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论文相关方法-气象科普宣传机器人
时间:2021-03-29 13:57:05

  从前几年开始,国家和人民越来越意识到创新发展的重要性,创新型人才的需要对于各个行业发展都占据重要地位。比如文化行业的原创电影原创歌曲等,数不胜数。在计算机编程方面,我国意识到创客教育的重要性,尤其是在中小学生教学研究上,我们发现孩子的思维模式在青少年时期活跃度极高,在这个时期引导孩子们进入编程理论和芯片电路的方向,对以后程序设计能力的发展有着重要的影响。在国内也开拓了例如Robot程序ArduBlock程序,但用得最多的上手最方便的还是许玉芳提出的基于scratch编程的mBlock编程,这是根据STEAM理念所得到的更适合国内的图形化编程软件。吸取国内外丰富经验得出结论,效果显著,Scratch是基于开源软件Arduino编程进行积木式搭建程序,所以mBlock也是可以和Arduino语言程序相互转换,mBot小车也采取了类似于Arduino单片机芯片的应用原理,这样可以很好的理解单片机的原理和应用,以及外部传感器的工作原理。

  国家在各行业一直需要创新性人才,人工智能的研究必然离不开软硬件的理论知识,现阶段成熟的高级程序设计语言指令晦涩难懂,有可能会造成刚开始入门就会产生退堂鼓的想法。国外麻省理工学院实验室意识到这一问题,也为了培养学生的编程兴趣所研发的Scratch图形化设计语言,Scratch最初是在国外进行教育学习,指导学生根据自己的想法用软件编写出自己的程序,不仅使学生从中学就对编程产生兴趣,也对日后的科技发展有着很大的帮助。而近些年在中国部分中小学校以及将创客教育纳入学习计划,也取得了较大的教学成果。

  软件编程在日常各个领域中都占据重要作用,很多国家和地区也将编程纳入中小学学习课程,单一的高级程序语言相较于中小学生来说有一些不易理解,而mBlock图形式语言为了中小学生创客需要,易于编程和理解。本次实验就是将Makeblock公司生产的mBot智能机器人与mBlock软件相结合,组成一个可以根据周围环境变化做出原理解释的气象科普宣传机器人。

  2019年3月,在第十三届全国人大会议上,科技部部长指出,2020年到2025年中国要分成“三步走”,首先到2020年底中国全面步入小康社会并且进入到创新性国家,到2035年基本实现现代化且进入创新性国家前列,在2050年成为现代化强国且成为创新型强国。中国的发展不仅看经济文化,国家更把创新教育放在了很重要的位置,科技创新可以给国家发展带来很大的力量。创新一直是我们所追求的素质性教育。

  1.2国内外研究现状

  1.2.1国外研究现状

  因为程序编程语言在多个专业多个领域都起着重要作用,而且编程需要很长时间的学习以及锻炼,一开始直接接触高级程序语言设计的话会使部分人不容易理解其中的操作,对编程的学习有一定的阻碍。麻省理工学院的“终身幼儿园团队”在考虑到这个问题后,开发了一种图形化编程软件Scratch,此款软件可以直接拖动积木块的指令条,将指令一条一条堆放在操作区域,就像小时候玩的积木那样,再加上洁面简洁,色彩丰富,容易上手,对于刚接触编程的中小学生来说很实用。Scratch2.0版本之后还可以外接LEGOWeDo和Scratch、Arduino板。

  1.2.2国内研究现状

  Makeblock公司是一家服务全球的STEAM教育解决方案提供商,提供齐全的机器人硬件、编程软件,输出优质的教学内容,并打造国际化的青少年机器人赛事。童心制物致力于降低创造的门槛,让每个人都能实现奇思妙想,享受创造的乐趣。该公司有在硬件基础上进行程序编写的慧编程mBlock,是基于Scratch的一款编程软件,可以脱离电脑的连接,直接将程序导入到小车主控板独立运行。近些年,越来越多的中小学校开始实施创客教育,培养学生从小就对编程产生浓厚的兴趣,因为在十几岁甚至几岁的年纪是思维非常发散的年纪,可能在这个思维较为活跃的年纪引导他们进入编程这一行业对以后的创新发展也有很大的帮助。

