淡海機器人教育聯盟及機器人實作教學

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談海機器人教育聯盟及機器人

貫作教學

詹翔閔*博士後研究員

翁慶昌教授

淡江大學智慧自動化與機器人中心淡江大學電機工程學系

壹、緒論

在過去的幾十年間，機器人已開始在人類的生活中慢慢的出現，隨著使用者的需求不斷的改良與進化，越來越多功能強大的機器人出現在現今的社會中。原本科幻小說的一個名詞現今已開始出現在我們的生活中。比爾蓋茲也預言機器人將會是下一個明星產業，在今日看起來這個預吉已經成為必然的趨勢。對於使用者來說，機器人是一個能自動執行任務，用以取代或協助人類工作，並且其一些性能，甚至可以超過人類能力數倍之多。在今日，各式各樣的機器人已開始在救難、娛樂、工業等方面逐漸取代人類，機器人已逐漸變成我們的夥伴，在日常生活中幫助我們實現人類原先夢想所不能及的許多工作，機器人產業開始受到全世界的重視，成為了未來的明星產業。

2014年，國際機器人協會 (International

Federation of Robotics

,

IFR) 統計工業機器人

的全球年供應量超過220000個單位 [1] ，並由過去統計數量顯示，其整體數量呈現上升

的趨勢，如圖l所示。由此可見在未來機器人的需求將會與日俱增，越來越多的機器 Q

人出現在生活中，意味著機器人的使用者也將與日俱增，而現在的中學生即將面對這些出現在他們生活中的機器人，他們該如何學習機器人的使用，並培養相對應的邏輯思考能力與應用能力，將是本論文探討的目的。

*本篇通訊作者:詹翔間，通訊方式: [email protected]。

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淡海機器人教育聯盟及機器人貫作教學工業機器人的全球年供應量 1994~2014 單位:+車租 240 +V曳 220 恕。 +U'l{, 1ω 160 140 120 1 ∞ 。 80 60 40 20

,-1抽:帥

1994 1995 1996 1997 1998 199920∞ 2∞ 12∞22∞32∞42005 2飢渴 2∞72008 2四J92010 2011 20122013 2014 賣科車輯: IFR且計部門圖 1 1994 年到 2014 年工業機器人的全球年供應量

貳、旅海機器人教育聯盟

淡江大學智慧自動化與機器人中心與淡江中學於 2014年4 月 15 日正式簽訂合作備忘錄(圖 2) ，並成立「淡海機器人教育聯盟」。其成立目的是希望藉由「淡海機器人教育聯盟」的相關課程規畫來推展機器人教育，培育未來機器人產業的相關人才。「淡海機器人教育聯盟」具有兩大願景:1.達成新北教育局推出「淡海國際教育城方亦 J '結合當地國中小、高中職及大學資源，建立從幼稚園到大學的在地 rK-16 J 教育學制。 2.機器人教育向下紮根，完成「臺灣機器人發展在淡水，淡水機器人教育在淡江」的遠景。淡江大學電機工程學系的機器人研發團隊在國內外競賽已有不錯的競賽成果，並且在深耕機器人教育上亦已有多年經驗。「淡海機器人教育聯盟」將藉由這樣的經驗往下紮根，讓中學生，甚至是小學生都能夠提前的與機器人接觸，透過提前動手接觸，讓學生能更早的獲得許多機器人的知識，將有助於學生在未來可以發展未來更複雜的機器人技術'未來到大學相關科系中可以更容易的銜接相關課程，做更深人的研

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領域的優秀人才後，讓這些優秀的人才留在淡水繼續發展，達到「臺灣機器人發展在淡水，淡水機器人教育在淡江」的遠景。

參、機器人貫作謀程規畫

「淡海機器人教育聯盟」的機器人實作課程規畫是秉持著「動手做、做中學」的教學方式，讓學生可以透過實際的動手做來驗證所學的理論，並透過實際的機器人反應來提升學生的學習興趣，最後透過課堂舉辦的小型競賽提升學生的學習成效。透過圖 3 淡江中學教學實況

