高校機(jī)器人教育發(fā)展研究

周嘉俊，倪虹，馬寶麗，林星星，章梨娜杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院

高校機(jī)器人教育發(fā)展研究

周嘉俊，倪虹，馬寶麗，林星星，章梨娜
杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院

機(jī)器人教學(xué)不僅是進(jìn)行機(jī)械、電子、傳感器、計算機(jī)、人工智能等學(xué)科融合的有效載體，還是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和綜合實(shí)踐能力的教學(xué)平臺。本文首先研究了國內(nèi)外機(jī)器人教育發(fā)展歷程及現(xiàn)狀，在此研究基礎(chǔ)上，提出了推進(jìn)國內(nèi)大學(xué)生機(jī)器人教育的若干設(shè)想。

機(jī)器人教育；教學(xué)研究；發(fā)展綜述

在國際上，隨著政治格局的變化，機(jī)器人在反恐防暴、軍事偵察、核生化探測等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用；隨著人類對宇宙探索的深入，機(jī)器人在環(huán)境監(jiān)測、星際探索等廣泛應(yīng)用；隨著“機(jī)器人換人”風(fēng)潮的來臨,機(jī)器人在教育娛樂、社會服務(wù)家、家政服務(wù)等場合向更為廣泛的人類生活領(lǐng)域拓展。在我國，從“七五”科技攻關(guān)開始，機(jī)器人及應(yīng)用就被作為研究開發(fā)重點(diǎn)之一。在我國中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020）中明確提出服務(wù)機(jī)器人和危險作業(yè)機(jī)器人將是今后機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。習(xí)近平總書記在2014年兩院院士大會講話中提到，“機(jī)器人革命”有望成為“第三次工業(yè)革命”的一個切入點(diǎn)和重要增長點(diǎn)。在“十三五”科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃中，部署機(jī)器人為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，并將“智能機(jī)器人技術(shù)”列為超前部署前沿技術(shù)研究。在《中國制造2025》規(guī)劃中，更是將機(jī)器人列為政府需大力推動實(shí)現(xiàn)突破發(fā)展的十大重點(diǎn)領(lǐng)域之一。由此可見，開展機(jī)器人教育的迫切性和重要性。而機(jī)器人即可用作為益智玩具開展家庭的早期教育，也可以作為平臺和載體開展學(xué)校的課外活動，還可以作為平臺和載體開展學(xué)校的基礎(chǔ)課程教育[1]。有利于學(xué)生親身接觸和體驗現(xiàn)代高新技術(shù)，綜合掌握各領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)，如：機(jī)械、電子、傳感器、計算機(jī)、人工智能等。進(jìn)而，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識，和提高學(xué)生的動手能力。

一、國外機(jī)器人教育

在發(fā)達(dá)國家，尤其在歐洲和美國，機(jī)器人教育從基礎(chǔ)教育階段就已經(jīng)開始普及。一方面，機(jī)器人教育以課程、主題夏令營和項目比賽的形式開展；另外一方面，機(jī)器人技術(shù)也作為平臺和載體輔助其它課程的教學(xué)。

1.1 機(jī)器人技術(shù)課程

美國作為精英教育和大眾教育并舉的代表國家，加上中小學(xué)沒有統(tǒng)一設(shè)置的國家課程，使學(xué)校在課堂教學(xué)，課程體系建設(shè)上有很大的自主性，此外，美國中小學(xué)會為學(xué)有余力或有某方面專長的學(xué)生開設(shè)選修課程，這一切都為機(jī)器人教育的開展提供了便利。

在早期家庭教育階段，美國家長會鼓勵孩子玩玩具和拆玩具，而中國家長更多的是鼓勵孩子玩玩具和愛護(hù)玩具。

在中小學(xué)階段，美國也有針對機(jī)器人技術(shù)的課程體系，旨在針對美國中小學(xué)生，開設(shè)機(jī)器人方向的相關(guān)基礎(chǔ)課程，例如美國加利福尼亞州高中工程與技術(shù)聯(lián)盟在為高中生開設(shè)的工程與技術(shù)選修課程中，提供了ROBOTICS課程，主要介紹機(jī)器人技術(shù)歷史，基礎(chǔ)，術(shù)語，微控制，傳感器，程序控制等方面的知識；有以機(jī)器人為主題的夏令營活動，主要是高校與中小學(xué)共同實(shí)現(xiàn)，高校負(fù)責(zé)機(jī)器人主體的篩選和具體實(shí)施，中小學(xué)負(fù)責(zé)組織。例如：CarnegieMellon大學(xué)向中小學(xué)提供的ROBOCAMP暑期機(jī)器人計劃。通過八星期的課程，使學(xué)生懂得一些基本的與機(jī)器人有關(guān)的電子，機(jī)械和計算機(jī)科學(xué)知識。大學(xué)教授在中小學(xué)的中低學(xué)段授課，體現(xiàn)美國機(jī)器人教育的普及性；有利用機(jī)器人技術(shù)為輔助工具來培養(yǎng)學(xué)生的能力，并學(xué)習(xí)機(jī)器人知識，例如俄亥俄州技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)三“生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)”中提出把機(jī)器人模型作為一種研究工具，同時在標(biāo)準(zhǔn)七“設(shè)計世界”中，利用機(jī)器人來理解輸入與輸出操作、電子設(shè)備如何與計算機(jī)連接等概念。[2]

