務實·創新·升華——南京市開展智能機器人教育在創新活動中的現狀與構想

☆馬睿

（南京市電化教育館，江蘇南京 210029）

近年來，機器人技術已從單一的工業生產領域向人類社會的各個領域拓展，機器人技術的發展對世界科技的發展，人類社會的進步都有著不可估量的影響。在這一大背景下，開展智能機器人創新活動有助于推動機器人技術的發展與應用。目前，一些西方國家已把機器人創新實踐活動作為技術教育課程體系的一部分，而我國的一些省市也把機器人的教學內容納入到信息技術的選修或者必修教材中。近年來，南京市已在部分中小學開展了機器人的創新與實踐活動，在教育教學和競賽活動方面都取得了一定的成果和經驗，部分學校的應用水平已經處在了全省甚至全國的領先地位。特別在我市出臺了教育信息化兩年行動計劃行動方案后，如何做好機器人教育的創新活動，對于推動我市中小學信息技術教育向更高層次發展，具有重要的現實意義和深遠的歷史意義。本文結合筆者多年從事我市智能機器人競賽及教學工作方面的經驗，談談我市在開展智能機器人創新活動方面的現狀及思考。

一、智能機器人的定義

從廣泛意義上理解，所謂的智能機器人，它給人的最深刻的印象是一個獨特的進行自我控制的“活物”。其實，這個自控“活物”的主要器官不像真正的人那樣微妙而復雜。智能機器人具備形形色色的內部信息傳感器和外部信息傳感器，如：視覺、聽覺、觸覺、嗅覺。它還有效應器，作為作用于周圍環境的手段，這就是筋肉，或稱自整步電動機，它們使手、腳、鼻子、觸角等動起來。由此可知，智能機器人至少要具備以下三個要素：一是感覺要素，用來認識周圍環境狀態；二是運動要素，對外界做出反應性動作；三是思考要素，根據感覺要素所得到的信息，思考出采用什么樣的動作。感覺要素包括能感知視覺、接近、距離等的非接觸型傳感器和能感知力、壓覺、觸覺等的接觸型傳感器。這些要素就相當于人的眼、鼻、耳等五官，它們的功能可以利用諸如攝像機、圖像傳感器、超聲波傳成器、激光器、導電橡膠、壓電元件、氣動元件、行程開關等機電元器件來實現。對運動要素來說，智能機器人需要有一個無軌道型的移動機構，以適應諸如平地、臺階、墻壁、樓梯、坡道等不同的地理環境。它們的功能可以借助輪子、履帶、支腳、吸盤、氣墊等移動機構來完成。在運動過程中要對移動機構進行實時控制，這種控制包括位置控制，還包括力度控制、位置與力度混合控制、伸縮率控制等。智能機器人的思考要素是三個要素中的關鍵，也是人們要賦予機器人必備的要素。思考要素包括有判斷、邏輯分析、理解等方面的智力活動。這些智力活動實質上是一個信息處理過程，而計算機是完成這個處理過程的主要手段。

二、國內外智能機器人在教育創新活動中開展的現狀

（一）基本現狀

國外的機器人教育一直是個熱點。早在1994年，麻省理工學院就設立了“設計和建造LEGO機器人”課程（Martin），目的是提高工程設計專業學生的設計和創造能力,嘗試整合機器人教育與理科實驗。麻省理工學院媒體實驗室“終身幼兒園”項目小組開發了各種教學工具,通過與著名積木玩具商樂高公司的緊密合作,該項目組開發出可編程的樂高玩具,幫孩子們學會在數字時代怎樣進行設計活動。同時,國外的一些智能機器人實驗室也有相應的機器人教育研究的內容。

新加坡國立教育學院（NIE）和樂高教育部于2006年6月在新加坡舉辦了第一屆亞太ROBO-LAB國際教育研討會,通過專題報告、論文交流和動手制作等方式,就機器人教育及其在科技、數學課程里的應用進行交流,以提高教師們開展機器人教育的科技水平與應用能力。