C

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淡海機器人教育聯盟及機器人貫作教學上述的教學方式，我們將課程規畫為每個禮拜兩小時或三小時的實驗課程，並實際在「淡海機器人教育聯盟」的成員學校中進行樂高機器人的實作教學，圖 3 為淡江中學教學實況。在機器人實作課程規畫中，每一次課程主題規畫成一個三小時的課程，其包括課堂講授、動手實作、與班級內小型競賽三個階段。這三個階段中的時間分配大約是課堂講授30分鐘、動手實作 90分鐘、與班級內小型競賽60分鐘，其中將依照班級人數多寡來調整動手實作時間與競賽時間，課程人數最多不超過 30人。在每次上課的內容中，會依照課程主題來做課堂講授，然後讓學生進行動手實作，最後針對學生的實作成品進行班級內的小型競賽。其目的在透過最後的班級內小型競賽來提升學生完成作品的動機，再透過學生想要完成作品的動機提升學生動手實作的效率與課堂講授的專注力。在課堂講授階段，授課教師將依照本次課程主題的原理進行講解，並針對本次主題所會用到的機器人機構設計、機器人程式設計、機器人戚測器原理等進行介紹。此外，講解比賽項目之目的是讓學生了解課程目標，但是授課教師並不會多加說明如何製作機器人，其目的為激發學生的創意，讓學生真實的透過動手做中發現問題並使用課程所學之各種技巧來解決問題，而授課教師也能夠針對學生的作品發現學生的各種問題。在動手實作階段，將以一人一機一電腦的方式，來讓學生可以實際動手組裝機器人，授課教師於這個時問扮演的角色，將成為提供學生解決問題方法的建議者，透過授課教師提供的建議，讓學生自行判斷解決問題的方式，讓學生學習各種解決問題的 ♂法，同時利用有限的時間，激發學生的執行力與提高學習成效。最後，在班級內小型競賽階段，將會讓學生有參與比賽的經驗。從上臺的作品介紹、個人比賽到團體競賽，不僅可以提升學生完成作品的動機，也可以透過比賽的同儕競爭學習，來提升學生的學習成效。由於沒有固定的機器人組裝製作方式，讓參與課程學習的學生均可以在每次課程中，動手製作出其唯一的機器人。透過班級內小型競賽，可以讓學生藉由比賽，能夠觀摩了解自己的作品與他人作品的差異，並在最後課程結束後回家撰寫報告，利用這樣的方式，提升每位學生的學習成效，也讓授課教師於評定學生的學習成效有更客觀的依據，授課教師將依學生比賽名次、課堂表現、

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體來設計一系列機器人相關主題課程。每套 LEGO

Mindstorms

NXT教育套件含有一真有藍芽無線傳輸功能之 NXT 可程式控制器，其內部真有一個 32位元 ARM 7處理器與一個可以顯示 100x64 像素的液晶顯示面板。 NXT-G 圓形他程式編輯軟體為 LEGO

Mindstorms

NXT教育套件所附之程式編輯軟體。學生可以先在電腦上用 NXT-G 圖形他程式編輯軟體來編寫程式，然後將程式載人 NXT可程式積木來控制機器人。在樂高機器人的組裝上，實驗教材擬以 NXT教育套件中之樂高積木、伺服馬達與各式廠測器來組裝多種不同功能的樂高機器人，並且以 NXT可程式積木為機器人的主控核心。經由這些主題的設計與實現，學生可以了解機械基本元件的運用、各種機構設計原理與應用、各式戚測器的應用、程式設計概念等。

LEGO Mindstroms

NXT 教育套件是將傳統的樂高積木與現今的資訊科技互相結合，利用電腦程式使原本靜態的積木，搖身一變為真有判斷力、能改變方向、能傳遞訊息、能自行運作、好玩、有趣、又吸引人的輔助教材。積木本身就是一個想像空間無限的產品，而且任何人在短時間內就可以任意組裝上手，幾乎沒有進人門檻的障礙。由於受到電腦和電動遊戲的流行與刺激，積木玩具的龍頭樂高公司希望生產一套能和學生互動，並且能讓學生可以不斷學習的電腦玩真。於是樂高公司在 1984年開始

和麻省理工學院之媒體實驗室的 Mitch Resnick 教授及 Seymour Papert教授合作，經過 15 年的研發，樂高公司與美國麻省理工學院終於在 1998 年推出革命性的產品一樂高微電腦積木 C

Rex

,

computer-based programmable

brick' 或稱Intelligent brick) 。將樂高積木和一種名為 Lego

Language

'適合學生學習的簡單程式語吉結合在一起，學生只要點選簡單的圓形就能依照想像力隨意設計電腦程式，並透過各式各樣模組型的戚測元件

或致動元件(如聲音廠測器、伺服馬達)

