机器人专家谢海鹏和他的创客风暴教学法
2017-03-03 11:00:06
来源:星星生活

(星星生活记者捷克佳报道)喜好游戏是孩子们的天性,如何抓住他们的兴趣点,因势利导,启发和培养他们的创造力潜质,擅长研发的加拿大华裔机器人专家谢海鹏从实践中探索出寓教于乐的创客风暴教学法。

在今年一月中旬的安省东区FLL机器人官方赛事中,由X博士机器人工作室(Dr X Workshop)所组成的大鹏团队(ROC),首次参赛便如同大鹏展翅,不飞则已,一飞冲天。斩获机器人设计、机器人竞技、机器人对决赛三项金奖。此外,这个团队设计的iCollar还赢得科研创新大奖。

令人称奇的是,取得靓丽成绩的这间X博士机器人工作室是由谢海鹏博士所创建,成立时间尚不足一年。能在FLL机器人竞技获得高分324(满分379分)并打破记录,以加拿大最高分遥遥领先于第二名,成功的背后有哪些秘诀值得分享。

FLL是FIRST乐高联赛(FIRST LEGO League)的缩写,这是由国际性青少年组织FIRST和乐高(LEGO Group)合作举办的一项针对中小学生(9-14岁)的国际竞赛。FIRST是“科技灵感与认知”(For Inspiration and Recognition of Science and Technology)的简称。

在每年8月,FLL都会公布一个新的关注现实世界科学问题的挑战主题,竞赛的每一个环节都会围绕着这个主题。参赛者通过设计和编程来寻找解决方案以完成任务,借此分享他们的智慧并展示他们设计和搭建的机器人。

今年FLL的主题是“动物盟友”(Animal Allies)。谢海鹏以西方传说中体形巨硕力大无匹的神鸟大鹏(ROC)为团队的名称,这只神鸟相当于中国古代传说中的鲲鹏。由于成绩突出,他的一位学生将ROC视为“加拿大机器人”(Robot of Canada)的简称。

谈及这场比赛的场景,谢海鹏仍十分兴奋。他介绍说,在加拿大的几个赛区中,安省东西两区共有475个队参赛,其中东区是全加团队数量最多的赛区。本届机器人竞技比赛的分数差别很大,有得零分的,还有得负分的。

谢海鹏从工程设计的角度剖析比赛结果的巨大差异。他说,以零分收场的一个团队当时现场还在调试程序,而这些提前就应该准备好,从专业上讲,机器人起动前首先要自检,这是工程界的一个常识。得负分的团队则是输在没有专业辅导, 或设计过于复杂又不可靠。机器人设计一定要简单可靠,依靠有效的传感器及控制编程来完成复杂的任务。复杂的机械结构也容易让孩子们迷失了方向。

大鹏团队的成功得益于谢海鹏博士在机器人领域的专业知识和他的创客风暴(MARKERSTORMS)教学法。

谢海鹏在智能机器人领域有多年的研发经验,早年在魁省的康考迪亚(Concordia)大学和安省的西安大略大学攻读电机及计算机工程硕士和博士期间,便参与加拿大宇航局国际太空站双臂机器人(SPDM,专用灵巧机械手)自动控制系统的研发,博士论文的研究课题更是太空臂双臂的实时合作控制。

2000年毕业后,他作为一间智能机器人公司的合伙人兼技术总监,主要从事面向高校、科研机构等多款机器人的研发,包括航天实验室、粒子加速实验室、博物馆、科学馆、军警及保安、老人院、油砂矿污水环境监测机构等多种度身订做的特种机器人。电影《美国派4》(American Pie 4)中的机器人Scout也是他的杰作。目前,谢海鹏还身兼多伦多大学机械及工业工程学院的客座教授。

在X博士机器人工作室,创始人和总教头谢海鹏是以创客风暴(MARKERSTORMS)的教学方式启发学生们的思维并激发他们的创造力。“我们的教学理念与传统不同,是从上向下施行。”

在机器人教学方面,大都沿袭了传统学科的教学方法,采用自下而上的“塔式教学”,从基础开始,一层层向上。不过,很多填鸭灌输的知识并不知道如何与现实相关联。而且,在技术手段更新日新月异的时代,这类知识还时常出现滞后现象。

谢海鹏的创客风暴是自上而下的“伞状教学”,着重能力的培养。其特点是以项目为导向,将项目拆解为多个各自独立的目标模块,从问题出发,根据目标来寻找不同的解决之道,以及所涉及到的各个知识点。最后,再指导小队员们把这些模块拼接,组成一个整体,最终完成项目。

在工作室中,不同年龄组的孩子们正在完成不同的项目。几个看起来6、7岁的孩子正忙得不亦乐乎,一会在电脑屏幕上利用已经图形化的LEGO编程软件调试乐高玩具车的参数,一会又去背后迷宫一样的试车场测试。

谢海鹏说,乐高玩具车的设计也可以看成创客风暴教学的一个小案例。给出行驶距离和方向,小学员会用轮子的的直径计算周长,再推算轮子的转动角度。实践中还会发现,有时会多少有一些差距,快速和慢速行驶以及惯性作用,不同的负重下,轮胎也会受少许影响,因此,如何控制速度提前减速刹车及利用传感器,这些处理都会影响最终的结果。

“Maker(创客)的核心就是创造,把想法变成现实。在项目中引导他们,让学生们自己寻找解决方案去完成。” 他说,在不同的时期,技术工具可能不同,充分利用所学的知识,或许会有几种方法,最后从中优选完成项目。“我们扮演导师,传道解惑,为学员提供帮助,把要求和想法变成现实。”

谢海鹏说,创客风暴是以项目为主,向孩子们输送基础知识和各类项目这两个部分,摆脱学习只是为了考试的心理负担,让他们对STEM(科学技术工程数学)更加感兴趣。目前,世界各国对STEM的重视,类似于早年人们时常提及的“学好数理化,走遍天下都不怕。”

创客风暴教学方法的优点在于以一种接近真实工作情景的方式,在孩子们的兴趣与爱好中,培养他们的科学素养,演示技能,沟通交流,文档管理,工程处理,团队合作等方方面面,通过解决实际问题来启发引导并提升孩子们的创新能力和动手能力。

机器人的研发通常比较超前,因而难以被普通大众理解和接受。为了看得到摸得着,让孩子们通过爱好游戏而学习编程,让虚拟世界现实化,谢海鹏还花费不菲买来逼真的人型机器人用于教学。目前,通常只在周末开放两天的X博士机器人工作室的学生人数已经有近80人。

在X博士机器人工作室的项目研究中,ROC团队研发的遛狗跟踪器iCollar还赢得科研创新大奖,iCollar类似于提供乘车服务优步(Uber)的运作方式,让每位狗主人轻易得道及提供遛狗的服务,并通过跟踪器和APP,实时掌握遛狗的地点,消耗的能量等。

近日,X博士机器人工作室和FIRST Robotics Canada结成战略合作伙伴关系,共同开发一系列机器人设计视频及训练课程,向所有多伦多地区学校推出试点FLL培训教学课程,希望能将创客风暴的成功经验和认知推广到社区,充分开发中小学生的STEM(科学技术工程和数学)知识和技能,以期为加拿大储备极具创新竞争力的人才。

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