创客空间20系列对话开源机器人的发展历史和竞赛组织形式

　　创客空间是创客教育重要的核心要素。如果用“厨房”来类比创客空间的功能，那么很多中小学都已经有了自己的“创客厨房”，解决了创意的“温饱”问题，下一步的发展便是如何吃得有营养、吃得有特色的问题，还有就是如何把“吃”这种喜闻乐见而又不可或缺的消费行为转化为创新型国家建设的体制机制的营养的问题。

　　“创客空间2.0系列对话”将从“开源机器人”“人工智能”和“虚拟现实”等方面呈现创客教育在创客空间2.0阶段发展的一些新的形态。

　　广州市电化教育馆红棉创客空间联合发起人、负责人，广州市名教师工作室主持人，研究方向为STEAM创客教育和教师TPCK能力发展。全国普通高中信息技术教材（粤教版）选择性必修《开源硬件项目》主编，出版创客教育专著两本，主持开发广州市中小学创客教育师资培训线下课程两大系列，主持并开发广州市中小学教师继续教育创客师资培训线上课程四门，参与中国大学慕课创客教育关课程建设一门。

　　致力于中小学信息技术教学、创客教育、人工智能教育研究，顺德区中小学创客教育联盟负责人。全国中小学计算机教育研究中心网络教研员，广东省教育学会网络教育专业委员会常务理事，佛山市计算机学会中小学专业委员会理事。

　　北京景山学校信息技术、物理教师，创客教育普惠课程创始人，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。全国中小学STEAM教育大会联合发起人，“猫友汇”社群联合发起人，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。

　　吴俊杰：我经常去广东，跟龙丽嫦老师和梁锦明老师都很熟悉了，特别是龙老师，我们还常常一起做一些创客项目的评审。龙老师，首先让我们回顾一下，您是如何结缘开源硬件的呢？

　　龙丽嫦：说实话，与大多数女性一样，我最早听到“硬件”两个字是本能性回避的，但是开源却是知道的，因为在我还是广州市白云区教研员的时候，用来做教师信息能力培训的网站服务器就是开源软件FreeBSD搭建的，而搭建服务器的骨干教师就是科学技术协作组的曾祥潘老师，他是较早一批玩开源硬件的兴趣者、创客教师。后来，我与曾祥潘老师、梁志成老师创建了创客流动工作室，随后萌发了教育创客空间的想法，并与广州市电化教育馆合作在馆内创建了名为“广州教育创客空间”（后更名为“红棉创客空间”）的开源硬件和数控制造实验室。

　　吴俊杰：看来“红棉创客空间”的发展和开源硬件密不可分。梁老师，您又是如何和开源硬件结缘的呢？

　　梁锦明：对于开源硬件，我应该是2013年的时间开始“入坑”的。2010年，我开始在学校里开展Scratch的教学，经过两年的教学后，感觉进入瓶颈，这时，我查到Scratch是可以连接硬件的，就尝试着在淘宝上搜索相关的设备。有趣的是卖家也是一位教师，我们很有共同语言，我的硬件之路是从一块Scratch传感板开始的，后来慢慢接触了Arduino。2014年，我正式把Arduino引入到所在学校的拓展课上，2017年全方面进入信息技术常规课程。

　　吴俊杰：我认为，开源机器人是使用开源硬件和开源结构件，自主设计外观，制作结构，通过编程实现功能、测试效果并一直在改进，最终把想法和图纸再分享出去的一个完整的机器人创造过程。两位老师怎么看开源硬件和开源机器人之间的关系呢？

　　龙丽嫦：我是这样理解开源机器人的，开源机器人是指利于开源硬件搭建的具有物理运算功能的结构较完整的装置。开源硬件具备价格门槛低、技术开源等优势，这就让更多的爱好者能够进入“舞台”，衍生出更多的开源机器人项目，让地区差异、学校差异和家庭条件差异不再成为阻碍学生接受机器人教育的拦路石。图1就是我和红棉创客导师高伟光老师于2018年针对开源机器人的想法，我们从机械结构件和配合开源电子件安装两方面考虑，发起并联合吴老师您等有关教师设计了激光切割开源结构件，建模尺寸是根据红棉创客空间采用的开源分立元器件方案进行绘制，因而命名为Laserblock@红棉创客空间。而且，我们开发并组织了基于该结构件开展的开源机器人搭建的师资培训活动，得到广大中小学教师的认可和喜爱。

