美國機器人教育的特點及其啟示

【摘要】機器人教育在我國還處于起步階段，尚未有系統的理論指導，也缺乏可借鑒的成功經驗。本文分別對美國基礎教育與高等教育中的機器人教育現狀進行分析：在基礎教育領域，從實施類型出發，介紹和分析了若干典型案例及其特色；在高等教育領域，從機器人課程與機器人學習平臺兩方面，分別選取了較具代表性的麻省理工學院的開放課程以及俄勒岡州立大學的機器人學習平臺TekBots作為案例。最后探討了美國機器人教育的特點以及值得我國借鑒的經驗。

【關鍵詞】機器人教育；課程設置；機器人技術；技術教育

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097 (2007) 11—0108—05

一 引言

近年來，機器人技術的應用正逐步由現有的生產領域向更為廣泛的人類生活領域拓展。高度智能化的機器人技術開始應用在教育、環境、社會服務、醫療等領域，小型化、輕量化且更加接近實用的人工智能機器人不斷地被開發研制出來。機器人技術的進步將會對科學與技術的發展產生重要影響，只有開展機器人教育，才能使我們不在機器人時代落伍。機器人的教育價值使它既可以作為家庭的益智玩具，也可以作為學校課外活動的載體，還可以作為基礎教育課程的載體[1]。同時，機器人作為一個平臺能使學生全面綜合地了解現代工業設計、機械、電子、傳感器、計算機軟件、硬件、人機交互、人工智能等諸多領域的先進技術，并親身接觸和體驗現代高新技術，在學生獲得科技知識和實踐能力的同時激發他們的創新意識和創造發明的潛能。

二 美國中小學的機器人教育

1 美國中小學的課程設置

美國中小學沒有統一設置的國家課程，聯邦政府和教育部只對全國的教育課程標準提出建議。美國的教材和課程標準的制定檢查權力和其他主要的教育行政權力一樣主要由州政府教育部掌管。各州教育部都制定自己的課程標準，這些課程標準是學區和學校課程制定的主要依據，也是州教育部和各級教育部門對學校課程實施情況檢查的主要標準。無論是國家建議還是州級標準，最終教材使用和選擇的權力都在地方的學區。各學區都可以根據本州的課程標準選擇不同版本的教材，教材的最終決策同其他一切事務的決策一樣由學區董事會集體決定。學校根據學區的課程安排情況及教材的選擇情況進行課程安排，執行學區的課程決策。學校在如何實施課堂教學，如何豐富學校課程體系上還擁有很大的自主性[2]。此外，在全國范圍內有很多非盈利組織提出各種課程改革計劃及對課程發展提出科學性的指導意見。

為了使學生的天賦得到充分發揮，美國非常注重英才教育[3]，美國政府于1993年發布的報告《全國性的杰出成就：培養美國人才的一個實例》中明確提出[4]：學校必須推廣有效的教育計劃并把更高深的材料融合到常規課程中去； 學校必須為所有學生提供機會，到現實生活中去學習、解決問題，分析材料和情境；學校必須在多種場合-----常規教室、特別課堂、社區、大學或博物館、電腦前或者任何出現需要的場合為具有杰出才能的學生服務；學校必須建立很靈活的體制，讓所有學生，包括最有能力的學生，根據他們的興趣和需要分班、再分班。所以，美國中小學會為學有余力或在某方面有特長的學生開設選修課程。并且，美國各州的綜合高中開設的課程中除了基本的核心課程外，還有豐富多樣的選修課程和廣泛綜合的教育計劃(programs)與項目(projects)。

正是由于較為自由的課程設置，為機器人教育的開展提供了便利，豐富了機器人教育的形式。

2 美國中小學機器人教育的實施類型

美國基礎教育領域中的機器人教育主要有四種形式：一是機器人技術課程，一般開設在技術類課程中，其中教育計劃與項目占大多數；二是課外活動，類似我國的綜合實踐活動課程；三是機器人主題夏令營等定期活動；第四種形式與前幾者不同，它主要利用機器人技術作為輔助性工具來輔助其他課程的教學或者作為一種研究工具來培養學生能力，與此同時學習機器人技術知識，也可以歸為特殊的機器人教育形式。

