八部分机器人仿真应用培训时间2-3天：达到机器人操作及机器人简易维护的基本目的。兴趣小组师资培训内容课时安排培训内容第一、二部分机器人灭火项目策略探讨以及硬件改造第三、四部分机器人灭火项目现场实现以及过程中的问题解决第五、六部分机器人足球项目策略探讨以及硬件改造第七、八部分机器人足球项目现场实现以及过程中的问题解决第九节部分机器人传感器端口讲解以及外围设备开发方向探讨培训时间2-3天：达到熟练懂得机器人的原理和各种项目的策略研究及机器人维修等目的。2、课程设置 21教学 利用各地区已有的机器人教材，也可自编校本教材。 作好课前的准备 备好课 ：备教材、备机器人、备学生 分析实现任务的算法 提出任务 用流程表示出算法 用语言表示算法 调试机器人备教材备机器人确定教学内容目标兴趣小组活动课堂教学观察学生活动情况，了解学生在学习过程中遇到的问题和障碍调整教学目标、教学策略和实施方法进行教学反思备学生智能机器人课程内容安排-供参考课程教学要求任务课时第7课 机器人世界1了解机器人的发展与分类。2认识教育机器人的组成。3掌握机器人编程软件1第8课 机器人漫步1了解顺序结构的编程思想。2掌握“移动”模块的使用。3掌握“延时”模块的使用。4掌握“停止”模块的使用。5掌握驱动左右电机模块的使用6掌握多次循环模块的使用任务：机器人走直线前进、后退、转弯机器人走正方形1-2第9课 机器人演奏1掌握“发音”模块的使用。2掌握“显示”模块的使用。4了解循环结构（多次）的编程思想。任务：1、演奏1、2、3、2、机器人演奏歌曲雪绒花1-2第10课 机器人叫早服务1了解环境光线亮度检测2掌握条件判断模块的使用任务：机器人叫早早上当天亮时，机器人通过环境光线的变化，叫醒小主人起床了。1-2第11课 机器人巡逻兵1了解显示红外探测方法2掌握确定障碍物的方向的方法3掌握红外传感器的使用，能简单应用红外传感器解决日常生活的一些简单问题。4了解选择结构的编程思想。5掌握条件表达式与条件判断任务：机器人巡逻使用红外传感器沿着一个正方型进行巡逻，左方检测到直行，无转弯 1-2第12课 机器人碰碰车1理解简单的碰撞方向的确定方法、掌握碰撞传感器的使用，能简单应用碰撞传感器解决生活的一些简单问题，促进创新思维的发展。2掌握碰到障碍物后机器人的情况处理程序设计3理解逻辑关系与条件判断4了解嵌套选择的编程思想。任务：机器人碰碰车在机器人前后各加一个碰撞传感器，前面检测的障碍物后退，后面检测的障碍物前进。1-2第13课 机器人时装表演1掌握灰度传感器的使用，并能简单应用。显示地面灰度检测值2掌握机器人轨迹-单地面灰度检测3理解机器人双灰度骑线法4了解条件的“或”“与”的关系。 任务：机器人时装表演画个直径为半米的圆，线粗1-2厘米，机器人使用1个灰度传感器沿着黑线进行行走。1-2第14课 奔向光明1掌握多火焰传感器的检测及使用。2掌握机器人轨迹-单地面灰度检测3了解算法。任务：奔向光明手拿一根点燃的蜡烛在机器人前方1米处左右摆动，机器人通过左右传感器蜡烛光线的强弱来跟随蜡烛。1-2第15课 机器人走迷宫1 掌握机器人迷宫程序设计的左右手法则2 掌握复杂的程序设计任务：机器人走迷宫利用灭火场地或者简易场地按左右手法则实现机器人走迷宫1第16课 国内外机器人竞赛1了解国内外机器人竞赛122兴趣小组兴趣小组的开展是对学校机器人课堂教学的一个补充，目前大部分的作法是以每年的竞赛活动为目标，开展兴趣小组活动。活动时间可安排在下午放学后一小时，每周几节可是可由教师根据学校课程时间设置进行安排，课程内容根据竞赛项目进行设置。3、实验室管理办法 31实验室的日常管理对指导教师：1、建立机器人实验室是实施新课程、培养创造型人才的举措。指导老师应加强学习，努力提高自身业务能力，扎扎实实提高教学水平。