参赛乐高机器人后才发现踩了个大坑

机器人技术 2020-11-19 14:37www.xuehaixcl.com机器人技术
乐高机器人可以做出很酷的东西,比如逃逃和小伙伴完成的这个能产生巨大推力,让小车瞬间冲上爬竿的功能,是国际乐高机器人比赛FLL(First Lego League)中的一个小任务——“逃逸速度”(总主题是:进入太空)。
 
 
 
 
 
 
功能看起来挺简单,但我知道,这里面涉及到一大堆的机械、物理原理,孩子们能自己折腾出来,还是挺不容易的。实际上我们在陪逃逃玩乐高、学乐高这条路上走了很长一截弯路,可以说现在也都还在“纠错改正”进行时。
 
 
 
和绝大多数孩子一样,逃逃也是从很早,大概3、4岁左右就开始接触乐高,买过的套装不计其数,有次整理收拾时吓我一跳,拆散的配件都可以堆半个房间了:
 
 
 
 
这还只是其中一部分~
 
 
 
后来长大些上过一段时间的乐高班,经常搭出来的东西也挺像模像样。于是我们自信满满地认为他Ready了,鼓励他和几位小伙伴组了一个机器人队,准备参加FLL乐高机器人比赛。
 
 
 
逃爸是个自带“理工男”体质的爸爸,对这方面本来就很感兴趣,为了儿子的学习更是“义不容辞”,自告奋勇地通过培训成为FLL的注册教练,平时带着逃逃他们这个机器人团队进行训练准备。
 
 
 
 
图片来源于FLL官网
 
 
 
先科普一下FLL(First Lego League),这是一个针对9~14岁孩子团队合作的全球性竞赛,主要考察3个项目,机器人比赛是其中之一,要求使用乐高组件拼搭出机器人,并完成若干个指定任务。
 
 
 
这是最低级别的机器人比赛,面向的孩子年龄最小,往上还有FTC(First Tech Challenge科技挑战赛)和FRC(First Robotics Competition机器人挑战赛)。
 
 
 
近几年机器人比赛在美国特别火,尤其如果能在最高的级别FRC中拿奖的话,别说申请大学有一定优势,说不准还会直接收到某些顶级科技公司的offer。
 
 
 
OK,这些都是美好的愿望了,咱们说回现实。
 
 
 
话说逃逃他们这支乐高机器人队一开始摩拳擦掌斗志昂扬,但很快就发现,困难比想象中大很多。
 
 
 
团队里几位孩子都和逃逃类似,有多年玩乐高的经验,但是整起机器人都不太灵光,想法很多,动作也利索,但常常做出的东西和目标相去甚远。
 
 
 
而且,陪孩子时间相对较多的妈妈们也不太搞得定,我自认为理工科还算强,但面对着一堆梁、栓、齿轮、马达啥的,也有点儿抓瞎,辅导的重担全落在教练逃爸身上。
 
 
 
很长一段时间进展都非常缓慢,而且渐渐地孩子们对家长还有了依赖性。
 
 
 
印象最深的一次是逃逃实现了一个功能,但很不稳定,10次里可能有2~3次的失败几率,挡住了整个团队的进展。他自己整了很久没搞定就索性丢给爸爸。逃爸那天把他做的东西全拆了,一个一个配件地排除检查,最后发现是有个齿轮用错了,修好时已是三更半夜~于是愤愤然对我说“唉,你娃有点儿恼火啊!”(这点我估计大家肯定有共鸣,得奖争气的时候是“我娃”, 淘气惹祸不靠谱的时候就肯定是“你娃“了~)
 
 
 
我们认真地反思了很久,觉得娃还是个聪明认真的娃,但缺乏了基本功训练。
 
 
 
他之前玩的很多是砖块积木, 虽然也搭过不少汽车、飞机、变形金刚等科技积木(Lego Technic)系列的套装,里面也含有些机械搭建组件,但毕竟比较少,而且一套一套照着图纸说明书拼,并没有对每个组件的用法、技巧有针对性的练习。
 
 
 
所以,乐高机器人中用的很多有关机械部件、动力原理的东西他不够熟悉和熟练,搭建常常是凭感觉靠运气,所以难度大,出错率也高。
 
 
 
而且我们还发现,之前在乐高班里做的东西,不知是老师水平一般还是学得不够系统扎实,不少核心部分只是一步一步地跟着照猫画虎,或者是辅导老师帮忙完成的,全拆了让逃逃自己独立重整一遍的话,也未必完全搞得定。团队里的几位孩子都有类似情况。
 
 
 
想清楚这些我们的心态也就放轻松了,比赛还会继续参加,但不会只盯着比赛,更多的是回头去帮孩子们系统地补基本功。
 
 
 