近年來，我國的機器人教育有了很大的發展。教育機器人逐步成為中小學技術課程和綜合實踐課程的良好載體。教育機器人與學科教育相結合,可以幫助科學、數學、力學等學科的教學,在國內已經有學者提出機器人與理科教學整合的想法。

（二）機器人教學

教育機器人作為教學內容進入中小學，無論國內還是國外，目前都處于起步階段。從各地情況來看，較多的學校只是以課外活動、興趣班、培訓班的形式開展機器人教學。通常的做法是由學校購買若干套機器人器材，由信息技術課程教師或綜合實踐課程教師進行指導，組織學生進行機器人組裝、編程的實踐活動，然后參加一些相關的機器人競賽。目前，只有極少數的地區和學校將機器人教學納入了正規課堂教學。

我國教育部于2003年4月正式頒布《普通高中技術課程(實驗)標準》，首次在“通用技術”科目中設立了“簡易機器人制作”模塊，它是基于計算機技術的學習平臺，將機械傳動與單片機的應用有機組合的一個選修課程模塊。該模塊為學生提供了運用當代先進技術和先進思想方法進行設計、制作，以解決實際問題的機會。與此同時，新的高中課程標準在“信息技術”科目中也設立了“人工智能初步”選修模塊,邁出了我國高中階段開展人工智能教育的第一步，這也意味著我國的人工智能教育在大眾化、普及化層面上躍上了一個新的臺階。

（三）機器人競賽

開展各種展示和競賽活動是普及機器人教育的一個重要途徑，機器人競賽項目的內容、規則及評分辦法等的創意設計都極富創造性和挑戰性。通過組織豐富多樣的青少年機器人競賽，可以激發廣大青少年對科技的興趣，提高青少年的科學素質，并為機器人研究和開發儲備人才。

國際、國內幾項影響較大的機器人競賽包括:

FIRA機器人足球賽,由國際機器人足球聯盟FIRA（http://www.fira.net/）舉辦。

機器人足球世界杯賽RoboCup（http://www.robocup.org），這是為促進人工智能技術、機器人技術以及相關領域的發展而設立的一個國際性的研究和教育組織,選擇了足球賽作為基本領域來促進人工智能和機器人的研究。

此外，機器人滅火比賽（http://www.trincoll.edu/events/robot/）、FLL機器人世界錦標賽（http://wwwfirstle?goleague.org/）、機器人迷宮（http://micromousecs.rhul.ac.uk/）也是較有影響的機器人國際賽事。

“中國青少年機器人競賽”是2001年起由中國科協青少年工作部創辦并組織開展的一項青少年科技活動，該賽事一年一度，已相繼在廣東、河南、廣西、陜西舉辦。

三、南京市智能機器人創新活動開展的現狀

（一）競賽活動方面的開展狀況

由官方所認可的南京市中小學機器人競賽一般在每年的3-4月份舉辦，此項大賽主要是面向全市中小學生，其中一等獎的獲得者將有資格參加全省乃至全國的機器人大賽，從2005年開始，這項大賽正式由市教育局、市科學技術協會、市關工委三家共同舉辦，由南京市電教館具體承辦，到今年已經走過九個年頭，通過此項大賽所鍛煉出的多支機器人隊伍在全國乃至世界級大賽中都獲得十分優秀的成績。筆者根據多年組織競賽的經驗，認為南京市的機器人競賽活動有以下幾個亮點。

1.適時的競賽服務平臺

為了更好地開展南京市中小學機器人競賽工作，由南京市電教館出資設計的南京市中小學競賽專用平臺從2013年實施運行，較好地實現智能化的報名、統計、整理、打分等工作，此平臺的實施規范了報名的過程，優化了工作流程，相對減少了工作量。此網絡平臺已得到區、校（單位）兩級單位的認可。