（1）機器人技術課程

美國中小學課程的設置比較自由，除了一些核心課程外，還有內容豐富的選修課程以及一些教育計劃或項目。把機器人教育列入課程，讓學生系統地、有步驟地學習機器人技術，是開展機器人教育的最佳形式。這里分別通過幾個實例介紹機器人技術課程的兩個主要特色：

1）靈活的課程開設

①作為技術教育課程體系的一部分

美國中小學的機器人課程大部分歸屬于技術教育課程體系。例如：南卡羅萊納州在技術教育中，要求學生了解自動化技術與機器人技術；美國加利福尼亞州高中工程與技術聯盟在為高中生開設的工程與技術選修課程中，提供了ROBOTICS課程，主要介紹機器人技術歷史，基礎，術語，微控制，傳感器，程序控制等方面的知識；美國猶他州K-12 核心課程分成兩部分：常規課程以及職業技術教育，其中的職業技術教育中技術及工程課程標準（6-8年級）要求對機器人技術有所了解[5]。

②作為研究項目的組成部分

美國部分學校的機器人技術課程從屬于某個項目。例如：佛吉尼亞州在4-H 科學技術課程中開設了ROBOTICS[6]。4-H是頭腦，心，健康，手的縮寫，這個項目是幫助年輕人通過“做中學”來發展；美國國家航空航天局的機器人教育聯合項目[7]中的Educational Robotics Matrix項目[8]提供了一個與機器人技術有關的適合各個年齡組的課程計劃列表；美國國家自然基金支持的項目“K-12教育中的機器人技術”[9]，目的是幫助K-12教師以及其他教育者開發或改進以機器人作為一種工具來教授STEM的課程和開發機器人技術課程。

2）不同的課程目標

盡管同樣是機器人技術課程，各個學校制定的課程目標卻不同。例如：美國佛羅里達州Boca Raton Christian學校在該校的高中課程中開設ROBOTICS [10]，課程目標是提供學生各種微型計算機硬件及使用的理解途徑，有關微型計算機結構、人機接口和診斷、修復和維護的指導和機器人技術的基本概念；而美國紐約Chapin學校的[11] K-12課程中在2年級的計算機科學中開設ROBOTICS 、5年級的科學課程中開設了ROBOTICS，主要目的是通過動手操作，提供途徑來應用在課堂中學習的科學規則，物理知識和計算機編程。

（2）機器人課外活動

以課外活動形式的機器人教育主要特點是與各種機器人競賽結合。例如：賓夕法尼亞州的K12ROBOT課外活動計劃[12]；印地安那州的Purdue大學與LAFAYETTE學校合作，在5至8年級學生課外活動中開展的ROBOTICS項目[13]。

（3）機器人主題夏令營

美國中小學的機器人主題夏令營活動，采用的方式是高校和中小學建立共同體，高校負責設計各類機器人活動，并組織在中小學實施。例如，Carnegie Mellon大學提供的ROBOCAMP暑期機器人計劃，通過八星期的課程，使學生懂得一些基本的與機器人有關的電子，機械和計算機科學知識。該課程主要針對高中生，但是需要一定的入門技能。由于參與人數有限，報名者通常需經過篩選才能參加。

（4）作為研究和理解工具

對于中小學生而言，機器人技術本身可以不作為學習的主體，而是作為學習其他課程的工具或者是創新能力培養的一種工具。學生使用這些技術工具來強化學習，激發創造力，培養創新能力，同時也可以增強協作能力。例如俄亥俄州技術標準的標準三“生產應用技術”中提出把機器人模型作為一種研究工具，同時在標準七“設計世界”中，利用機器人來理解輸入與輸出操作、電子設備如何與計算機連接等概念。

如上所述，美國基礎教育領域中的機器人教育的實施類型主要是機器人技術課程、夏令營、課外活動等。以上各種形式的機器人教育所使用的機器人平臺大多為實體機器人。雖然機器人教育的較好形式是以課程方式開設，但由于種種原因，以課程形式開設的機器人教育并未針對所有學生、也沒有大范圍的列入常規課程中。較靈活、自由的夏令營與課外活動是常采用的機器人教育的形式。