我也是从那时才真正地get到,乐高机器人跟其他学科一样,也是需要基础知识积累的,就像要解数学应用题,就得老老实实先学好四则运算,想写好作文,起码得先学会把句子写通顺一样。
 
 
 
所以,上一篇分享文章后,有个读者留言问到乐高机器人EV3,我就是这么回答的:
 
 
 
 
 
 
当然,EV3孩子玩是可以玩的,用拖拽界面编个简单的程序,看着机器人动起来,孩子肯定会很兴奋。但是,然后呢,没有机械搭建的基础,做不出更复杂好玩,功能更强大更稳定的东西,孩子很快就会失去兴趣,也就没有然后了。
 
 
 
实际上,从玩乐高积木到机器人,中间有很长一段路要走。这段路可分为三个阶段:
 
 
 
 
 
01
 
熟悉机械动力组件
 
 
 
逃逃玩过的乐高积木不少,为什么上了机器人之后困难重重?原因是从套装的乐高砖块积木到机器人,中间有个很大的坎,就是动力机械搭建,它们能让积木动起来,对孩子很有吸引力,但正因如此,难度也大大增加了。
 
 
 
砖块积木的变化很少,它们的不同在于大小、形状、颜色,比如我们家里很多都是这种:
 
 
 
 
 
 
而动力机械搭建的器件种类特别多,有轮子、齿轮、梁、栓、马达、控制器等等,每一种器件的功能都不一样,甚至同一种器件中也有很多细分。
 
 
 
 
图片来源于美国亚马逊
 
 
 
就拿以最常用的两个单位长度的连接件为例,长度一般模样类似, 为什么会有不同的颜色,仅仅是为了让做出的东西更多彩吗?
 
 
 
 
 
 
不是的,不同的颜色后面是不同的功能,它们分别适用于不同的场景。
 
 
 
首先连接头就有好几种:
 
 
 
● 有完全没摩擦的,连接后两端可以灵活转动,假如要连接一些随时需要活动的部件,比如风车、风扇叶子等就得用上;
 
 
 
● 有的有一定摩擦,连接后还可以动,但是需要施加外力来驱动,比如机器人的手臂关节;
 
 
 
● 有的是直接卡死,连接后完全不能动,比如用来固定方向就很合适。
 
 
 
不同颜色的连接件就是不同连接头的搭配,比如上图从左到右依次是:
 
 
 
灰色: 圆口没摩擦
 
黑色 :圆口有摩擦
 
黄色 :一头十字卡死一头无摩擦
 
蓝色 :一头十字卡死一头有摩擦
 
红色 :两头十字卡死
 
 
 
孩子在搭建之前,就得非常熟悉这些器件的功能。
 
 
 
就像一位熟练的修理工得清晰地知道他工具箱里每一件物品的功能特点一样,孩子知道他手中有什么“装备”,这些“装备”能干什么,才知道用它们能做出怎样的扩展,搭建时也才能轻松准确地找到他所需要的。
 
 
 
如果一开始上来就想着完成功能,逮到什么器件用什么,尽管有时绕个弯也能实现,但很可能是比较复杂繁琐的方法,而且往往会埋下一些暂时看不到的隐患,后面测试途中又得推翻重来。
 
 
 
所以,当孩子拿到一大堆机械组件时,不着急出大作品,先熟悉各个器件的功能是关键。
 
 
 
怎么熟悉?光看吗?当然仔细观察比较是第一步,更重要的,是在练习搭建各种功能单元中加深印象,系统训练,学会灵活运用。
 
 
 
 
 
02
 
系统训练,练习搭建各种功能单元
 
 
 
任何一个复杂的功能都是由简单的小功能单元组成的。所以,练习各种小功能单元的搭建非常重要。比如我们来看下面这个很简单的小东西:
 
 
 
 
 
 
最下面红色的马达转速是恒定的,把杠往上推,是小齿轮带动大齿轮,力量大,但速度慢;
 
 
 
 
 
 
放下来,是大齿轮带动小齿轮,力量小,但速度快;
 
 
 
 
 
 
这东西有啥用?其实它就是个最最简单的变速箱,咱们汽车里的变速箱就用到同样原理。开过手动挡汽车的同学肯定知道,起步时候挂低挡,这样速度慢但是力量大,能让车跑动起来;速度起来以后换高档,这时因为有惯性在不用很大的力量,但需要维持较高的速度。而有了变速箱,才能灵活做这些转换。
 
 
 
有了上面这些训练,孩子就可以挑战更加复杂的结构了,比如3挡变速:最上面1挡,速度慢力量大;最下面是2挡,速度快力量小;而中间一挡没有齿轮带动,不会转,相当于空档:
 
 
 
 
 
 
搞定上面两个之后,循序渐进地,来上个更复杂的,这个就跟真实汽车里的变速箱更类似了:
 