　　吴俊杰：我很认可龙老师的观点，我多次去顺德参加梁老师负责组织的创客节，也看到了学生使用Laserblock做了很多开源硬件作品，让我印象特别深刻。开源机器人虽然是一个新兴事物，但梁老师一定有很多经验分享。

　　梁锦明：关于开源机器人项目，在顺德的开展也是一件比较偶然的事情。2017年顺德区举办首届教育创客节，到第二届教育创客节时，比赛由我来负责组织与设计。

　　为了搞好创客节的比赛，我查阅了很多地方的创客节的比赛项目，感觉都是大同小异，基本都是学生制作好一个作品，到现场路演展示，学生参与度有多大并不知道。同时，我也了解到机器人项目的比赛大多是机器人企业在负责，学生的参与度其实也不高。因此，我萌发了一个想法：创客节的比赛是不是能够做到把成绩数字化，不再是人为主观判断打分。成绩数字化，不外乎就是时间、距离、重量等显性化的东西，如何让学生的作品能够与时间、距离、重量等拉上关系？在思考的过程中，我发现了轮式小车这一个项目，然后就找厂家切割了一批Laserblock，让小车完成一个最基本的巡线任务，并通过车辆的设计和完成时间两个角度来考核学生。

　　吴俊杰：当时我就在现场，我记得梁老师带着一些教师分器材，将价格不高的一批电子件分装成一组一组的现场竞赛器材包，然后每一组配几张A4大小的激光切割的Laserblock木板，感觉就像是发卷子。这时我体会到了一种机器人竞赛的“驾驭感”，可以说我从工作后参加机器人比赛以来，从来没有这种感觉，一直觉得机器人比赛被各种器材厂家瓜分得七零八落，教师没有驾驭感，没有命题的主动权。而这一点能够在顺德实现一些改变，令人很欣慰。

　　梁锦明：2018年的第二届还在摸索期，学生使用的是成本300元的器材，2019年的时候每组学生的器材成本就压缩到150元了，指导教师更倾向于让学生通过编程算法来处理问题，而不是搞硬件装备方面的竞赛，去比谁的传感器多。

　　我查阅了大量关于轮式小车的资料，在设计比赛的项目时，要使学生可以最大限度地参与到比赛中来，那么比赛的规则、评分标准、对设备的要求等都是很重要的，而且这些还不能让企业来包办，因此，我们规定了从第二届创客节开始，所有的品牌机器人将不再允许进入创客节的比赛项目中。

　　为了不让教师对学生的比赛干预太多，我们不允许学生自带设备，不提前公布比赛所用到的地图，赛前只公布比赛的基本评分规则( 任务分+时间分)，公布比赛用小车的硬件清单，学生只需要带上笔记本电脑，装好开源硬件编程所需要用的软件即可（如下表）。第二届创客节虽然由于经验不足，比赛的个别项目出现了一些小问题，但并不影响整个比赛的精彩程度以及学生的参与程度。到了第三届创客节，我们的项目更加完备，对硬件的要求更简单，对学生的技术水平要求也更高了。场地的变化、小车的尺寸要求等，都更真实地反映了学生的现场制作与编程水平。同时，教师赛的出现，也让教师们无法把精力放在学生比赛上，因为他们更加头痛的是自己的比赛，假如学生拿到了好成绩，而自己成绩不好，是非常打脸的事情。因此，师生的兴致就更加高昂了。2019年竞赛的水平以及比赛的规则都上了一个新台阶，教师的参与热情也更高了。