2、由于机器人价格昂贵，而且元器件多，很容易混杂，因而加强财产管理是一个重头工作，要做到（1）元件存放规范、合理（2）学生领物及时登记（3）实验完毕及时进行检查和清点，做到帐物相符。3、由于编程要用到电脑，要教育学生规范操作电脑。4、学生活动时,教师应坚守岗位，组织和指导活动并处理发生问题。5、要做好安全防范工作，学生活动完毕，要注意关闭电源，锁好门窗。对学生1、珍惜在机器人实验室活动的机会，遵守纪律，开拓创新，发挥聪明才智，为未来发展打下坚实的基础。2、活动前首先清点好器材，发现问题及时报告老师，各组器材不能相互混杂，不经许可不能随意挪用其它组的器材，公用器材用后要归还原处。3、使用电脑时不得拆卸电脑部件，不得使用来历不明的软件和光盘。发现异常情况不得擅自维修，应及时报告老师。4、爱护公物，爱护仪器设备，若由于操作不当，造成器材损坏，应报告老师并按价赔偿。5、实验完毕，要清点和整理器材，打扫环境，经许可方可离开实验室。 32实验室器材管理机器人活动开展中除使用核心模块外，一般还要用到各种各样的零配件，学生在装配机器人、调整修改、欣赏学习、搬运等过程中容易出现零配件缺损。因此，器材管理到位是使机器人活动正常进行的重要保障机器人实验室要有仪器管理使用制度、仪器借还制度、仪器报损赔偿维修制度、安全防护及危险品管理制度、实验室工作人员职责、教师演示实验规则、学生实验守则等并装挂在墙上。（1）元件存放规范、合理（2）学生领物、归还及时登记（3）实验完毕及时进行检查和清点，做到帐物相符。（4）活动前首先清点好器材，发现问题及时报告老师，各组器材不能相互混杂，不经许可不能随意挪用其它组的器材，公用器材用后要归还原处。 33实验器材的日常维护 1、产品数量定期复查、归类、整理。 2、主机和传感器定期检修 3、马达定期保养 4、所有外围设备和工具定期整理。4、项目展示机器人实验室是个新鲜事物，对于学生还是领导来说都愿意来实验室参观学习，这将是学校的一个对外窗口及学校的骄傲。学校网站建设机器人项目展示区域，附带文字、图片、视频等资料实物展示：实物项目表演、解说等配套完成，主要是领导参观，其他兄弟学校观摩学习交流。四、各种制度参考学生实验守则 一、实验室必须保持安静、整洁，进入实验室后应按指定位置就坐。不得大声喧哗及自行摆弄仪器装置。 二、学生在实验课前，应认真预习实验内容，上课时认真听教师讲解实验目的、要求、步骤及注意事项。 三、实验前应对实验所需的仪器、药品、器材进行认真清点，发现问题及时报告教师。 四、公用仪器，用后立即放回原处，各组仪器未经教师许可，不得随意移动。 五、实验时必须严格按照实验步骤进行操作，要细心观察实验现象，如实做好记录，积极思考、分析实验结果，按规定写好实验报告。 六、爱护仪器设备，爱惜药品和实验材料。在实验中损坏仪器应主动向教师报告。凡因不按操作规程进行实验而造成的仪器损坏和药品浪费均应照价赔偿。 七、废液、废纸、火柴梗及玻璃片等杂物不得倒入水槽中或随地乱抛，应倒入废液缸或垃圾箱中。 八、实验完毕，应整理仪器装置，清洗器皿，搞好卫生，关闭电源、水源，并经教师检查无误后方可离开实验室。仪器借还制度 一、教师因教学需要借用仪器，用后应及时归还，领用药品应通过实验室工作人中员记录消耗量。领用危险药品需要经领导同意，领用教师在危险药品专用册上签名，并严格控制数量，注意使用安全。 二、为保证实验教学的需要，教学仪器一般不予外借，如同特殊情况，教职工借用仪器需要经实验负责人批准后，实验室才能出借，借用时间不得超过三天。 三、外单位借用仪器需经校长批准，时间不得超过一周；过期不还，实验室工作人员应主动与借用单位联系收回，并对借用者给予一定的处罚。 四、一切仪器的领用、借出和归还还均须办理有关手续，认真填写仪器借用登记单，用后及时归还，并由实验室工作人员验收、存放。 