 
 
 
 
 
一个好的机器人课程体系,必须要带着孩子循序渐进地做这些搭建练习。这样,孩子需要做更复杂的造型时,这些练过的功能单元就能马上派上用场。
 
 
 
就比如刚才举例的这个“变速箱”,几乎每次搭建机器人任务时都需要用到。文章一开头逃逃和小伙伴做的那个“逃逸速度”的例子,其实就用到变速箱原理,把很重的大轮胎举上去的时候,需要力量但不在乎速度;而当把轮胎砸下去让小汽车获得高速弹跳力,最需要的是下落的速度。有了变速箱,用低档把轮子举起来,用高档把轮胎送下去,就是一种很好的解决方案。
 
 
 
 
 
03
 
创意搭建DIY
 
 
 
孩子经过一段时间的基本功训练后,就可以鼓励他开始DIY一些有创意的搭建了。
 
 
 
但同样的,一步一步来,不着急“从零开始”创新,可以先鼓励孩子对自己以往的作品做些小改进,哪怕只是一点点。
 
 
 
比如逃逃之前搭了一条可以一拱一拱地往前爬的“虫子”。发现它往前“爬”的时候前轮不会回滚,稳稳当当,但后轮会回滚一点点。这就带来了一些限制,在特别光滑的表面,虫子会爬得很吃力。
 
 
 
 
 
 
我们鼓励逃逃想办法改进一下,让它的后轮也完全不回滚。后来他果真找到办法,通过重新安装一个合适角度的防回轮桩,解决了这个问题。
 
 
 
 
 
 
现在这条“虫子”的后轮也不会回滚了,在我家很光滑的厨房操作台上也“爬”得飞快!
 
 
 
 
 
 
很喜欢雨果奖得主郝景芳老师的一句话“真正的创造力是在丰富知识基础上的灵活思维,肚子里没货,创意也只是胡思乱想。创造力是知识峰顶的一抹白雪,晶亮靠白雪,高度靠山峰。”
 
 
 
玩乐高也是一样的,有足够的积累,熟能生巧的基础上每次多想一点点,改进一点点,就挺好。
 
 
 
比如这位小朋友做了一个很有创意,也很酷的“宝贝收纳箱”:
 
 
 
 
 
 
其实就是来源于一个基本搭建练习“自动门”的启发:
 
 
 
 
 
 
当然,当孩子有了很多的积累,能想得更多一些,就是他放飞自我,充分发挥想象力和创造力的时候了。
 
 
 
 
 
 
总结一下,要学习机器人,机械搭建是必备基础,需要有计划,有体系,循序渐进地学习。
 
 
 
之前有很多妈妈问到该怎么选择乐高/机器人班,其实最重要的是看它提供的课程体系,有没很完整的、分阶循序渐进的训练机械搭建的体系。当然,老师的水平如何,这个也至关重要。
 
 
 
更方便高效的方式,是选用一个完整的课程体系,在家里学习。现在孩子都很忙,在家学习的好处不仅是省掉了来回路程折腾,而且平时的碎片时间也能利用起来,机器人搭建是个比较费时耗力的活儿,孩子平时有事没事琢磨一下,积少成多,比一周一两次课的效果要好很多。
 
 
 
最后,安利时间到了!
 
 
 
上一篇文章《乐高、机器人、少儿编程,区分清楚了,才知道学什么,怎么学!》推送送后,就很多同学问到有否机械搭建课程的推荐。
 
 
 
有的。
 
 
 
还记得我们去年也是差不多同一时间,推荐过一款雷诺机械动力组积木套装吗?
 
 
 
逃逃和小伙伴们一直都用这套积木来训练机械搭建,也和乐高机器人EV3混搭起来使用,让它的功能更强大。
 
 
 
 
 
 
而今年要给大家推荐的,是雷诺机械动力组课程套装。我们在去年那套积木的基础上,花了一年时间,和出品方“雷诺实验室”一起,为它打造了一系列的配套线上课程+纸质教材。
 
 
 
其中融入了美国机器人实践的设计理念,包括逃逃和小伙伴们参加机器人比赛的实战经验,以及作为教练的逃爸,在给孩子们讲解搭建技巧和原理时的心得体会等等。
 
 
 
感兴趣的同学请移步今天的第二条推送,有非常详细的介绍。
 
 
 
 
 
 
总的来说,在乐高这条路上我们走过不少弯路,从花了很多钱买了很多乐高,报了班,贸贸然参赛,后来又回头脚踏实地系统学习。不过总算捋顺了孩子的学习路径,也涨了不少经验值。
 
 
 
希望这些记录和分享对大家有用。毕竟娃和我们自己的时间、精力和金钱都有限,不必要的弯路和坑,还是少走少踩。

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