  1.3研究实施方案

  本次实验是指导三名小学生用mBlock编程软件编写出程序,与mBot智能小车相接合实现气象知识的科普功能。使用积木式搭建程序更易于小朋友理解,每条指令所对应的功能通过简单的讲解就能明白其中的原理,在教授编程的过程中,也向小朋友教授了小车各部件传感器的工作原理以及应用,与程序接合运行更易于理解整体结构。机器人所实现的功能有:自动巡线功能、颜色识别功能、语音播报功能、TFT显示屏显示科普内容等。本次实验的目的是因为我们结合生活中的实例和本学校所有的专业想到,可以让机器人向周围人宣传基础气象知识,增加趣味性和理论知识的学习。

  第二章智能小车硬件组成

  2.1mBot智能小车结构图

  1)mBot智能小车有上下两个主控,控制小车进行:探测障碍物、移动转向、读取色卡、语音播报、屏幕显示等功能。上主控连接TFT彩屏,它可以显示图片,还有颜色传感器,它可以识别色卡的颜色,还有语音播报模块播报气象知识,温湿度传感器可以感测室内的温度;红色和蓝色的卡片代表不同的气象知识,颜色识别传感器识别出红色后,播报器就播报出我们原先录制好关于风的知识。这就是语音播报功能。如图2-1(a)所示。下主控连接三个方位(前、左、右)的超声波传感器,它可以检测到人,当它距离人太近的时候它就会停下来,当人移动的时候它也会跟着移动,显示屏显示前进或左转右转的方向。这就是机器人的自动跟随功能。如图2-1(b)所示。

  图2-1(a)上主控结构图

  图2-1(b)下主控结构图

  2.智能小车各个传感器原理大致情况如下:

  A.超声波传感器(UltrasonicSensor):由TX(发送)和RX(接收)两个部分组成,TX发送超声波遇障碍物则反弹超声波,此时RX接收超声波,由发射接收时间长短判断障碍物的位置,根据程序判断是否停下,该如何转向等;

  B.双路颜色传感器(DualRGBColorSensor):由光线传感器和RGB灯组成。选择(红、绿、蓝)板放在传感器前,RGB灯发射三种光线对板子依次照射,此板若为蓝色,则说明吸收蓝色能力较差,再用蓝色灯光对其照射,蓝色与其余两种颜色差距更为明显。根据RGB灯均照射一遍的值记录下来进行对比,最高的那个读数则为该颜色。

  2.2mCore主控板

  2.2.1mCore主控板介绍

  mBot机器人使用模块化编程软件使其实施各种功能,而mCore主控板就相当于是机器人的大脑,主板是基于Arduino编程的集成电路板,板子上集成了各种传感器控制器,用于连接传感器得以控制其运作,还集成有蜂鸣器、LED灯、光线传感器、红外接收发射器等。

  图2mCore主控板

  图3mCore原理图

  2.2.2Atmega328最小系统

  ATmega328-AU是一种基于核心处理器AVR单片机的集成电路元件,精简指令8位的高速单片机,拥有32K个字节的闪存容量,32个8位通用工作寄存器,带电可擦可写只读(EEPROM)容量1K字节,掉电后数据不丢失,但目前还无法实现太大的内存容量,时钟频率20MHZ,取指令周期短,执行指令的速度高;它拥有六种睡眠模式,分别为:空闲模式、待机模式、待机扩展、关闭、电源保存、ADC降噪等,所以单片机的抗干扰能力强;拥有串行外设接口(SPI),SPI是工作于主机、从机模式有四种组合多机通信的串行接口,还拥有USART可编程串行接口和I2C接口。

  图4ATmega328最小系统

  1.无源振荡电路

  (1)Atmega328采用内部时钟方式,用晶振和单片机内部振荡器合作产生信号。16M晶振连接至XTAL1和XTAL2引脚上使其产生每秒16M的工作速度,为防止电路中有谐波产生,影响振荡器的稳定性,根据厂家建议,在晶振两端介入两个瓷片电容以供稳定。在选用16MHZ石英精准谐振器时,根据它的关键指标,如等效电阻,选用了大小为12pf的负载电容,而且C1,C2取值越低就越好。