三 美國高校的機器人教育

美國高校的機器人教育主要呈現出兩個趨勢：一方面，美國高校愈來愈多地開設了機器人相關的課程，另一方面機器人作為課程的學習平臺，已經慢慢應用于高校其他課程中。

1 麻省理工學院的機器人教育 [14]

麻省理工學院（MIT）是美國私立研究性學院，世界著名的科學技術教育和科研中心。該學院在機器人技術領域成果頗豐：在1994年，MIT的工程師發明了一種機器人，它可以向物理治療家學習體操，并幫助患者學習這種運動，它還會記錄一些病人的一些數據及過程；麻省理工媒體實驗室的專家設計的機器人戰地報道系統“阿富汗探險者”，它是可遠程遙控的機器人戰地報道系統，能夠實時地報道戰場圖像、聲音并進行現場采訪；麻省理工學院人工智能實驗室研制的類人機器人“科戈”等等。2001年，麻省理工學院宣布開放課程計劃（OCW）啟動，該計劃的目標是把幾乎所有的課程材料上網，供全世界的人們免費自由下載。因此，我們選取麻省理工學院，通過對其開放課程中的機器人課程調查后，總結機器人教育的概況。麻省理工學院涉及機器人教育的課程有認知機器人學、機器人學導論、自控機器人設計競賽、機器人編程競賽，結合各個專業所需以及當今機器人技術的應用領域，分別開設在航空航天學、機械工程學和電氣工程與計算機科學中。

（1）課程開設

麻省理工學院提供的機器人課程主要有兩類，一類是在整個學期中開設，例如，認知機器人學、機器人學導論；另外一類是在麻省理工學院的獨立活動期間（IAP）開設的，IAP是MIT從一月的第一個星期到月底為期4周的特別學習期，例如，自控機器人設計競賽和機器人編程競賽。在獨立活動期開設的課程沒有定期的課堂安排，學生只需要在規定的時間內完成相關的項目就可以了，并且部分課堂教學的參與也是自愿的。靈活的課程安排，學生有了更多的自主活動時間，并且能根據自己的需要選擇性的參與課堂學習來補充知識。

（2）課程評價

除了常規考試外，MIT機器人課程的學習都要求有實質性的成果，例如，在“自控機器人設計競賽課程”中，要想獲得學分，學生必須建立網頁來展示自己設計的機器人，陳述總體設計與獨到之處，完成作業并最終制作一個實體機器人。在“機器人編程競賽”課程中，要獲得6個選修學分，學生必須提交一個Robocraft選手作為自己的“實質性成果”，隨后根據該成果做出評價。如果要獲得6個工程設計分，團隊提交的選手必須打敗Robocraft軟件發布時自帶的參考選手對戰。在“機器人學導論”課程中，學生除了完成作業，參加期中、期末兩次考試以外，還必須完成相關的實驗與設計項目，在學期的不同時間需要搭建兩個不同功能的機器人：①采礦機器人，目標是建立一套搜尋算法能夠讓機器人自動搜尋、而且在找到礦藏后暫停在礦物上方；②圣誕老人機器人，它能沿著一條彎曲的路徑通過玄關進入機器人實驗室，用它的機械手臂將禮物送到多個房間，以及從每個房間拿取餅干。在“認知機器人學”課程中，學生需要完成兩個項目：①選擇一個與機器人相關的主題做一份報告；②對認知機器人和嵌入智能系統中涉及的一兩個方法深刻認識后在這些方法的基礎上改進并創新應用。

2 俄勒岡州立大學的機器人教育[15]

機器人作為學習平臺，已經慢慢應用于大學的課程中，俄勒岡州立大學電子工程與計算機科學系，分別在電子設計概念導論、電子基礎、數字邏輯設計、信號與系統、計算機原理與匯編語言、機械設計課程中使用TekBots機器人作為學習平臺。把TekBots整合進課程中，可以把課堂上學習的理論應用到機器人中，加深對理論的理解。例如在計算機原理與匯編語言這門課程中，讓學生使用TekBots調試自己的程序，觀察自己寫的程序及運用的概念是如何在實際設備中產生作用的。

