中小學機器人教育探討

摘 要: 智能機器人的教育走入中小學校已經成為可能和必然趨勢。教師應使學生學習一點機器人的基礎知識和基本技能，培養他們的創新精神和綜合實踐能力，并激發他們學習科學知識的興趣。

關鍵詞: 中小學 機器人教育 教育機器人

1954年，美國人喬治·德沃爾設計了第一臺電子程序可編程的工業機器人，并于1961年獲得了該項機器人專利。自1962年美國萬能自動化(Unimation)公司研制出世界第一臺工業機器人(GM)以來[1](p2)，日本等國也很快地相繼研制出了自己的機器人。隨著工業的快速發展，機器人的優點逐漸顯現出來，各國都看到了機器人技術對工業發展的深遠影響，把機器人的研制列入重點發展項目，使機器人技術得以快速發展。現今最尖端的機器人是具有人類外觀特征，并可以模擬人類行走的類人型機器人。機器人技術廣泛涉及人工智能、計算機視覺、自動控制、精密儀器、傳感和信息技術等一系列學科的創新研究和綜合集成，是一門綜合性很強的學科，它代表著一個國家的高科技發展水平。建國以來，我國的機器人從無到有，特別是改革開放以來，機器人的發展突飛猛進，機器人技術已經深入到各個領域，在不同的崗位上完成人類難以完成的工作。

一、機器人教育是綜合性的新興學科

機器人技術是一門跨專業、高度綜合的新興學科。它綜合了應用數學、力學、機械、電子、計算機、自動控制、傳感技術、通信和人工智能等學科的最新成就，是光機電一體化的典型應用。開展機器人技術實踐性課程的教學，可以培養學生的綜合應用能力，提高學生的科學素質，一切靠學生自主地去探索、想象、構思和設計，充分發揮學生的創造力，使學生置身于充滿趣味性、創造性、挑戰性的活動中;可以給學生提供一個平臺和環境，讓學生自己去想象、去創造，培養學生的動手能力、創造力和想象力，并能夠鼓勵學生去不斷地探索，掌握最先進的技術，開拓未來。

教育機器人是由生產商專門開發的以激發學生的學習興趣、培養學生的綜合能力為目的的機器人成品、套裝或散件。它除了機器人機體本身之外，還有相應的控制軟件和教學課本等。

從外形來說，教育機器人可以分為兩類:一類是有基本形狀的機器人，學生可以在此基礎上增加模塊，進行改裝。另一類是沒有固定形狀，只有一堆零部件的積木式機器人，學生可以根據自己的想象來自主搭建各種形狀的機器人。兩類機器人的基本結構主要包括主板、各種傳感器、運動裝置及發聲器等功能模塊。

在中小學引入教育機器人，并不是要將機器人當成玩具讓學生玩，而是根據基礎教育的教育目標和學生的認知特點，選取適當的教學內容，使學生學習一點機器人的基礎知識和基本技能，培養他們的創新精神和綜合實踐能力。信息技術包括信息獲取、信息存儲、信息加工、信息傳遞和信息輸出。多年來，我國的信息技術教育都以計算機作為唯一載體，教學內容以講授微軟的各種常用軟件為主，較少體現出信息技術所涵蓋的感測、控制、通信等方面的內容。機器人技術除了涉及傳感器、計算機軟件、硬件、人機交互、人工智能等多門學科以外，還涉及電子元器件及電路各個方面。教育機器人能夠極大地豐富信息技術教育的教學內容。

通過教育機器人，教師可以向學生介紹機器人的發展和應用狀況，使學生理解科能機器人的概念和工作原理。各種外露的傳感器能夠強烈地激發學生的好奇心，教師可以借此講授各種傳感器的原理和作用。這些都可以為學生進一步學習相關知識打下基礎。另外，程序設計也正是中小學校信息技術學科教育的重要內容之一。外形可愛的機器人、友好的人機交互界面、豐富多彩的虛擬環境，能使以往枯燥的程序設計變得妙趣橫生。

二、機器人教育與傳統課程相整合

將教育機器人用于傳統課程的教學中，可以開發學生的早期智力，激發學生的學習興趣。在各門傳統學科中引入教育機器人，可以給傳統課程注入新鮮血液，增加其新活力。

平面幾何圖形是中小學數學的重要部分。教師用Logo語言編寫程序，可以讓機器人走出各種軌跡，并可以在仿真環境中畫出相應的圖形，從而直觀形象地讓學生理解各種圖形。比如在給小學生講正三角形時，教師與其讓學生硬背三角形的概念，不如指導學生用Logo語言讓機器人畫個三角形。教師講解后，學生會明白正三角形有三條邊，其外角為120°，內角為60°。教師也可以采用任務驅動法，讓學生自己觀察，找出規律。

