賽靈思 Spartan FPGA 為強大的教學工具奠定基礎。這種教學工具能夠根據學生的需要自我改造。

可能沒有比機器人更能吸引初中生及高中生對科學技術感興趣的教學設備了。對初中生和高中生來說，擺弄機器人是一種掌握新概念，親眼見識技術使用情況的實踐方式。構建機器人能夠激發學生們克服智力難題，取得優異的科學、技術成績。

為此，我藉此文介紹一種可供教師用于技校的機器人教學活動的教學平臺。該平臺理念是我任教的高中（意大利米蘭附近的ITCS Erasmo da Rotterdam）提出來的。當時只是為了入圍 RoboCup青少年機器人世界杯(RoboCup Junior)。我們隊參加的是“救援機器人”組別的比賽，即讓機器在重現的災害場景中發現受害者。這些機器人必須完成復雜程度不同的多重任務，比如在平坦路面上沿直線行走，判斷通過崎嶇地形上各障礙物的路徑，以及拯救部分指定的受害者等。

與其它采用不同類型的微型計算機的普通傳播平臺相比，我們采用 FPGA 的設計具有開放、靈活、可不斷發展演進，以及可重復使用等基本特性。

我們使用 Digilent Nexys2 教學開發板，在賽靈思 Spartan?-3E 器件的基礎上制作了該機器人的 2011 版。在撰寫本文時，我們正在把這個版本移植到 Spartan-6 FPGA 上，以便參加將在 2012 年 4 月舉行的下一屆意大利青少年機器人世界杯比賽。按計劃，下一版本（2013 版）將運行于Zynq ? -7000 可擴展處理平臺器件上。

用這種方法，我們設計出的一種救援機器人能夠年復一年不斷發展演進， 從第一種原型發展到了現有的Nessie 2011 版本（Nessie 由 Nexys和尼斯湖水怪（Loch Ness Monster）而得名，尼斯湖水怪的長脖子與我們的機器人相似）。FPGA 具有高度的靈活性，可以在不改變其基本物理結構以及保持相同的設計基礎架構同時，讓機器人的架構隨學生知識的增長而重構。

挑戰
ITCS Erasmo da Rotterdam 是一所位于意大利北部米蘭近郊的技校，學生參差不齊，難以教導他們深入學習科技知識。

從四年前開始，我決定創辦一個開放空間，后來我取名為“機器人教學永久實驗室”，在那里學生們可以采用與標準課堂授課完全不同的方法開展實驗。在此，他們可以在互動環境中接觸技術學科，探討一些異乎尋常的主題內容，選修一些自己感興趣的課程，安排好自己工作并從實踐中直接得到反饋。換句話說，他們根據由來已久且為人熟知的“情景認知”模型[1] 在“積極學習空間”中開展實驗。在這里，同學們不僅可以相互協作或同輔導員合作，同時還可在達成共識的基礎上追求共同的目標。

在這個學習空間中，學生扮演掌握多種解決方案的“認知學徒”。而教師則充當“專家”角色，負責提出實際任務和策略的具體流程，讓學生們獨立嘗試，需要時才予以輔導。

為不同學科的匯聚和知識的交流提供肥沃的溫床，機器人是自然之選。我們認為參加青少年機器人世界杯比賽的樂趣強烈地刺激了學生對科技實驗的積極參與。

解決方案
我認識到，要讓這種方法有效，我必須提議數字電子學和信息學等普通課程涵蓋的課題，但主要針對哪些比學生們能夠獨立解決的應用更復雜的應用。這樣他們就需要分工合作，或者需要得到能夠提出正確模型的資深教師的協助。

我知道需要制作什么，但我不知道怎么制作。一切都必須在實驗室中提出和開發出來，由學生共同探討設計，尋找解決方案。

在經過一番深思熟慮之后，我得出一個結論：最可行的就是采用一種基于某種靈活的平臺（如 FPGA），而不是標準微型計算機上的解決方案。這是因為 FPGA 是唯一能夠滿足特性要求且能夠跟上實驗活動的動態和演變范圍的器件。

我最初選擇的是基于 Spartan-3E的教學板卡，因為它能夠提供我們一直尋求的必要特性，即開放性、靈活性、演進能力、硬件的重復利用性以及性能的豐富性。

? 開放性。由于學生必須積極參與整個設計流程， 從傳感器接口到CPU，再從 CPU 到激勵器。
? 靈活性。因為系統的整個架構以及器件的性質和類型不應事先確定，必須從創造性學習環境所激發的研究過程中產生。
? 演進能力。因為在每次青少年機器人世界杯結束后，學生都必須認識到他們作品的缺陷，了解如何進行適當修改，試圖找出更先進的解決方案。該系統必須與學生的專業知識保持同步發展。
? 可重用性。以避免硬件和學校經費不必要的浪費。
? 低成本、高性能。我們必須控制沒有得到完全定義但需要高度并行運行的大量器件和外設。該 CPU 的功能應非常強大，但架構相對簡單，易于接口。