利用學習平臺有以下幾個作用：①加強課程連貫性：幫助學生理解各個學科之間的聯系，能讓學生綜合自己所學知識。②提供理解課程的情境：通過學習平臺，使概念變的具體，并提供學生以解決復雜問題的情境。③形成學習共同體：有著共同興趣的學生形成學習共同體。④增加動手經驗：能為學生提供動手操作的空間。⑤模擬工程實踐：平臺提供一個工程實踐的模擬環境。

四 美國學校機器人教育的特點

1 機器人教育形式多樣

在美國，機器人教育形式豐富，機器人教育在中小學中或作為機器人技術課程，或作為課外活動，或作為機器人主題夏令營等定期活動，或作為輔助性工具。在高校中，機器人教育既可以通過課程來進行，也可以作為學習平臺。

2 為學生創設自主發揮空間

大多數機器人課程都是以團隊為活動單位，在教師指導下以學生為中心開展活動。學生有較大的自主發揮空間。例如，MIT的“自控機器人設計競賽”這個課程完全由學生來運作，沒有教員來協助。“機器人編程競賽”也幾乎都是由學生操作，學生組成團隊，編寫機器人程序，參加比賽。學生自主性強，增加了學生的主動參與意識。

3 評價方式多樣

機器人課程的評價要注重學生在活動過程中的自我反思，多樣化的評價方式有助于全面反映學生在課程中所獲得的知識以及知識的靈活運用情況。評價可以根據學生的實驗與設計項目的完成情況，也可根據學生的實質性成果來進行。

4 課程具有明顯的學科交叉性

由于機器人技術自身的綜合性和機器人技術應用領域的廣泛性，導致機器人課程跨學科、交叉性的特點十分明顯。在中小學的機器人教育中，往往結合進一些其他學科的知識，高校的機器人教育更是作了具體規定，學生往往需要預修過若干先修課程。例如，MIT的“機器人學導論”要求預先學習“動力學建模與控制”課程，課程內容涵蓋了平面與空間運動學、動作規劃、機械手臂和移動機器人的結構設計、多剛體動力學、3D繪圖模擬、控制系統設計、傳感技術、無線網絡、人機接口、嵌入式系統等。有些機器人課程雖然沒有明確指定相應的先修課程，但由于課程本身涉及的知識面廣，如果沒有一定的基礎也是較難完成的，例如，MIT的“自控機器人設計競賽”課程涉及設計與制造、電子運算結構、電路與電子學、計算機程序的結構與應用等課程；“機器人編程競賽”課程要求有一定的JAVA編程基礎；“認知機器人”課程則需要預先學習過機率系統分析和人工智能技術、人工智能，或自治和決策原則中的任一門課程。

5 涉及機器人技術的最新成果

這個特點在美國高校的機器人教育中表現的十分明顯。當今機器人技術在各個領域都發揮著它的作用，例如，美國航空航天局（NASA）的火星探測漫步者就是機器人技術在航空航天領域的一個典型應用。MIT航空航天學中的“認知機器人學”課程，正是通過對NASA的火星探路者、護士機器人、博物館導游等實際例子的討論來學習建模與算法，以及研究算法是如何在這些系統中應用。該課程結合當前機器人技術的成果，加深了學生對相關理論和技術的理解。

6 充滿趣味的“做中學”

美國機器人課程幾乎都有實驗課，學生借助各種工具平臺制作、組裝實體機器人或編寫、調試機器人程序，十分強調在做中學。例如，在“機器人編程競賽”課程的學習中，學生組成團隊開發機器人選手程序，在整個開發過程中結合了作戰策略與軟件設計，并用于參加比賽。“自控機器人設計競賽”也是個需要動手的“做中學”課程，參與者設計和制作機器人，在月底參加比賽。該課程需要學生設計出一個機器人，能夠在比賽場地行駛，識別對手。上述兩門課程都是按照圖1所示的模式來進行的，兩者最大的不同在于，一個是使用非實體機器人，即編寫一個機器人選手程序，一個是使用實體機器人，即制作一個實體機器人，從而實現不同知識點的學習。