，來做發孩子無限創作的空間，且，快速建立

C

強大的邏輯概念，因應數位化、電腦化教育的要求。由於樂高公司與美國麻省理工學院長期的合作開發，終於將樂高積木與電腦課程相結合，並發展出一系列不同等級的創意科學電腦課程讓幼稚園、中小學到大學的學生學習。因為這套課程的教學理念是以建構式教學為主軸，強調結合日常生活的科學知識，讓老師、家長、及孩童透過實

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淡海機器人教育聯盟及機器人貫作教學

際動手做的互動過程，建構累積經驗與知識，讓孩子從實驗中進行探索、思考問題，培養孩子創造及解決問題的能力，以建構自己的知識體系，並敢發孩童多元的智能。自從電腦樂高推出後，已引起教育專家及為人父母者廣泛注意並爭相推薦。於是業者

就在 1998年秋季於英國及美國推出 LEGO

DACTA

'這套產品包含:圓形他程式編輯

軟體 (ROBOLAB) 及教案、紅外線傳輸器(IR

' Infrared

Transmitter) 、 RCX可程式積木零件組，而臺灣亦在1999年元月引進此產品[2-6] 0 2006年9 月上旬，樂高公司推

出新一代的教育套件LEGO

Mindstorms NXT

'將原本為8位元處理器之RCX提升為32

位元處理器之NXT ，其比較如表l 所示。 NXT之操作方式相較於RCX更為簡便，過去

RCX只能使用紅外線的傳輸方式，而NXT可以使用藍芽以及USB2.0的傳輸方式，更加

人性他。而NXT-G圓形他程式編輯軟體與RoboLab軟體一樣都是用美國國家儀器公司

(National Instruments

,

NI)的LabView軟體所研發的視覺他圖形軟體。使用 NX下G 圖形他程式編輯軟體來編輯程式，就像是在畫流程圖，學生利用拖曳圖示的方式編輯程式，每一個圖示( icon或code

block)

，並且藉由各種感測器作為環境判斷使用，例如超音波戚測器，可以測量與物體間之臣離，當到達一定的距離就執行使用者所拖曳的動作，這與我們在規畫程式設計流程圖的方式很相近。透過NXT-G圓形化編輯軟體的編輯方式可以讓學生快速熟悉、LEGO

Mindstorms

NXT的操作。表 l 可程式積木RCX與NXT之硬體規格比較表項目

RCX

NXT

外觀

C

、4

h吋1 中央處理器 8位元Hitachi H8微處理器 32位元ARM7 微處理器記憶體

_{16 Kbytes ROM}

_{256 Kbytes FLASH}

32 Kbytes RAM

64 Kbytes RAM

傳輸方式紅外線 USB2.0與Bluetootb

顯示螢幕 5位數字LCD 60X lOO像素圖形 LCD

輸入端 _3個 4個

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電池傳輸介面樂高 Rex專用電纜 _{類似RJl 2} 風測器觸碰廠測器觸碰戚測器光源戚測器光源廠測器角度戚測器聲音戚測器溫度戚測器超音波廠測器

...

_{顏色戚測器} 磁力廠測器加速度戚測器

...

在蔡學偉的研究中 [7] 指出，在 LEGO Mindstorms 教育套件課程上實施的結果，能提升學習者的學習動機及學習成效。吳志緯的研究中 [8] 也顯示學生在進行 LEGO Mindstorms 教育套件的教學方案和探究活動情境中，

LEGO

Mindstorms教育套件提供豐富且具高互動性的學習環境，讓學生可以在活動過程中，培養學生各種的科學過程技能，並提供學生問題解決的訓練與培養，學生透過同儕的積極溝通、討論與互動以達合作學習之情形，並鼓勵與協助學生關於科學學習的正向發展。國外亦有許多學者研究關於使用LEGO Mindstorms教育套件作為輔助教材[9-10]

,

甚至在訓練碩士人才上亦有不錯之成效，如日本的香川大學亦使用 LEGO

Mindstorms

教育套件作為輔助教材，學生學習過LEGO Mindstorms教育套件亦可提升學生的程式能力，並且對於機器人之策略行為規畫亦有不錯之成效。「淡海機器人教育聯盟」之機器人實作課程規畫是以LEGO