2.廣泛的參與面

南京市中小學機器人競賽從2005年開始，從最初只有幾十名學生參與，到今年共有314支隊伍報名，最終有290支隊伍632人參加；從一開始只有我市的部分學校和幾所直屬學校參賽，到現在已經擴大到街道社區以及南京市各市區青少年宮組織的學生參加；參賽的機器人種類已經從原有的成型的機器人模塊到如今有學生自主設計和搭建的機器人參賽；裁判員的隊伍也由原來的只能依靠機器人廠商為主到現在以我市的學校教師和我市電教館科研人員為主的專業型裁判隊伍。從獲獎層面來看，12個大區和5所直屬學校均有獲獎。

3.出彩的直播環節

從承辦機器人大賽以來，南京市電教館就一直在考慮如何宣傳和推廣此項大賽，讓更多的學生、老師、家長了解我市機器人創新活動的開展情況。經過研究，從2012年開始，主辦方通過南京校園電視網這一平臺對南京市中小學機器人大賽進行現場直播，今年的直播更是出彩，表現在：首先，在賽前設計了直播的二維碼，利用網絡和報名現場準備的易拉寶進行推廣和宣傳；其次，在直播過程中，邀請機器人專家對各項賽事進行點評，并從機器人的競技角度和理論角度逐一展開講解；最后，還邀請了部分參賽小選手現場談對自己機器人的設計構思，對南京市機器人大賽的感想。從最后網絡互動的反饋來看，這些巧妙的設計都取得了非常不錯的效果。

4.嚴密的賽項設置

南京市機器人競賽從設立之初，賽項內容只有3-5項，主辦方針對全省中小學機器人大賽以及全國中小學信息技術創新與實踐活動大賽的部分項目，結合我市中小學機器人活動開展的實際情況設立了特色項目，逐步增加競賽項目，到今年，具體設置了機器人滅火比賽、機器人創意比賽、人型機器人全能挑戰賽、WER挑戰賽、VEX工程挑戰賽、環保主題智能機器人競賽、野外挑戰賽機器人綜合技能比賽、機器人工程挑戰賽、綠色城市等共十個大項。

5.優秀的成績獲得

從2004年開始，南京大學附屬丁家橋小學、南京市鐵心橋小學、江寧科學園小學、高淳古柏中心小學、南京市金陵中學、南京外國語學校、南京市第十三中學等學校的機器人活動已漸成規模并形成特色，這幾年來，他們的機器人隊伍在全省、全國乃至國際比賽中都屢屢獲獎，取得了十分優異的成績。比如：2009年，南京市金陵中學在澳大利亞舉辦的第三屆亞洲機器人錦標賽中奪得了機器人團體賽金獎；2012年，南京大學附屬丁家橋小學在第18屆國際家用機器人滅火比賽中獲得第一名；2013年，南京市揚子一中在海峽兩岸國際機器人邀請賽中獲得第一名等等。

（二）在機器人研訓方面的開展狀況

南京市中小學機器人指導教師培訓是從2008年開始的，此項培訓工作一直由南京市教育局高師處牽頭，南京市電化教育館、南京市教學研究室承辦，同時，此項培訓也是教育部—樂高“技術教育創新人才培養計劃”培訓項目的一個重要的組成部分。

每年，培訓方都要對培訓教師進行細分，一般根據報名的情況分為高階班、初階班和幼教班，培訓全程都采取小班化教學和小組合作學習模式。

為了提高培訓質量，我們每年都會邀請教育部—樂高“技術教育創新人才培養計劃”培訓項目的主要講師親自到寧主講，整個培訓過程都會精心設計、合理規劃教學環節和教學內容，特別是今年，我們根據教育部樂高課堂計劃中的4C教學理論（聯系Connect、建構Con?struct、反思 Contemplate、延續 Continue），把培訓內容分成三個部分：一是學習和了解機器人的機械內部架構，二是學習機器人的編程和搭建，三是通過學習成功完成《綠色城市》競賽項目，作為此次培訓的最后考核成果。整個學習過程，學員們從教師轉換為學習者，以學習者的視角進行感知，進而從學習者轉換為班級的講師，把自己的學習內容講授給其他學員，最后，再從講師的身份轉化為參賽選手，完成競賽項目。這種多種角色的轉換，讓學員們對機器人項目的競賽輔導工作有了更深入的了解和認識，不再像以往的培訓只單一注重于技術學習的內容，缺少理論的支撐和實際的操作，所以，參加此次培訓的學員對此次培訓都給予了高度的評價。

