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本书是生动有趣的中小学机器人学启蒙书。书中以幽默风趣的大众化语言讲述了中小学机器人学的基本概念及应用，反映了中小学机器人活动的主要内容。全书共五章，涉及机器人的发展简史、机器人的组成结构和简单原理、机器人程序设计、机器人任务举例以及围绕机器人展开的STEM相关内容。在本书的最后增加了两个附录，讨论了中小学机器人教学的相关话题并介绍了一个机器人比赛方案。本书特别适合9~12岁的小朋友认识和学习机器人，也可供机器人爱好者参考。

目 录
第1章　奇妙的机器人世界  / 1
1.1?神奇的机器人  / 1
1.1.1?什么是机器人？  / 1
1.1.2?从一个单词“Robot”说起  / 2
1.1.3?机器人安全吗？——机器人安全三原则  / 4
1.2?古代也有机器人  / 5
1.2.1?世界上最早的机器人  / 5
1.2.2?古代中国机器人  / 6
1.2.3?古代外国机器人  / 9
1.3?现代机器人演义  / 12
1.3.1?现代机器人的起源  / 12
1.3.2?现代机器人的发展  / 13
1.3.3?现代机器人的分类  / 15
第2章　机器人的身体——硬件组成及原理  / 25
2.1?钢筋铁骨的机械零件    / 26
2.1.1?搭建身体框架的孔板  / 26
2.1.2?撑起其他部件的六棱柱  / 28
2.1.3?把各部件连起来的连接件  / 28
2.1.4?用处多多的轮子  / 30
2.1.5?不能缺少的螺钉与螺母  / 31
2.2?充满活力的电器部件  / 32
2.2.1?聪明的大脑——CPU板  / 32
2.2.2?机器人的感觉器官——传感器  / 37
2.2.3?机器人的运动器官——电机  / 45
2.2.4?机器人的心脏——电源  / 49
2.2.5?把快乐传递——LED板  / 51
2.3?解剖机器人的大脑——嵌入式系统原理  / 52
2.3.1?机器人大脑的内部世界  / 52
2.3.2?程序和数据住在哪里？——存储程序  / 56
2.3.3?我的脑里只有你——二进制  / 58
第3章　机器人的思维——程序设计  / 65
3.1?话说机器人编程  / 65
3.2?程序的翻译官——GULC  / 67
3.2.1?GULC操作界面  / 68
3.2.2?GULC程序框架  / 74
3.2.3?GULC编程步骤  / 75
3.3?机器人唱歌——蜂鸣器控制和数据概念  / 81
3.3.1?用play演奏乐曲  / 81
3.3.2?delay命令的妙用  / 86
3.3.3?你知道“哆来咪”吗？——数据与数据类型  / 88
3.4?机器人跳舞——马达控制和数据运算  / 94
3.4.1?动动腿——DC马达动起来  / 95
3.4.2?摆摆手——伺服马达听话了  / 98
3.4.3?把数据加工一下——数据运算  / 100
3.5?你知道小星星吗——LED控制和程序结构  / 113
3.5.1?一闪一闪亮晶晶——on/off命令  / 113
3.5.2?玩出新花样——机器人程序结构  / 115
3.6?耳聪目明的机器人——传感器命令和数组  / 127
3.6.1?机器人传感器输入  / 127
3.6.2?特殊的数据类型——数组  / 129
3.7?机器人命令大盘点——命令总结与函数  / 132
3.7.1?机器人命令总结  / 132
3.7.2?函数的概念  / 132
3.8?还有哪些工具——ProboScratch简介  / 133
3.8.1?ProboScratch界面  / 134
3.8.2?ProboScratch编程  / 139