五、借用仪器发生损坏情况，应照价赔偿。实验室工作人员职责 一、热爱本职工作，树立为教学服务的思想，熟悉教材，熟悉各类仪器的性能和保管知识。掌握各类仪器的使用方法和维修的基本技能。 二、负责实验室的管理工作，做到：常规管理制度化，仪器存放规范化，仪器保管科学化，各项记录经常化，档案资料系列化。 三、定期清点设备、药品和实验材料，根据实验教学需要，及时编制仪器设备、药品添置计划。新到仪器设备、器材、药品应在一周内验收、登记入橱，并向教师介绍，发现仪器质量或数量差错应及时处理。 四、与有关部门配合制定实验教学计划和实验室工作计划。按“实验通知单”准备好实验室所需的仪器、器材、药品，协助任课教师指导学生实验。实验完毕后清点仪器，检查仪器的完好情况，发现问题，要查明原因，按有关规定认真处理。 五、创造条件，开放实验室，协助任课教师组织学生开展课外科技兴趣小组活动。参加实验教学和实验技术研究，积极开展自制教具活动。 六、做好实验室的安全防护工作，掌握发生事故的应急处理措施。经常保持室内外的整洁，使仪器设备处于完好待用状态。 七、定期向学校领导和上级有关部门汇报工作。仪器报损赔偿维修制度 一、实验教学过程中属正常损坏且不能修复的仪器，经学校领导审批后，作报废处理。属操作不慎引起的仪器损坏应酌情赔偿。 二、因工作失职，违反操作规程，而造成的仪器损坏或丢失，应照价赔偿。对故意损坏仪器者除照价赔偿外，视情节轻重，给予必要处罚。 三、任何人不论何种原因，发生仪器损失，都应按上述规定处理，并填写“仪器损失报告单”。 四、仪器发生故障，实验室工作人员要尽可能及时加以排除，或送交专业部门维修，以确保其处于完好状态，对维修好的仪器要认真填写好“仪器维修记录”，并作资料保存。 五、经长期使用，性能达不到实验要求的仪器，应填写“仪器报废申请单”，由实验室提出意见，经本学科教研组长鉴定后报校领导批准，作报废处理并报送当地教育技术装备部门备案。仪器管理使用制度 一、教学仪器是进行实验教学，提高教学质量不可缺少的条件，是学校的固定资产，要加强管理，爱护使用，充分发挥其作用。 二、实验室仪器设备要按统一要求分类、编号、入帐。建立总帐、分类帐、低值易耗品帐。做到总帐、分类帐与物相符，仪器、仪器卡片与橱上的目录卡片相符。 三、仪器存放应定橱定位，做到分类科学、取用方便。要按仪器性能注意做好防尘、防压、防蛀、防霉、防磁等工作。 四、化学药品要按化学特性要求存放。易燃易爆、剧毒等危险品，要单独存放在专用的安全柜中，实行双人双锁制。 五、贵重精密仪器，要熟悉其性能和使用方法后才能启用，并建立使用维修记录卡。 六、要建立仪器的质量、技术资料档案，各种仪器设备要定期维护保养，使其处于完好状态。 七、要按照仪器借还制度、仪器报损赔偿维修制度、安全防护制度的要求做好仪器的管理使用工作。 八、教师的演示实验应提前一天，学生分组实验应提前三天，将“实验通知单”送交实验室。实验室工作人员必须作好准备，确保实验成功，如遇特殊情况不能开设，应及时和教师联系。九、实验室工作人员如有变动，应在学校领导的主持下，认真办理移交手续，最后由三方签字，才算交接完毕。安全防护制度 一、化学危险品应设专用安全柜存放，柜外应有明显的危险品标志，并加双锁保险，由两人负责，领用危险品必须按规定执行，以免酿成事故。 二、实验室供电线路的安装必须符合实验教学的需要和安全用电的有关规定，定期检查，及时维修。 三、实验室要做好防火、防爆、防触电、防中毒、防创伤等工作，要配备灭火机、砂箱等消防器材及化学实验急救器等防护用品。 四、实验室要采取防盗措施，加强安全保卫工作，非实验室工作人员不得进入仪器保管室内。 五、实验室工作人员作为实验室安全防护的当然责任者，应随时随地按照本制度进行检查，做好安全防护工作，学校领导要经常督促检查。