物理是一門試驗學科，教師可以利用教育機器人來做物理試驗。比如，可以利用機器人代替傳統的小車來驗證勻速直線運動的速度、位移和時間的關系;可以將機器人改裝，讓機器人以一定速度原地旋轉，從而學習勻速圓周運動的相關知識;還可以用機器人來講授基本的電學知識，等等。

教育機器人是能歌善舞的小演員，是音樂老師的好幫手。在傳統教學中，簡譜學習是令人乏味的教學難點，教師可以通過編程將樂曲的簡譜輸入到機器人中，讓機器人演奏音樂。這樣學生在訓練機器人唱歌的過程中，自然地就學會了樂譜知識。還可以讓機器人根據音樂的節拍，翩翩起舞(做各種動作)，從而培養學生的節奏感。

三、與課外活動相結合

教育機器人還可以作為學生課外活動的好朋友。教師可以組織有興趣的學生組成機器人小組，利用課余時間開展各種機器人活動，參加各類機器人比賽，使他們在娛樂的過程中學到先進的機器人知識，提高綜合能力，培養團隊精神。

四、對教育機器人的幾點要求

1.具備較高的教學適用性

顧名思義，教育機器人的主要目的就是為教學服務。機器人教學與其他學科教學的最大不同之處在于不是以講授為主，而是一種師生平等的合作伙伴關系，教師起著指導者、組織者、幫助者、合作者的作用，是平等中的首席，是師生學習共同體的一分子。在完成基本的知識把握之后，關鍵是學生以小組合作為形式，進行創新設計、編制程序、組裝部件、演習實驗、研究反思等，這樣，各個小組可以確定各自不同類別的機器人進行研究，課題截然不同。在這種情況下，如何保證教學組織呢?教師可采用任務驅動式的項目教學，即讓學生根據興趣、研究問題組成項目小組，每個項目小組內部又根據研究具體任務進行責任分工，教師根據學生需要幫助項目小組選擇明確的研究課題，并宏觀指導，具體設計研究則由各項目小組合作來完成，最后負責鑒定各小組的研究報告、機器人操作演習。完成某個項目后，原項目小組即告解散，再重新確定下一個研究課題，重組結構。這種教學方式任務明確，資源共享，靈活自主，操作性強，可收到很好的教學效果。因此，教育機器人首先應該具備良好的教學適用性，應當“易教益學”，零部件要盡量堅實耐用。

2.具備一定的可擴展性

為了培養學生的動手能力和創新精神，教育機器人要有一定的可擴展性，可拆可裝，但并不是拆得越散越好，零部件過于細小，容易丟失，會影響課堂教學的順利進行。另外，過多的零部件組裝會耗費學生大量的時間，在課時有限的情況下，學生在擰完眾多螺絲之后，幾乎沒有時間去做其它事情。這就相當于使用最先進的技術上了一門傳統的手工課。

3.具有開放性

教育機器人的各種傳感器和其它核心部件要盡量外露，以激發學生的好奇心，并方便教師講解。

教育機器人作為嶄新的教學載體，符合建構主義提倡的教育理念，能夠使學生在探索中學習，在活動中發現，在問題中創造地建構知識;能夠培養學生分析問題、解決問題的能力。同時，教師按照任務驅動、課題研究、實踐探究、創意設計等形式開展研究性作業、探究性學習活動，使教育機器人走進學生的學習和生活，能為學生搭建創造和發展的平臺。教師應通過機器人教學活動，引導學生逐漸形成編程的思想，然后用圖形化編程語言或代碼程序語言在計算機上編寫程序，再通過計算機和機器人的通訊技術，將程序下載到機器人的微處理器中，讓學生通過觀察機器人的運行情況來調試、驗證、反思、改進程序。這其中涵蓋計算機知識、語言知識、數學知識、物理知識、藝術知識等，這種多學科的綜合性、合作性學習，能極大地激發學生的學習興趣，有效地培養學生的創新思維能力、策劃設計能力、解決問題的能力、邏輯推理的能力、科學與藝術審美相結合的能力。

隨著教育機器人的出現，教師會更容易地接受建構主義等新的教學理念，采用任務驅動、研究學習等新的教學方法去組織教學。事實上，學生在設計操演過程中，就會有效地構建知識系統，并創造性地應用于實踐活動，同時能培養創新思維、合作精神和競爭意識。

參考文獻:

[1]蔡自興.機器人學[M].北京.清華大學出版社，2000.