人形機器人進入初中課堂的應用研究

董昊

摘要：現今，無論是學校里還是社會中，形式多樣內容豐富的機器人大賽正在蓬勃開展，將人形機器人引入教育領域并發揮其應有的作用是人形機器人研究的一個重要課題。因此，筆者對人形機器人進入初中課堂做了研究。

關鍵詞：人形機器人；初中；課堂應用

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2015）15/16-0187-03

人形機器人的概況及應用研究

人形機器人的研究開始于20世紀60年代后期，解決人形機器人通過雙足進行行走是當時的主要目標。現階段，人形機器人主要有兩個發展方向：一是追求其外形上與真實人類的各種特征相似，二是使機器人的功能更接近人類，能完成與人類相似的思維和動作。

人形機器人一般由伺服電機、控制主板、鋰電池、金屬框架、與控制主板相配套的軟件組成，這樣構建的機器人主要應用于教育領域。例如，ROBOT·X人形機器人，在機器的各活動關節的配置多達17個伺服舵機，具有17個自由度，身手自由便捷，更能完成諸如手臂后擺90度的高難度動作。控制主板類似于人形機器人的腦部，通過自身的智能編程軟件便能自動地完成所有動作。鋰電池為人形機器人進行活動提供了能量。金屬框架類似于人形機器人的骨骼，對整個機器人起著支撐作用。由這些部件組合起來的人形機器人能在音樂的伴奏中完成起舞、行走、起臥、武術等表演，甚至還能完成翻跟斗等雜技以及各種奧運競賽動作。

現如今，人形機器人不僅大量應用于工業技術中，也逐漸走進了課堂教學中。機器人教育是指學習、利用機器人，優化教育效果及師生勞動方式的理論和實踐。人形機器人用于課堂教學，可以實現主持教學、輔助教學、管理教學甚至可以處理教學事務等諸多功能。

人形機器人引入初中教育的必要性

初中生的身心發展具備一定的典型特征，如果處理不當，這些特征勢必會影響學生的學習與發展，因此教育必須與學生身心發展特征相適應。這些特征主要表現為：①在生理上，生長發育迅速，第二特征開始出現，生理上的特點要求教育不應給予學生過重的課業負擔，在學習之余必須適當開展有益他們身體生長發育的學習活動。②初中生的感知日漸靈敏，記憶力有了極大發展，同時情感外露不理智，自控能力并不強，這就需要教師在課堂中注重學生綜合能力的培養。

然而，與之相對，目前我國初中教育具有如下特性：①教學資源良莠不齊。由于地區、學校間的教學資源分配不平衡，學生所占據的教學資源并不統一，教學資源貧乏地區的學生可能無法接受到良好的教育。②教學模式枯燥單一。目前，在初中課堂中，教師主導的教學模式依舊是主流，學生的學習較被動。③課業負擔較為沉重。在當今應試教育的巨大壓力下，初中學生面臨中考這一巨大負擔。另外，在學校學習中，以作業為主的學習方法也使得他們小小年紀就背負上了沉重的課業負擔。

因此，為了適應初中學生年齡結構特點，改變初中課堂中的陳規陋習，我們將人形機器人引入初中課堂并探究其應用效果。

人形機器人應用在教育中的特點和價值

1.特點

（1）教學性

學校應用人形機器人是為了主持教學、輔助教學、管理教學甚至可以處理教學事務，我們應按教育工作者的特殊職業要求來賦予人形機器人教育特色、具備教學特性。

（2）人機友好性

人形機器人要被師生喜愛，必須具備人形化的人機界面，只有當人機信息交流無障礙，操作使用靈巧的時候才能方便教學工作的開展。對于師生的提問和要求，需要設定程序來實現其關懷和耐心，這樣，才能起到耐心教育、傳道解惑的目的。