第4章　我们都是小创客——机器人制作举例  / 143
4.1?听话的恐龙机器人  / 143
4.1.1?恐龙机器人简介  / 143
4.1.2?恐龙机器人的硬件搭建  / 144
4.1.3?恐龙机器人的程序设计  / 145
4.2?宠物狗机器人  / 151
4.2.1?宠物狗机器人简介  / 151
4.2.2?宠物狗机器人的硬件搭建  / 151
4.2.3?宠物狗机器人的程序设计  / 153
4.3?火车机器人  / 156
4.3.1?火车机器人简介  / 156
4.3.2?火车机器人的硬件搭建  / 157
4.3.3?火车机器人的程序设计  / 160
4.4?人工机械手臂  / 161
4.4.1?人工机械手臂简介  / 161
4.4.2?人工机械手臂的硬件搭建  / 162
4.4.3?人工机械手臂的程序设计  / 165
第5章　机器人中的STEM  / 167
5.1?生命科学  / 167
5.1.1?什么是仿生机器人  / 167
5.1.2?青蛙机器人与青蛙  / 169
5.1.3?蟑螂机器人与蟑螂  / 170
5.1.4?螳螂机器人与螳螂  / 172
5.1.5?恐龙机器人与恐龙  / 173
5.2?空间科学  / 175
5.3?物质科学  / 178
5.3.1?机器人中的力  / 178
5.3.2?机器人中的简单机械  / 181
5.3.3?机器人中的机械应用举例——投石器机器人  / 185
5.3.4?机器人中的电  / 186
5.3.5?机器人中的电磁感应  / 192
5.3.6?机器人的能量守恒  / 194
5.3.7?机器人眼中的光  / 195
5.4?信息科学  / 199
5.4.1?计算机演义——计算机的起源与发展  / 199
5.4.2?人工智能演义——人工智能的起源与发展  / 205
5.4.3?通信技术演义——通信与移动通信  / 208
5.5?数学相关  / 212
5.5.1 ?哪个六棱柱好？——认识长度  / 212
5.5.2?谁的机器人最快——认识速度  / 214
5.5.3?“鼹鼠游戏”机器人中的不一定——随机与概率  / 218
5.6?工程与技术相关  / 219
5.6.1?机器人制作的最高机密——想象力比知识重要  / 219
5.6.2?近现代科学与技术的革命  / 220
附录A　中小学机器人教学之我见  / 227
A.1?中小学机器人教学的内容  / 227
A.1.1?中小学机器人学科概念  / 228
A.1.2?中小学机器人工程实践  / 230
A.1.3?中小学机器人跨领域概念  / 231
A.2?中小学机器人教学的目标  / 232
A.2.1?知识  / 233
A.2.2?领会  / 234
A.2.3?运用  / 234
A.2.4?分析  / 234
A.2.5?综合  / 235
A.2.6?评价  / 235
A.3?中小学机器人教学中的能力培养  / 236
A.3.1?空间想象能力的培养  / 236
A.3.2?动手能力的培养  / 237
A.3.3?逻辑思维能力培养  / 237
A.3.4?团队协作能力培养  / 238
A.3.5?创新思维能力培养  / 238
A.4?中小学机器人教学的设计  / 239
A.4.1?学习者分析与教学内容建议  / 239
A.4.2?学习理论在中小学机器人教学中的应用  / 241
A.4.3?中小学机器人教学的建议  / 243
附录B　机器人对抗比赛规则  / 245
B.1?任务内容  / 245
B.2?任务规则  / 245
B.2.1?比赛前的准备  / 245
B.2.2?比赛评判  / 246
B.3?场地要求  / 247
参考文献  / 249