對于大多數(shù)美國中小學(xué)生而言，機(jī)器人技術(shù)本身是一種工具而不是學(xué)習(xí)的主體，是一種用來輔助學(xué)科課程學(xué)習(xí)和培養(yǎng)創(chuàng)新能力培工具，學(xué)習(xí)使用這一工具的目的在于強(qiáng)化學(xué)習(xí)、激發(fā)創(chuàng)造力、培養(yǎng)創(chuàng)新能力，同時增強(qiáng)協(xié)作能力。

1.2 機(jī)器人比賽設(shè)置

在美國接觸的中小學(xué)機(jī)器人教育，給我留下深刻印象的有兩點(diǎn)：第一、大學(xué)教授在中小學(xué)的中低學(xué)段授課，體現(xiàn)美國機(jī)器人教育的普及性；第二、機(jī)器人課程作為一種教學(xué)方式輔助學(xué)科課程學(xué)習(xí)。記得在Dr.Viver教授授課的過程中，我們有的學(xué)員十分關(guān)注機(jī)器人比賽項目，當(dāng)詢問教授關(guān)于參賽的問題時，教授說了這樣一番話：比賽并不是我所想得到的，在四年級開這門課是一個挑戰(zhàn)，目的是想在課堂中鼓勵學(xué)生去思考，用數(shù)學(xué)思想和方法去解決問題，讓學(xué)生思考每一次操作后該如何去改進(jìn)，這比比賽更重要。

以全美高中開展的FRC機(jī)器人競賽來看，它不像國內(nèi)的競賽就只是以競賽為目的而且很強(qiáng)的功利性，F(xiàn)RC的比賽設(shè)置不只是和機(jī)器人有關(guān)，它相當(dāng)于是一個紐帶，將擁有各種才能的學(xué)生聚到一個團(tuán)隊中，共同打造比賽的產(chǎn)品。但在整個設(shè)計制作的過程中，每個人的才能都能得到施展。不止如此，在整個比賽的過程中，許多新聞媒體會在現(xiàn)場做報道以及直播，每一支隊伍都會有自己的隊服和徽章，整場比賽更像是一個大派對。

1.3 機(jī)器人教育評判標(biāo)準(zhǔn)

美國高校的機(jī)器人評價主要有如下幾個方面：

（1）常規(guī)考試；（2）通過實(shí)際成果考察動手能力。

美國的機(jī)器人競賽，在評判標(biāo)準(zhǔn)方面也具有其特點(diǎn)。首先是具備多重評判標(biāo)準(zhǔn)，其次大家對評判結(jié)果的重視程度也因場合而異。

（1）通過對抗性競爭評選出一個獎項。在通常的機(jī)器人比賽中，如：FRC機(jī)器人競賽（由美國FIRST非營利性機(jī)構(gòu)和丹麥樂高集團(tuán)合作主辦的針對9—16歲孩子的國際性機(jī)器人比賽），通過看一個機(jī)器人團(tuán)隊及其作品的總體表現(xiàn)打出總積分，然后根據(jù)積分高低區(qū)分獎項，這個獎項在所有獎項中也是最不被大家重視的。

（2）相較于作品評判，對整個參賽團(tuán)隊的態(tài)度和核心標(biāo)準(zhǔn)的評判更被看重。評判更關(guān)系團(tuán)隊成員在比賽過程中學(xué)到了什么、做到了什么，整個隊伍的團(tuán)隊合作對它的社區(qū)、甚至對更廣的范圍產(chǎn)生了什么影響，以及是否在做這個機(jī)器人的過程中啟發(fā)了更小的孩子，讓他們產(chǎn)生興趣。以及為了完成該作品，團(tuán)隊成員付出了那些你努力，比如：拜訪了哪些公司、咨詢過哪些專業(yè)人士、通過該參賽項目獲得哪些啟發(fā)，遇到哪些困難，及解辦法，沒解決又是用怎樣的態(tài)度去對待的。這些是評判整個隊伍的核心標(biāo)準(zhǔn)。