（3）高智能性

人形機器人必須具有較強的思維力、記憶力、觀察力、注意力，在教學事務中，對師生的狀態能及時、準確判斷并迅速做出較正確的反應。

（4）多功能性

人形機器人應具有輔助教學、管理教學、處理日常事務等多種功能。

（5）專業性

人形機器人不需要做到萬能，也不需要精通各個科目，它只需要精通自己被賦予的功能，具備專業特色，能夠實現專門職責。此時，如果注意加強各學科教學機器人之間的協調，就能夠實現人形機器人的全方位發展。

（6）安全性

機器人三原則對機器人的安全性做出了規定，安全性是人形機器人必須具備的首要特性：①不能漏電，不能因電器短路而發生毀損和爆炸。②不能程序混亂失去理智。③應有應急安全措施。

基于以上特點，我們開展了人形機器人進入初中課堂的教學活動。這一活動具備改善教學的效果、改善教師與學生的工作和學習的方式兩個作用。

2.創新價值

（1）普及人形機器人知識

通過加強人形機器人教學，普及人形機器人知識，可以消除大眾對機器人的神秘感，提高全社會對機器人的認識度。通過教育領域的應用，我們可以將人形機器人拓展到其他領域，促進機器人在社會各領域的應用。

（2）提高人形機器人應用能力

人形機器人應用需要具備非常高的專業水準，它涉及編程控制、管理維護、人機關系等許多有待發掘和探索的內容。作為操作者，我們必須了解人形機器人的原理、結構、功能、使用方法、注意事項，才能提高應用水平，更好地進行機器人研究。

（3）提高人形機器人研制能力

機器人的研制，依托于一大批精于多門類學科知識的專門人才，因此，需要不斷學習、研究最新成果。而這一切的基礎有賴于多形式多層次的機器人教育。

（4）深入開展信息技術教育

如今信息技術教育存在一系列弊端，開展人形機器人教育有助于克服弊端。一方面，避免“重軟”“輕硬”、重模仿輕創新、重實踐輕理論的通病。另一方面，要避免片面強調軟件工具應用技能的學習而造成的程序設計思維素質培養的缺失。

3.教育價值

（1）從社會學角度看

人形機器人在教育系統中由于功能特殊，具備了教師、學習伙伴、助手等多個角色的特征，它們以此為范本，各自發揮著相應的教育作用。

（2）從文化學角度看

人形機器人教學采用了新型信息傳播方式，為教學信息的傳播帶來了變革。

（3）從心理學角度上看

人形機器人教學可以發揮激發興趣、促進感知、加深理解、鞏固記憶等多種作用。這些作用綜合起來，可以激發學生的學習興趣，提高學生學習的效率。

人形機器人在初中課堂的應用現狀

當前人形機器人在教學中主要充當五種角色：主持教學、輔助教學、單一學科教學、管理教學、代理事務等。

我國中小學機器人教育課程主要有：選修課、綜合實踐活動課（競賽活動課）、信息技術課等。然而，人形機器人教育還是沒有被足夠引起重視。雖然人形機器人教育還沒有正式進入教學課程層面。但目前已有許多中小學校開展了各種課外學習活動，在興趣班中引入了機器人教學，而且從總體的調查研究來看，機器人課程也進入了我國的一些教學先進地區，如北京、上海、廣東、山東、湖北、黑龍江等省市大部分學校已經開展機器人教育。與此同時，香港在初級高級課程改革中，也不斷增設各種機器人課程。種種例子都表明，我國中小學機器人教育課程正迎來一個快速普及的時期。

然而經過十多年的發展，傳統的小車形機器人教育遇到了難以逾越的瓶頸，因為技術的發展更新，比賽中不得通過不降低電池電壓、減少電機數量等技術手段來保證比賽的公正性，機器人教學也是過多地關注硬件技術的更新，對學生創新能力的培養漸漸弱化。因此，我們也要承認國內機器人教育中的不足之處。與國外相比，我們開展的課堂形式與其相差不多，但是普及深度和廣度還存在較大問題，在文化與社會積淀方面也存在著較大差距。相對來說，短期內，我們需要加強軟件、硬件投入來解決軟硬件投入不足問題，但從長久來看，師資力量的不足是一個更需要關注的問題。