  (2)我们先将两个22pf的电容串联后得到大约11pf左右的负载电容,再与16MHZ的晶振并联形成一个谐振晶振高负载电容晶振,能最大限度的保证频率值的误差。

  使用公式如下:;电路仿真图如下:

  图5振荡电路

  (3)在晶振两端并联一个1M外接电阻,使其将输出的信号再负反馈到输入,形成放大器。

  2.复位电路

  上电复位和按键复位是复位电路的两大组成部分

  (1)上电复位:atmega328单片采用低电平复位,将复位引脚RESET串联一个电容后再接到GND上,再连接一个电阻到VCC。在主芯片上电的时候,电容C两端的电压U初始状态为0V,并不能瞬间产生突变,但是它的值会随着电容C的充电不断上升,如图6所示:

  图6VCC上升曲线

  为了保证单片机在上电时RESET脚上有足够时间的低电平进行复位,我们选取合适的电容和电阻形成一个RC充放电回路。复位后,U升至电源电压,随后回归到高电平进入正常工作状态,电阻和电容的数值可以通过公式计算得出:

  ?流经电容的电流I和电容两端的电压变化关系式:,

  ?将dt移到等式左边,再对式子两边同时积分,得出:,

  ?将IT带入得出,;

  (2)按键复位:在复位电路上并联一个按键开关,当开关按下时电容被充电、RESET也被拉到低电平,而且由于电容的充电,会保持一段时间的低电平来使单片机复位。

  电路仿真图如下:

  图7复位电路

  2.2.3RJ25接口电路

  RJ25(registeredjack)接口:主板具有四个颜色号码区分都很明显的外部接口,四个连接口不仅可以外部连接温湿度传感器、超声波传感器等各种传感器模块,还可以在需要主控功能更强大的情况下再进行连接另一个mCore主控以达到较强的控制功能。ICSP1是将编写好的mBlock程序导入进主控成为Arduino模式,小车就可以脱离电脑连接线独立工作。P6、P7可以扩展为其余的接口,例如:串行外设接口(SPI)、可编程串行接口(USART)、数字和模块接口等。

  图8接口电路

  2.2.4电源电路

  mCore主控板有三种不同的供电方式可供选择,有最常见的USB模式,外部电源通过VBUS接口将电压传送给内部主板供电,也可以起到数据传输的作用。另一种供电方式就是电池供电,电池由P1接入并导电;还有一种供电方式是由适配器电源提供。

  图9电源电路

  2.2.5串口电路

  外部电源+5V电压由VBUS接入到电源电路中,接下来USB-B的D_N接口和D_P接口与CH340G芯片上的D_N与D_P连接,将atmega328主芯片上的两个串口D0/RXD和D1/TXD转换成USB接口,再将这两个接口与蓝牙模块连接,这个过程要通过P5作为中介。这样的话,就可以实现两种方式的数据通信模式:mCore主控芯片和蓝牙、蓝牙和USB模块。蓝牙模块和P4通信接口公用复位电路与atmega328连接,实现主芯片控制其传输的功能。

  图10串口电路

  CH340G是一种处在USB接口与外设中间的转接芯片,起到数据传输的作用。CH340芯片可实现多种通讯功能,例如:它具有调制解调功能,可实现计算机上面的异步串口通讯,CH340芯片加上一个红外接收发射器便可实现串行红外协议(SIR)红外线通讯,形成一个USB红外线适配器。还可以实现上述所提到的异步串口UART接口还有IrDA接口或者USB转打印机接口。它支持外部5V或3.3V的电源电压,兼容USB2.0系列,传输速度高,所需的外部元件简单,不需要复杂的电路设计即可进行数据的传输和通信。

  图11CH340转串口

  2.2.6传感器电路

  1)蜂鸣器

  mCore主控板采用的是无源蜂鸣器,利用三极管放大电流,形成放大电路驱动蜂鸣器发生,由于蜂鸣器电流滞后电压,所以并联一个放电二极管形成续流二极管用于给电路断开时可以看作是给反向电压开了放电通路。无源蜂鸣器使用外部驱动式发声,连接上电源后,通过不同频率的方波信号,通过振动装置和谐振装置输出声音信号。