前 言
伴随着信息化、智能化时代的发展，国家对人工智能越来越重视，作为人工智能载体之一的机器人也越来越受到大家的广泛关注，中小学机器人教育在国内也开展得如火如荼。
本书以生动幽默的语言介绍了中小学机器人教学的主要内容，全书包括5章和2个附录，涉及机器人发展简史、机器人硬件组成及简单原理、机器人程序设计、机器人制作举例、机器人中的STEM，以及作者对于机器人教学的一些认识和观点，最后给出了一个机器人比赛方案。第1章简述机器人的起源与发展，介绍了机器人的概念，探讨了古今中外不同种类的机器人。第2章涉及机器人的硬件组成及原理，包括机器人的机械结构、电器部件以及主控制器的简单原理。第3章阐述了机器人程序设计，介绍了机器人编译工具GULC的使用和其所对应的机器人控制命令，并简单探讨了C语言的语法结构。第4章举例说明了机器人的制作，包括恐龙机器人、宠物狗机器人、火车机器人和人工机械手臂等具有典型代表性的机器人。第5章讨论机器人中的STEM内容，包括生命科学、空间科学、物质科学、信息科学、数学、工程与技术等相关内容。附录A中提出了一些关于机器人教学的个人观点，包括教学的内容、目标、能力培养、设计原则等。附录B中介绍了一个机器人比赛方案，供教育机构或学校参考，该方案相对公平、透明，能够体现参赛队员的拼搏精神。
本书前5章非常适合9～12岁的小朋友阅读。而对于广大机器人爱好者，除前5章内容外，附录部分也可以作为教学参考。
本书在编写和出版期间，得到了许多领导、专家、朋友、学生和亲人的帮助与支持。
首先，我要向中国科学院谭铁牛院士表达崇高的敬意，因为他使我真正懂得了爱因斯坦的名言——“想象力比知识更重要”，而想象力是一切的源头。在中国人工智能学会第七届理事会上，作为学会副理事长的谭铁牛院士主持讨论了以“学会的历史担当”为主题的重要议题。会议上谭院士妙语连珠，对每位理事的发言都做出即兴点评，我身处其中，深刻感受到他的每段点评都是那么生动幽默又不失大师风范，充满了想象力，我犹如醍醐灌顶，对于爱因斯坦这句名言有了一种顿悟的感觉。
其次，本书的创作源于中科院自动化所智能感知与计算研究中心以及中科院自动化所-中科智能之星“人工智能与机器人教育联合实验室”全体员工的科研感召力与学术水准，本书成稿要感谢专家指导委员会全体专家的宝贵建议，在中科院孙哲南研究员和董晶副研究员的帮助下，我们围绕本书召开了专家论证会，听取各方意见；首师大艾伦教授帮我调整了部分内容，使得文字条理更加清晰；北师大杨开城教授指出了书中的多处不足并对机器人教育教学提出了自己的建议。
感谢北京暴丰科技有限公司的权忠杰总经理和林俐华老师,他们帮助我联系出版社并提供了许多机器人的相关素材；感谢电子工业出版社学术出版分社董亚峰社长和朱雨萌编辑，他们帮我出谋划策，使得本书得以顺利出版；感谢陪伴我从小玩到大的5位兄弟对我的包容和支持，他们是王峰、刘松、毕绍新、陈大为、曹冰。本书编写期间正逢国庆假期，兄弟们都从各自生活的城市赶回家乡团聚，唯独我由于赶写书稿未能回去，大家不但没有怪我，还通过电话给我送来问候和鼓励，甚至连聚会的照片中都给我留出了位置，让我倍受感动。
感谢天津中科智能识别产业技术研究院的实习生丁方仪、刘曦、赵秋云、张月等，她们帮我查找了书中图片的来源并校对了全部文字。还要感谢我教过的所有小可爱们，他们是那么活泼并具有个性，为我提供了丰富的教学案例。
最后，感谢我的奶奶、爸爸、妈妈和所有的家人，特别是我的爱人，她凭借多年的教学经验，对书中多处内容提出修改意见。
这本书也献给我家那个活泼、善良的贝贝，他总是很乐意做我的第一个读者，这是我坚持写作下去的动力。在这里我要对你说：“爸爸永远爱你！”
由于时间仓促，加之作者水平有限，书中疏漏之处再所难免，希望各位专家和广大读者批评指正。另外，本书部分图片素材来源于网络，如标注有误或遗漏，请与作者或出版社联系修改。

张?森
2017年冬
于中国科学院自动化研究所

青少年科普-机器人科普

张森，曾任中国科学技术大学先进技术研究院国家专用集成电路设计中心教务主任。现任中国科学院自动化研究所人工智能与机器人教育联合实验室工程师、副主任，天津中科智能识别产业技术研究院有限公司科普专家，目前主要从事人工智能与机器人教育研究工作，研究方向为生物特征识别技术以及海、陆、空机器人等的教育技术。__eol__

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