人形機器人課堂教學在我校的開展情況

我校使用的泰山版的信息技術教材在第三冊下就安排了機器人的課程，不過教材中的教學內容還是以傳統的小車形機器人為主。而近幾年各種電影、小說以及媒體報道中的機器人的形象都是可以兩足獨立行走的人形機器人，為了更好地順應時代發展的潮流，2014年初，我校購買了兩臺人形雙足機器人。經過培訓后信息技術教師基本掌握了該型號機器人的使用方法，并輔導學生制作了機器人舞蹈節目，在學校元旦晚會上演出后激起了師生的學習熱情。

經過一年的使用，在了解了人形機器人的基本原理和編程調試技巧后，學校將湖州愛創公司的人形機器人用于課堂教學，這款人形機器人，編程界面簡單并且集成了語音識別功能，舵機控制板帶有舵機保護功能，比較適合課堂教學。我校通過全面開設人形機器人課程，激發學生的學習積極性，選拔了一批優秀的學生，在2015年山東省機器人比賽中取得了優異的成績。

總結與反思

我們要全面看待人形機器人進入初中課堂的效果：一方面人形機器人在初中教育中具備種種優勢和眾多教育價值、創新價值。另一方面人形機器人在教育領域的發展相對于其他領域的機器人而言起步較晚，在技術上尚未成熟，又因為未得到教育部門的足夠重視，現在的發展模式依舊存在許多弊端，亟待改善。

1.人形機器人的發展處在起步階段，技術上較為原始

世界上廣泛使用的機器人主要是工業機器人，特別是面向制造業的工業機器人，工業機器人和教育機器人的發展不協調導致了其發展步調不統一，分別發展的人形機器人在各方面上都存在著一定弊端。

2.人形機器人的應用沒引起教育部門的重視，宣傳和引導也較乏力

隨著科技的發展，人形機器人逐漸進入小學、中學和高校課堂。機器人比賽中也有眾多學生參加。然而，機器人價格昂貴、維修保養費錢費力等缺點導致了現如今機器人教育無法得以大力推廣，眾多學校只是以課外活動、興趣班、培訓班的形式開展機器人教育活動。

3.在硬件上，資金投入不足

人形機器人的配件有別于傳統的車形機器人，其主要部件舵機損壞后很難維修，購買新的部件又是一筆不菲的開銷。同時，購買的各種品牌人形機器人硬件設備之間通用性較差，即使使用的是同一型號的舵機，也因為固定位置、軟件等原因很難通用，希望國家教育部門盡快推出教育行業人形機器人規范，制訂出統一的標準，以利于人形機器人教育事業的良好發展。

隨著教育系統對教育的投入不斷增加和越來越多應用于教育的人形機器人生產廠家參與到生產和競爭中，相信在不久的將來，將會改變現在只有少數學生接受人形機器人教育的現狀，人形機器人可以廣泛進入初中課堂，為教育模式的創新起到越來越重要的作用。

參考文獻：

[1]李紅，鄭劍春.從機器人項目的開展與評價看中美兩國機器人教育的差異[J].調查思考，2009.

[2]張劍平，王益.機器人教育：現狀、問題與推進策略[J].中國電化教育，2006.

[3]姚艷秋，王曉光.中學機器人教學的認識與實踐[J].吉林省教育學院學報，2009.

[4]彭紹東.論機器人教育[J].電化教育研究，2002.

[5]秦健崔，鑫治，李曉剛.我國機器人教育研究現狀與我校校本課程建設[J].中國信息技術教育，2011.

[6]王益，張劍平，在機器人教育中提升學生的科學素養[J].中國教育信息化，2007（9）.

[7]胡兵華，何少莎，王小根.中小學機器人教育的校本課程開發探討[J].中國教育信息化，2009（C2）.