  

  图12传感器电路

  2)红外电路

  红外接收发射电路接入主芯片的D3脚,可实现与外部红外遥控器进行通讯的功能,可通过编程使遥控器独立控制小车的功能和转向。电路中接入一个三极管起放大电流作用使红外信号发射的时候足够对方接收到,在电源端接入一个电阻,实现接收信号时可以接收到高电位的信号。

  3)光敏传感器

  光敏传感器有两大部分组成,分别是光敏电阻和若干电容电阻,它可以进行光电转换,将光信号转换为电信号。光敏电阻运用光电效应,将电阻器做成一种可以随着光照强度而改变阻值的电阻器,这种电阻器可以在光射强的时候电阻值减小,光照强度弱的时候电阻值增大,随后电阻两端采集的电压被转换成数字信号保存下来。

  2.3传感器原理及应用

  2.3.1传感器的组成

  传感器深受广大工程人员的喜爱,在机电或机械电子产品方便得到广泛应用,传感器主要起到的作用就是检测外界环境、周围事物及其状态的改变,例如位移、距离、速度等等,这一功能就相当于人类的感觉器官,察觉到身边的状态后,经过一系列信号的转换操作变成电信号,例如放大调制解调等电路功能操作,再将电信号反馈到主控制器,相当于人类的大脑,主控根据信号判断出下一步要做什么,从而发出指令让机器运作。所以传感器的应用在很多方面是一个必不可少的环节,若没有它去感知事物的变化和状态,那主控并不知道下一步要做哪些事情。

  图13传感器的组成框图

  图中,敏感元件是指传感器可以直接感测到物体的变化状态,转换元件则是需要将敏感元件感测到的状态量转换成电信号,方便传输和测量。

  2.3.2超声波传感器

  1)超声波传感器能够测量平时不容易测得的距离,主要通过发送与接收超声波来进行测量。它还可以用来实现避障功能,也就是说超声波传感器感应到前方有障碍物,将超声波信号转换为电信号传输给主控,主控发出指令使其停止,就可以实现躲避障碍物的功能。超声波指的是人类无法感知到大于20000赫兹的声音波,在水中或者空气中都可以很好的传播,就像蝙蝠一样可以判断出自己在黑暗里何去何从。超声波应用广泛,像我们身边熟知的医院多谱勒成像、计算机超声断层成像、超声波检测、测速、碎石等等。超声波在不同介质中传播的波形不同,就像在空气和水中传播的话就会产生超声纵波,也就是说波形只产生了拉伸状态的变化,不会引起切割的状态,如果在一些固体物件中传输的话,两种状态均会发生。因为超声波传播速度与介质密度有关,所以在空气中传播时符合传播速度:

  式中,表示的是空气的密度,指的是绝对压缩系数。

  图14Me-Ultrasonic超声波模块

  2)超声波物体检测

  超声波传感器一般分为直射型、发射接收分离型和反射型三种方式来测量物体距离:

  图15直射型

  A.直射型:在被测物体的一端放上超声波发射器,另一端放置一个超声波接收器,首先发射端会发射出超声波,当波形穿过被测物体时会因被测物体产生波束衰减或者截止,这样的话接收端就可以根据信号的传输判断距离的长短。直射型和反射型不同,超声波不会受到介质的各种影响造成波形的改变。

  B.发射接收分离型:此次试验mbot小车就采取这种模式的超声波传感器测距方式。这种模式是将超声波发射端和接收端共同放在同一侧,发射端向前方发出超声波,波形遇到前方障碍物衰减或者反射回超声波接收器中,超声波传感器将波信号转换成电信号传回主控,主控判断来回往返时间从而得出前方是否有障碍物或者障碍物距离小车的距离,这样就可以根据距离控制小车是停止、转向或前进。