四、對于我市未來開展機器人創新活動的一些構想

（一）機器人活動應常態化和多樣化

2014年初，在南京市鐵心橋小學由南京市電教館和南京市教研室聯合舉辦了全市的第一堂同課異構的機器人教學與競賽培訓的展示活動，得到一線參與機器人教學和培訓工作老師們的一致好評。在這個基礎上，可以考慮將這種類型的活動向常態化和多樣化方面發展，如何開展，筆者認為應該從以下幾點考慮：

（1）展示應常規化，形成一種慣例，一年可以考慮多場展示活動，場數為2-3場為限，年初以區校自主報名和市級推薦為主；

（2）形式應多樣化，既可以有像鐵心橋小學那樣的學科教學的形式展示，也可以增加新技術的展示，專家的講座，對機器人技術在其他學科教學方面的延伸形式的展示，在舉辦的過程中以聯系教研室的信息技術、綜合實踐、科學、通用技術甚至物理等學科聯合開展。

（二）加快機器人研究隊伍的建設，盡快成立機器人研究中心組

根據我市教育信息化兩年行動計劃行動方案中對機器人工作的相關要求，我們應該對機器人教學和競賽兩個方面都要加以重視，并且要在今后建立一只機器人活動競賽和教學研究的隊伍，利用現有機器人教學與競賽的骨干力量建立南京市中小學機器人研究中心組，并形成有效的管理和機制，利用中心組做好機器人活動的輻射和推廣工作，充分擴大機器人活動的影響力。

（三）增加普及型的機器人競賽活動形式

在開展好專項機器人競賽活動的前提下，我們必須思考機器人競賽普及化的問題，從南京市機器人整體活動的推廣角度來說，機器人創新活動應該是讓更多的學生參與進來的一項活動，而不是僅僅停留在專項賽這一單一形式上，我們應該在充分利用好現有配備機器人的基礎上，設計出具有南京教育特色的機器人普及型賽事，賽事設計的基本思路為：

1.需要重視器材的普及性

賽事的支持器材應盡可能為各校現有的機器人器材，讓其物有所用。

2.需要關注參與面的普及性

賽事設計出發點應該是讓更多喜愛機器人活動的孩子參與到我們活動中來，在剛開始參加的學生范圍可以先以小學生為主，后期可以逐步增加參與面。

3.需要把握好賽事設計的嚴謹性、可操作性和可延續性

首先，競賽過程應該是以切實反映學生對于機器人的掌握程度為前提的，在這一大的原則下，我們應該把機器人的搭建、編程、調試、競技四個環節逐一體現；其次，普及賽的圖紙方案以及任務設計不應以單一的走黑線或競速的形式為主，而應以完成多個任務的建構式方式的任務為主，在這一大框架下，學生在一定時間內完成多少個任務，從而真實地反映出學生對機器人知識的掌握程度；最后，普及賽的設計還要考慮到普及性的特點，不宜設置得過難，同時也要考慮后續的推廣性，所以，在設計好任務庫的前提下，可以借鑒樂高FLL競賽的模式隨機抽出幾個任務進行比賽，這樣使得比賽每年都有一定的變化，賽項的設計也相對立體，不再單一。

五、結束語

目前，根據南京市教育信息化兩年行動計劃的精神，隨著南京市中小學機器人工作室的逐步建立、南京市機器人研究中心組的建成以及我市各級教育部門對于中小學機器人創新活動開展的逐步重視，相信我市的中小學機器人創新活動必將迎來一個快速發展的時期。

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