五 對我國開展機器人教育的幾點啟示

1 機器人教育的歸屬問題

在我國，機器人教育正處于起步階段，由于各個學校的條件限制，機器人教育沒有在大范圍內開展也沒有十分明確的學科歸屬。小學、初中階段并未明確將機器人教育列入課程體系，一部分有條件的學校將其列入綜合實踐活動中，也有學校將其列入校本課程開展教學；高中階段，根據新的普通高中課程標準，機器人教育是作為技術教育的一部分，普通高中技術課程包括信息技術和通用技術。信息技術是由信息技術基礎、算法與程序設計、多媒體技術應用、網絡技術應用、數據管理技術和人工智能初步6個模塊組成。通用技術是由技術設計1、技術設計2、電子控制技術、建筑及其設計、簡易機器人制作、現代農業技術、汽車駕駛與保養、服裝及其設計和家政與生活技術九個模塊組成。機器人教育直接或間接地包含在技術課程各部分之中[16]；在高校，從我國普通高等學校專業設置來看，并沒有獨立開設機器人學專業，機器人教育主要還是在其他專業中開展：在智能科學與技術專業中開展機器人教育；在機械設計制造及其自動化專業中開設機器人教育等等。部分高等院校在公共選修課程中開設機器人課程。

機器人教育到底應該歸到哪類教育中比較合適且利于發展，這些問題都值得探索。美國的機器人教育沒有明確的歸位，它既作為技術教育的內容，普及機器人技術知識，也作為科學教育的工具，用于提高學生的科學素養，并利用夏令營、課外活動等深入開展。

在機器人教育的起步階段，可以不明確定位機器人教育的學科歸屬。在基礎教育領域，各學校根據自己的實際情況開展各種機器人教育，以普及機器人知識為主，以各種機器人活動來推動機器人教育的開展，各個學校可根據地方、學校條件開設校本課程或作為學校的特色項目來開展機器人教育；在高等教育領域，機器人教育的開展應結合社會的需要、各學科的需要、科技發展對人才培養的需要。總之，靈活的課程歸屬有利于機器人教育的進一步開展。

2 機器人的活動組織形式

美國的機器人活動一般是以項目為單元，并以團隊為活動單位，從而可以提高學生項目管理能力、小組協作能力，提高組員的交流能力。這樣的活動組織形式有利于充分發揮機器人平臺的作用。在機器人教育中，應該考慮學生在活動中的組織形式來達到良好的教育效果。在條件有限的學校，可以通過機器人活動的組織規劃來合理利用有限的機器人教育資源。

3 機器人課程的評價

國外有學者曾提出要降低機器人競賽的“競賽性”，注重學生在競賽過程中的自我反思[17]。評價要注重學生的學習過程，關注學生在學習過程中的體驗。同時，機器人教育的評價方式不一定要采用常規的考試，可以從多角度進行評價，用作品或成果來評價，可以是一份報告，一個實物，也可以是一個方案。

4 機器人作為素質教育的平臺

借鑒美國俄勒岡州立大學的經驗，把機器人作為程序設計、電子技術、機械與力學等課程的學習平臺；更進一步，借助于通用型、插接式的機器人組件，可以將其作為信息技術環境下學生的創新設計平臺。國內在這方面也有一些嘗試，例如應用“慧魚”創意組合在本科教學實驗中，構建大規模工程模型，提高學生的設計與創造能力[18]。

5 校-企協作推動機器人教育的健康發展

機器人產商是機器人教育的一個隱性推動者，在美國，部分課程的順利實施得益于產商的支持，產商提供機器人產品供學校使用，有些頗具實力的產商甚至提供配套的機器人課程。在我國，機器人產商也在各個地區活躍著，積極和學校聯系，推動著機器人教育的發展，利用好這股力量，可以為機器人教育提供條件。例如，產商提供產品給高校試用及研究，高校對產品進行分析后設計應用形式，隨后與中小學合作開展教學實驗，同時，在分析過程中對產商產品反饋意見，提供生產指導，使得產商產品盡量與教育應用需求吻合，這也是一種比較理想的合作方式。

參考文獻

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[13]美國印地安那州LAFAYETTE學校網站[EB/OL].

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