　　吴俊杰：龙老师，您现在的工作主要是区域层面上的整体规划，看了梁老师分享的这些特别具体的活动细节之后，您觉得此类活动的推广价值在哪里？

　　龙丽嫦：开源机器人的传播，有五大好处：第一，将鼓励分享的开源理念所倡导的开放（项目）协作精神和开放社区治理传播开来，这是我们过往在普通民众中并未广泛科普过的；第二，摆脱原有以主题器材分类为主导的比赛规则制订的绑架，重新规范机器人教育科普、教育教学活动开展、器材生产、商业活动推广、专家制订赛事规则的全链条活动；第三，让参与者能够参与到机器人教育教学活动及其赛事规则的制订和演化中，具体细节成为践行开源、开放准则的表现，能有效体现教育功能；第四，引导师生从注重技术转向注重工程和设计，在开源机器人的DIY设计和制造中，在基于创客空间场域的指尖造物学习中，从调研、制作到调试，亲身参与开源机器人的生成过程；第五，通过链条的改变，使倡导开源普惠的创客教育改革了教育的供给侧，极大地扩大了机器人教育的受益面，打破机器人教育精英化的局面，某些特定的程度上破解了机器人教育不均衡带来的矛盾问题，促进了机器人教育的教育公平。

　　综上所述，我觉得能重新给开源机器人下个定义，开源机器人是指倡导开源、开放、协作理念，借助开源机器人教育社区共治而设计、维护规则与标准的，以开源软硬件为核心平台搭建的反映技术、工程和设计特性的装置。我认为，开源机器人是为滋养创客师生提供的载体和路径之一。

　　吴俊杰：龙老师总结得特别好，这些优点也证实了“开源机器人”是创客空间2.0当中一个先导性的活动，从具体技术上来讲难度并不大，但是从教学效果和教学的有效性以及STEM综合育人的效果上来说，上了一个新台阶。

　　梁锦明：是的，2019年，我们就不允许学生使用热熔胶，而且不再发放已经切割好的小车底盘，所有底盘必须要现场设计、现场制作。器材要签字领取，不能归还的，学校要赔偿。这一些细节的建设，保证了活动的可持续发展。2018年，活动现场只有1台激光切割机，大部分学生是使用统一规定的底盘参加走迷宫比赛；2019年，现场有7台激光切割机，学生都是自己设计小车底盘，对于走迷宫这一个项目来说，超声波测距传感器的安装角度最重要，统一设计的底盘虽然方便，但还是不如现场设计和制作、调试的底盘效果好（如图2）。这也说明活动的效果得到了认可，教学水平和设施环境都得到很好的改善。

　　图2 左图2018年使用的统一的Laserblock底盘，右图为2019年现场自制的机器人小车底盘

　　不少学校在创客节比赛结束的时候就开始主动了解明年创客节大概的方向，有的学校围绕创客节的项目在学校里开展相应的第二课堂课程，有的学校甚至着手编写创客节项目中开源机器人比赛的相关教材，这些都让我们感到鼓舞，也明确了开源机器人的比赛方向是正确的。今年，我们的开源机器人比赛项目将全面引进人工智能，场地竞速、迷宫竞速项目都将提供摄像头，让有能力的学生能够最终靠人工智能视觉识别进行开源机器人的设计。

　　龙丽嫦：开源机器人从民间实践活动到带头者发起“开源机器人”的推广，近五年也积累了不少经验。首先，普及最为广泛的就是以Ardu i no系列为代表的开源硬件平台的学习和使用，基于ArduinoUNO或NANO，全国各地创客教育师生玩出了不少令人雀跃的成果。我在主编全国普通高中信息技术课程新教材《开源硬件项目设计》（粤教版）时，就把Arduino开源硬件及利用它搭建的开源机器人项目编写了进去。

　　其次，我最看好的就是Laserblock项目（又称乐造项目），因为它利用激光切割机满足和实现了机器人结构件的结构开放、样式多元、制件可重用、技术开源这几个典型需求，让激光切割的木制结构件可以堆满校园创客空间、家庭创客空间的制作桌，让我们步入了开源机器人的时代，就如吴老师所说的“彻底告别机器人物质匮乏的时代”。至于开展开源机器人的活动形式，以产品原型设计的造物为目的的项目学习活动是最好不过的，但据我观察到的一些情况去看，还有比较多的教师偏重于技术步骤的学习，缺乏对项目整体调研、设计和迭代的整体教授，对学生的设计思维、计算思维和工程思维培养方法的认识，要进一步增强。