二、國內(nèi)高校機(jī)器人教育

2.1 機(jī)器人技術(shù)課程

國內(nèi)機(jī)器人教育，在部分發(fā)達(dá)地區(qū)，有針對中小學(xué)的機(jī)器人的課外輔導(dǎo)班，但輔導(dǎo)班主要以動手和娛樂為主，沒有系統(tǒng)的課程設(shè)置。學(xué)校系統(tǒng)教育里面，在機(jī)器人技術(shù)方面暫時還處于真空狀態(tài)。

在大學(xué)階段機(jī)器人課程主要針對相關(guān)專業(yè)的機(jī)器人方向開設(shè)。課程的范圍和深淺程度也各不相同。多數(shù)學(xué)校都是以比賽為核心，僅限于少數(shù)參賽學(xué)生，還未能開展面向全體學(xué)生的教學(xué)活動。

對于非機(jī)器人方向的學(xué)生而言，機(jī)器人教育屬于選修課程。重在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。因此其教學(xué)設(shè)計的基本理念是：構(gòu)建有利于學(xué)生創(chuàng)新精神和文踐能力培養(yǎng)的活動環(huán)境，通過學(xué)生參加具有探索性、實(shí)踐性、創(chuàng)新性、協(xié)作性的教學(xué)活動，提高其創(chuàng)新能力。在此過程中，學(xué)生始終發(fā)揮著認(rèn)知主體的作用，而教師則發(fā)揮導(dǎo)引、輔助和條件創(chuàng)設(shè)的作用。

2.2 機(jī)器人比賽設(shè)置

國內(nèi)的機(jī)器人比賽大部分依然是由機(jī)器人廠商舉辦，教育部門的監(jiān)管也比較少，比賽的命題、獎勵辦法、評判規(guī)則等也都由投資方來覺定，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[3]。

以浙江省機(jī)械設(shè)計大賽來看，大多都是以廠商名字命名的比賽，例如“XX杯”大學(xué)生機(jī)械設(shè)計競賽。像這樣的比賽，一般都是在本校完成作品，通過網(wǎng)上一二輪的篩選之后進(jìn)入決賽。在決賽現(xiàn)場，對產(chǎn)品進(jìn)行介紹和演示后，評委就完成效果的實(shí)際情況和效率進(jìn)行打分，最終的成績也去決定現(xiàn)場打出的分?jǐn)?shù)。在整個過程中很少會有評委去仔細(xì)了解參賽的團(tuán)隊從參賽到?jīng)Q賽的整個過程、遇到的困難和解決方案。所以我國的整個機(jī)器人比賽設(shè)置和國外相比依然存在很多差距。

2.3 機(jī)器人教育評判標(biāo)準(zhǔn)

機(jī)器人教育所注重的是價值觀以及情感的培養(yǎng)，學(xué)生在通過學(xué)習(xí)和體驗技術(shù)應(yīng)用，來激發(fā)他們對于新技術(shù)的興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新能力[4]。

國內(nèi)的機(jī)器人評價主要還是來源于常規(guī)考試和競賽結(jié)果。這樣可能導(dǎo)致大部分人對于機(jī)器人競賽的關(guān)注度甚至高于了機(jī)器人教育，扭曲了機(jī)器人教育最根本的意義：提高動手能力和創(chuàng)新力，促使學(xué)生全面發(fā)展，推動素質(zhì)教育。甚至很多人把機(jī)器人競賽當(dāng)做了機(jī)器人教育，例如許多高中生的家長會讓孩子去報各種競賽班，其目的可能就是為了高考的時候能夠通過競賽的獎項來加一定的分?jǐn)?shù)。這樣就有可能導(dǎo)致原本的素質(zhì)教育到最后發(fā)展成了“應(yīng)試教育”。

三、推進(jìn)大學(xué)機(jī)器人教育的幾點(diǎn)思考

3.1 建立課程體系

普及中小學(xué)機(jī)器人教育，建立課程內(nèi)容體系，開發(fā)配套教材，并與時俱進(jìn)的更新內(nèi)容。就像新概念英語之于英語教學(xué)一樣的參考教材。雖然淘寶上能找到一些RCS的課程，國內(nèi)做機(jī)器人教育的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)（如樂高培訓(xùn)機(jī)構(gòu)），有自己的內(nèi)部封閉教材，但教材的系統(tǒng)性和普及性都有待于提高。