  图16发射接收分离型

  C.反射型:反射型传感器原理与发射接收分离型类似,只是超声波发射接收端都位与同一个传感器上,发射超声波遇到物体反射再接收超声波,大多数用于长距离测量物体距离。

  图17反射型

  此次选用三个传感器分别连接到小车下主控的左、右、前三个方向,让小车在距离20-100mm之间的距离里感受演示人员并转向移动,实现自动跟随功能。

  2.3.3颜色识别传感器

  颜色识别传感器属于光电传感器的一种,因为物体的主要成色原理是物体对光吸收程度的大小来判断该物体的颜色。颜色识别传感器运用这一原理发射不同的颜色到被测物,对方若无法吸收某一颜色这说明这种颜色很大程度接近被测物的颜色,则传感器收到反馈信息返回给主控。me?color?sensor可识别六种颜色,分别是白蓝红黄绿黑等。在连接主控板的时候使用rj25数据线连接,因为颜色识别传感器上带有蓝白标志,那选择rj25接口的时候也要选择带有蓝白颜色的接口。通讯模式为I2C。传感器可以用mBlock编程,也可以使用Arduino?IDE编程。

  图18MeColorSensor颜色识别传感器

  2.3.4温湿度传感器

  温湿度传感器是一种测量元件,它内部集成了湿敏和热敏元件。传感器感受到周围温湿度的数值信号,再将信号进行一系列处理传到主控板接口输出数值。传感器不仅精准测量环境温湿度数值,还具备了数字模块采集技术,将数字信号精准传输。MeFlameSensor色标为黄色,用RJ25数据线与主控板上带有黄色的RJ25接口连接。黄色色标说明此模块采用单数字接口模式。

  图19MeFlameSensor温湿度传感器

  2.4音频播放器

  音频播放器由I2C信号控制,可以使用外部TF内存卡或者编程录入音频,支持多种格式如mp3、wma等。若要播放音频信号,那么命名文件格式不能使用中文字符,可以用英文或者英文加数字的形式命名,否则文件读取无效。播放器不仅支持Makeblock硬件系列连接,还可以与乐高系列搭配使用播放音频信号。图20音频播放器

  第三章程序编程

  3.1mBlock介绍

  1)Scratch是MIT媒体实验室研发的一个拖拽式编程语言,采用视觉上吸引用户的方式去教授计算机概念,允许中小学生用自己的想法简易创造动画和游戏。Scratch是一个视觉上引人注目的平台,通过创建简单的游戏来教授计算机科学概念。在10年左右,“创客”一词进入中国人的视野,我们看到外国有些国家进行创客教育取得不错的成效,在针对国人不同的教育理念上,考虑本身出发点要在科技、文化、教育等等方面,有了一套基于Scratch的mBlock图形化编程语言,Scratch有的功能mBlock也有,mBlock可以和配套的mBot系列搭配使用,使机器人不用连接线脱离电脑独立运行,更好的理解程序编程语言。mBlock现在更新到5.0版本,在画面色彩和界面方面,都较3.0版本更新颖更美观,也更好的激起小朋友的兴趣和爱好。

  2)Scratch和mBlock对比

  图21Scratch2.0版本

  图22mBlock5.0版本

  3)mBlock指令模块

  打开mBlock,软件初始加载九种基本模块,如果外连接mbot机器人,需要二次加载不同的机器人模块,例如颜色传感器、音频播放器等。

  图23mBlock指令方块

  3.2自动跟随功能

  首先将左右两侧电机转速设置为0,此时小车处于静止状态。按下遥控器上的A键,这时候演示人员就可以将手放在传感器前方任意位置,则三个超声波传感器位于左、右、前的传感器开始向各自正前方方向发射、接收超声波,传感器将波信号转换为电信号传回主控,主控判断此时三个传感器的距离:

  A.如果三个传感器距离前方障碍物的距离大于100,那电机1、2的转速为0,小车还是停止不动,因为距离过远,如果距离小于10,同理,距离太近无法移动小车。若想让小车跟随则需要距离在10-100之内.