Mindstorms

NXT教育套件搭配NXT-G圓形他程式編輯軟體設計，實現一系列由淺至深以樂高機器人為主題之實驗教材，其目的希望藉由這些教材來提升學生對機器人的了解。利用LEGO

Mindstorms

NXT教育套件製作各種的機器人，例如相撲機器人、循跡機器人、雙足機器人、甚至更複雜的機器人，讓學生可以動手做，增加學生的學習興趣。藉由NX下G 圓形化程式編輯軟體這套軟體可以讓學生了解到程式撰寫的流程，並且讓學生了解寫程式要注意的地方，還有戚測器可以如何應用。以及利用NXT及其零件增加學生之創

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淡海機器人教育聯盟及機器人貫作教學

造力，引發學生對於機器人之興趣，所以「淡海機器人教育聯盟」的執行有其重要性與必要性， r 淡海機器人教育聯盟」所設計的實驗教材將可以培養更多、更有潛力的機器人設計相關人才。

肆、中學生機器人貫作競賽

現今在國際中學生的機器人比賽中有一個組織名為 FIRST

(For Inspiration and

Recognition of Science and

Technology) 意即「對科學與技術的敢發與認識 J 0

FIRST

是由知名發明家，同時也是企業家，

Dean

Camen先生所創辦，希望能激發青少年對於科學與科技的興趣。FIRST的宗旨即為藉由工程師與專業人士的參與，讓孩子們能與專家們「玩在一起J '進而解決許多真有挑戰性的問題。FIRST創辦於西元 1989年，是一個非營利的國際基金會，現今已成為全美工程科學相關學生的大型比賽，這比賽也包含來自世界各地的學生，在比賽中美國許多的知名企業如:美國太空總署NASA 、美國通用汽車GM 、美國國家儀器NI等大型公司也從中尋找合適的員工。而FIRST比賽組織則針對了不同年齡層的學生規畫了四項比賽，如圖4所示[11] 。 FIRST比賽組織與其他比賽最不同的地方在於其社區聯盟的互動方式，透過最高年齡層的FRC

(FIRST Robotics Competi

tion) 與業界合作，同時必須與社區聯盟的FTC

( FIRST Tech

Challenge) 成員互動。再由FTC成員與社區聯盟中的FLL

(FIRST LEGO

League) 成員互動。 FLL成員再來與Jr.FLL

(Junior FIRST LEGO

League) 互動。其互

O

圖 4 FIRST 組織舉辦的四項比賽

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織的比賽以 FLL為主。 FLL結合了經營管理、動手操作、機器人程式等。隊伍可由 10 位擁有不同專長(如:團隊營運管理、行銷企劃、問題解決、創意與分析式思考等) 之選手所組成。隊員們使用 LEGO Mindstorrns套件，進行營運計畫。、研究計劃、設計、組裝、寫程式、測試等並反覆改良，以創作出一個能完成 rFLL挑戰任務」的機器人。同時，他們也要搜尋網頁、向科學家們請教、上圖書館查閱參考資料等以完成 rFLL研究任務 J '這些都與解決現實問題所面臨的挑戰息息相關。當學生們組裝與實驗時，他們也正置身於經營企業、構思、新點子、解決問題和克服困境的過程之中。 FLL就是在這樣的前提之下來迎接學生，並幫助他們建立科學與技術之正面認知。「淡海機器人教育聯盟」透過機器人實作課程來訓練學生，有興趣、表現較佳的學生可以再進行深人的比賽訓練，這些學生在機器人實作課程已透過每次的小型比賽增加他們的動手實作能力與比賽經驗，因此在準備FLL這樣的比賽上已站在較高的立足點。其教育意涵使學生透過動手做的方式提升對機器人的了解，並透過比賽的方式，讓善於設計機器人的學生有創新的機會，也讓所有的學生學習機器人的應用。

伍、結論

「淡海機器人教育聯盟」讓只要是願意動手操作的孩子，都可以在機器人的學習領域中找到孩子自我的成就廠和學習目標。其中「淡海機器人教育聯盟」於2015年3

月 15 日帶領9位學生組隊參加 r

FIRST LEGO League

J 的臺灣區選拔賽獲得創意組第三

名。透過比賽的成果來 7 解學生的學習成效，並且持續發展相關課程來推展機器人教育，以培育未來機器人產業的相關人才。未來「淡海機器人教育聯盟」將逐步與淡水地區國中小推廣機器人教育課程，達成更多國中小加入聯盟目標，並以各國中小將機器人納入科學教育本位課程當中施教並加人聯盟目標，研發編訂高階機器人課程與教材，並期待辦理北區各項機器人競賽。

仁t

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參考文獻

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