McGill的研究則表明，機(jī)器人課程能夠?qū)W(xué)生學(xué)習(xí)編程產(chǎn)生積極影響。國內(nèi)的許多高校都開設(shè)了機(jī)器人相關(guān)的課程，其中包括專業(yè)必修、選修，以及全校的公選課等。但是機(jī)器人課程的學(xué)習(xí)需要一定的基礎(chǔ)積累，所以，想要推動機(jī)器人教育在高校的發(fā)展，必須要建立相對應(yīng)的課程體系，循序漸進(jìn)，為學(xué)生提供相應(yīng)的課前輔導(dǎo)。以吉林大學(xué)為例，為電子學(xué)院的學(xué)生建立了三個層次的課程體系，第一層次為大學(xué)生基礎(chǔ)必修課；第二層次為程序設(shè)計語言；第三層為機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗及網(wǎng)站設(shè)計制作。三層次由淺入深保證了課程之間的連續(xù)性，提高學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的信心[5]。這樣的一套課程體系是相對科學(xué)的，在機(jī)器人課程體系的建立可以采用吉林大學(xué)的方案，層次分明，由淺入深做好導(dǎo)學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3.2 機(jī)器人教育資源的開發(fā)

機(jī)器人技術(shù)具有明顯的對象性和操作性，因此配套教學(xué)和實(shí)踐器材的開發(fā)和普及也是需要解決的問題。就目前國內(nèi)的情況來看，性價比高、適用性較強(qiáng)的教育機(jī)器人產(chǎn)品依然比較匱乏。對于現(xiàn)在科技高速發(fā)展的環(huán)境中，落后、陳舊的教育機(jī)器人會讓學(xué)習(xí)者的興趣下降甚至于失去興趣。為了避免這種現(xiàn)象繼續(xù)僵化，就需要生產(chǎn)教育機(jī)器人的廠商能夠在現(xiàn)有的產(chǎn)品上推陳出新，借鑒國外教育機(jī)器人理念和優(yōu)勢，在控制好成本的基礎(chǔ)上研發(fā)出更適合時下機(jī)器人教育的產(chǎn)品。

在機(jī)器人互聯(lián)網(wǎng)教育資源的整合上，以作者所在的杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院為例，學(xué)校專門打造了一個校園的機(jī)器人網(wǎng)站，有專門的校園組織去管理，網(wǎng)羅優(yōu)秀的互聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人教育資源，經(jīng)過編輯后再通過專業(yè)的老師篩選指導(dǎo)后發(fā)布到平臺上，同時也可以在網(wǎng)站上發(fā)布國內(nèi)相關(guān)的機(jī)器人競賽資訊以及往年的獲獎成果、機(jī)器人相關(guān)課程的選課時間。通過這種方式能讓學(xué)生快速獲取到優(yōu)秀的互聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人教育資源和校內(nèi)有關(guān)機(jī)器人方面的信息。

四、結(jié)語

本文通過對國內(nèi)外機(jī)器人教育進(jìn)行廣泛的調(diào)研之后，分別論述了國內(nèi)外機(jī)器人教育方面現(xiàn)狀以及差異，并對此進(jìn)行總結(jié)分析后對國內(nèi)的高校機(jī)器人教育提出了幾點(diǎn)建議，同時以杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院和吉林大學(xué)為例，提出了一些可行的的實(shí)施方案。

[1]張劍平，王益.機(jī)器人教育：現(xiàn)狀、問題與推進(jìn)策略[J].中國電化教育，2006，（12）：6

[2]王益,張劍平.美國機(jī)器人教育的特點(diǎn)及其啟示[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2007,17（11）∶108-112

[3]王改霞,樸姬順.國內(nèi)機(jī)器人教育研究發(fā)展綜述[J].中國教育信息化,2012（12）∶14-17.

[4]張振堂.中學(xué)智能機(jī)器人教育的校本課程建設(shè)研究.西北師范大學(xué)碩士學(xué)位論文.2006.

[5]徐昊.高校機(jī)器人教育分析[J].電子測試，2013（18）

杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院研究立項目（QJZD201503）。

周嘉?。?994-），男，漢族，浙江溫州人，學(xué)歷：本科，職稱：在校學(xué)生工作單位：杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院，研究方向：機(jī)器人教育、互聯(lián)網(wǎng)+；

倪虹（1982-），女，漢族，湖北天門人，學(xué)歷：博士在讀，職稱：講師，工作單位：杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院，研究方向：仿生機(jī)器人、自動化控制；

馬寶麗（1977-），女，漢，山東省聊城人，學(xué)歷：博士研究生，職稱：講師,工作單位：杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院，研究方向：計算機(jī)輔助設(shè)計，精密加工與特種加工；

林星星（1995-），女，漢族，浙蒼人，學(xué)歷：本科，職稱：學(xué)生，工作單位：杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院；

章梨娜（1996-），女，漢族，浙江紹興人，學(xué)歷：本科，職稱：在校大學(xué)生，工作單位：杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院,研究方向：機(jī)械人。