  B.再对比传感器2和传感器3距离被测物的距离,如果2的距离大于3,说明被测物位于左边的位置,演示人员想让小车往左边转向移动,此时电机转速为100小车移动,与此同时MeTFT显示屏上显示向左的箭头意思为小车此时是左转状态。同理,可以让小车向右转和向前进。

  图24自动跟随功能

  图25自动跟随功能流程图

  表1自动跟随指令模块

  模块 模块指令

   mBot小车启动。

   可选择电机1或2,也就是位于小车两侧左边和右边的电机转速值,转速值范围由-255~255。

   红外线遥控器按A键。

   设置不同超声波传感器测量的距离与10和100对比,如果距离在10-100内电机才会驱动移动,否则小车停止。

   MeTFT显示屏显示此时小车移动状态,左转、右转或前进。

   主控驱动右侧电机转动,转速为100。

   等待1秒或0.5秒后继续重复执行上述程序。

   条件循环语句。

  3.2颜色、音频播放、温湿度感知等功能

  程序最初将显示屏清屏不显示内容,将音频播放器通过I2C信号控制音频输出,外部用连接线连接播放器和mCore主控板上带有白颜色的RJ25连接口。将音量设置为周围人能接受的数值,大概为100,也可自定义。定义两个变量为color和bofang,一个是设定颜色的不同,另一个设定播放内容不同。

  下面执行主程序,演示人员将任意颜色卡片放在颜色识别传感器前方,根据颜色识别传感器的原理我们得知,被测物体什么颜色信号就会反馈到主板得出什么颜色,如果演示人员放了一张红色卡片,将color数值设置为1,以此类推,若是黑色则为0。下一步执行音频模块和显示屏显示功能,主控板读取红色色卡,提取提前录制好的音频信号,向大家播放关于风的气象知识,同时显示器会显示风的图片。以此类推得出不同颜色对应不同的气象知识点。

  图26颜色识别、音频播放、温湿度感测等功能

  

  表2颜色识别、音频播放、温湿度感测等功能指令模块

  模块 模块指令

   MeTFT显示屏背景色为白色。

   音频播放器与mCore主控板通过RJ25连接,且被I2C信号控制。

   音频播放器音量设置可自己编辑任意数值。

   变量可自定义为color或bofang,其控制变量的状态。

   颜色识别传感器识别被测物体的颜色反馈到主控。有多个不同的颜色供选择。

   数字逻辑模块。判断此时被测物的颜色是否为设定的颜色。

   MeTFT屏显示此时被测物的色彩状态和温湿度传感器测量的值。

   音频播放器播放设定好的音频数据。

  第四章实验演示成果及未来展望

  4.1小车硬件组装图

  图28小车左侧、右侧成果图

  4.2连接方式

  1)串口连接

  打开小车电源开关,打开mBlock程序,将数据线两端连接到小车和电脑,在菜单栏选择“连接”,选择“串口”,找到合适的串口数连接到小车

  图29连接方式

  2)蓝牙连接

  若采用蓝牙连接则计算机需要配有蓝牙适配器,小车电源打开后点击计算机右下角的蓝牙标识搜索小车进行配对。因为mCore主控板集成了蓝牙模块和4G模块,所以可直接连接使用。

  4.3演示成果

  先测试自动跟随功能,打开小车电源开关按下遥控器A键,将手放在任意传感器前,小车可以跟随手放置位置不同进行移动;再测试语音播报模块,将红色的卡片放在颜色识别传感器前,小车会播放关于风的气象知识,TFT彩屏会显示风的图片,放蓝色卡片播放大气辐射的气象知识,彩屏显示大气辐射的图片。

  4.4实验未来展望

  我们不像传统的手把手教学方式教授小朋友做机器人,而是先给孩子们一个正确的学习方向,然后让他们自己去探索。试验过程中我们发现,小朋友经过稍微指点之后,就能很好的明白下一步该如何运作,积木式的编程让人感觉像幼时玩的乐高积木玩具、搭建小房子游戏似的,不同的指令模块颜色各异,也能激发起小朋友的热情和兴趣。在做智能机器人的过程中,小朋友对编程语言有了基本的概念和认识,能简要说出控制语句、表达式语句、判断条件语句的基本含义,能了解小车固件及各种传感器的工作原理,同时对相关的气象知识也作了进一步探讨。这些经验教训使我们受益匪浅。创客教育对中小学甚至大学生都有着重要的影响,日后如果将这种学习方式运用广泛,我相信在提高创新创作能力方面会有显著效果。