　　吴俊杰：我身边有不少乐高积木的粉丝，我也有一些朋友在机器人公司从事积木设计的工作。这些设计好的积木或成品都有一个共同的特点，就是“天才的设计，傻瓜的应用”，教师拿到这些成品的积木，没有改进的能力，只有按照说明书“照本宣科”，自然没有教学的热情。学生学习了一些基础知识之后，很快就面临着知识的天花板，难以从机械和电子这两个角度开展更深入的教学。“设计软件—加工设施—机械知识—电子模块—电路知识—编程水平—竞技意识”是一个“七合一”的综合结构，它们共同构成了机器人作为一个非常好的信息技术、综合实践、劳动技术的结合点的独特的教学价值。有了开源机器人，机器人的教学价值才能充分地挖掘出来，这种能力才能够更适切地配合高校相关专业的育人要求，对于未来建立适应创新型国家建设的选材育人体制也有着重要的示范意义。

　　创客空间的升级是近几年创客教育发展的一个自然需求，而对于创客空间2.0而言，其发展也肯定不单单是技术的进步，这次突如其来的疫情，一方面打乱了很多人的安排，另一方面也让我们意识到家庭作为创客教育的载体的重要性，如一些学生在没有一点加工设施的情况下，自己绘制图纸，用家里的泡沫塑料完成了一个机器人消毒车作品的设计。

　　龙丽嫦：广州市电化教育馆红棉创客空间是融合了项目开发、教师培训、竞赛活动为一体的区域性创客空间，它从创建的时候起走的就是开源、普惠的路线。中小学一线教师通过参与我们组织的针对开源硬件、激光切割机及其应用设计、教育项目设计的一些培训，在基于红棉创客空间场域的动手搭建学习体验中，认识到开源硬件和开源机器人的教育功能和教育价值，并能够“带着课程回家”，将学习到的开源器材、搭建方法和学习方式复制回学校，移植作用在学生身上。走过了五年，这类培训课程仍然受到教师们的热捧，而开源硬件也一直在迭代更新，更加多元化，中小学师生学习和发展开源机器人的创造性成果预期无限。

　　梁锦明：我觉得开源机器人推广起来成本是很低的，政策比经费重要。回过头来看我们顺德区的开源机器人教育之路，创客节比赛项目的改革之所以很重要，也正是因为有创客节的比赛作为引导，以及顺德区教育发展中心的大力推动，尤其是2019年第三届创客节启动了镇街预选赛，要求全区所有初中、小学必须参加镇街预选赛其中一个项目的比赛，区属高中和职校必须参加创客节其中一个项目的比赛，如果不报名，将在年终绩效考核中扣除信息化项目的积分。

　　这项规定就把开源机器人比赛推广到全区所有的学校，而教育发展中心联合顺德区创客教育联盟的讲师团，借创客节的机会，连续三年举办全区的创客教育培训，要求所有学校必须派人参加，提供培训所用设备，甚至培训完可以把设备带回学校，保证了每所学校均有两名以上教师参加过创客培训，每所学校都至少拥有一套开源硬件的入门套件。

　　顺德区创客教育联盟讲师团，把自己多年来玩开源硬件的经验归纳起来，给全区学校推出一套开源硬件的入门套件，所有的设备均源于网络，没有企业在中间赚取利润，坚持走草根、平民化路线，推广万元创客计划，一所学校装备一个开源机器人的实验室，基础设备一万元内完成。同时也联合镇街教育局，支持部分经费充足的学校购买激光切割机、3D打印机等设备，然后片区兄弟学校可以到该学校去使用这一些设备。这就使得顺德区的创客教育及开源机器人的教育可以顺利地开展下去，并能真正地使学生得到锻炼与成长。