人工智能時(shí)代浙江省中小學(xué)生智能機(jī)器人比賽回顧與展望

任向紅

（浙江省教育技術(shù)中心，浙江 杭州 310012）

雖然人工智能技術(shù)早已經(jīng)是智能手機(jī)上很多應(yīng)用程序的核心驅(qū)動(dòng)力，但大部分人對(duì)人工智能的驚艷認(rèn)知，或許是始于2016年初AlphaGo與圍棋世界冠軍的驚世對(duì)局。人工智能這兩年的蓬勃發(fā)展、高歌猛進(jìn)，推動(dòng)人工智能戰(zhàn)略上升為國(guó)家戰(zhàn)略。在人工智能時(shí)代加速到來(lái)的當(dāng)下，在中小學(xué)生群體中開(kāi)展智能機(jī)器人比賽工作顯得更加具有時(shí)代意義和全新價(jià)值。因此，有必要對(duì)浙江已經(jīng)開(kāi)展十四年的中小學(xué)生智能機(jī)器人比賽進(jìn)行回顧總結(jié)和展望，以便更好地推動(dòng)這項(xiàng)活動(dòng)健康發(fā)展，為人工智能時(shí)代培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)人才做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

一、活動(dòng)歷程回顧

浙江省中小學(xué)生智能機(jī)器人比賽是省中小學(xué)電腦制作活動(dòng)的項(xiàng)目之一，是指中小學(xué)生按照命題要求編程，控制智能機(jī)器人完成相關(guān)任務(wù)的比賽項(xiàng)目。在現(xiàn)場(chǎng)比賽中，學(xué)生要在限定時(shí)間內(nèi)自行進(jìn)行拆裝機(jī)器人和編程調(diào)試，完成一系列的比賽任務(wù)，這一過(guò)程集成了計(jì)算機(jī)、機(jī)械、物理、電子、數(shù)學(xué)等眾多的學(xué)科知識(shí)，是進(jìn)行中小學(xué)生素質(zhì)教育，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、探究精神、實(shí)踐能力和動(dòng)手能力等的有效平臺(tái)。浙江省自2004年啟動(dòng)首屆比賽，至今已經(jīng)連續(xù)舉辦了十四屆。多年來(lái)，活動(dòng)內(nèi)容隨著中小學(xué)校信息技術(shù)教育的發(fā)展和智能機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展而不斷豐富，項(xiàng)目設(shè)置不斷優(yōu)化，參與群體逐漸增加。

1.活動(dòng)項(xiàng)目不斷優(yōu)化

最初的智能機(jī)器人比賽項(xiàng)目主要為機(jī)器人滅火、足球、籃球等幾個(gè)傳統(tǒng)項(xiàng)目。在十幾年的活動(dòng)發(fā)展中，組委會(huì)不斷吸收貼近中小學(xué)生生活、適合中小學(xué)生參與的智能機(jī)器人項(xiàng)目。至2017年，全省中小學(xué)生智能機(jī)器人比賽項(xiàng)目增至機(jī)器人滅火、足球、籃球、人型、FLL、WER、九宮、軌跡賽、虛擬仿真等10個(gè)項(xiàng)目。這些項(xiàng)目任務(wù)十分有趣，很容易激發(fā)學(xué)生的參與熱情，可看性也比較強(qiáng)，如通過(guò)傳感器等探測(cè)設(shè)備模仿消防隊(duì)員用最快的速度找到火源并將其撲滅的滅火項(xiàng)目；人型機(jī)器人跨欄、鉆障礙、上下樓梯等挑戰(zhàn)項(xiàng)目；模擬工業(yè)任務(wù)、醫(yī)療任務(wù)、農(nóng)業(yè)種植的項(xiàng)目；對(duì)抗激烈的足球、籃球大戰(zhàn)等等。多種多樣的項(xiàng)目，有利于孩子們根據(jù)自己的特長(zhǎng)，挑選感興趣的項(xiàng)目參與。

2.活動(dòng)內(nèi)涵不斷豐富

活動(dòng)剛剛開(kāi)始興起的時(shí)候，比賽規(guī)則尚不盡完善，對(duì)學(xué)生編程能力、動(dòng)手能力的考查要求也不夠充分，像足球、籃球等對(duì)抗性的項(xiàng)目，只是在賽前進(jìn)行簡(jiǎn)單的知識(shí)測(cè)試，而不要求現(xiàn)場(chǎng)拆裝和編程，因此比賽常常成為機(jī)器性能的比拼和廠家程序設(shè)置的比拼，賽場(chǎng)上不乏“開(kāi)關(guān)師傅”型學(xué)生。但隨著比賽設(shè)置的越來(lái)越科學(xué)，中小學(xué)生智能機(jī)器人比賽越來(lái)越重視參賽學(xué)生編程能力、創(chuàng)造能力、分析實(shí)踐等綜合能力的考察，多數(shù)項(xiàng)目都要求學(xué)生清空程序、拆散機(jī)器后進(jìn)場(chǎng)，然后在限定時(shí)間內(nèi)自主組裝機(jī)器，拆裝機(jī)器人、編程調(diào)試的要求越來(lái)越高，任務(wù)越來(lái)越復(fù)雜。有些項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)抽簽公布任務(wù)和規(guī)則，真正成為學(xué)生智力、創(chuàng)意、動(dòng)手能力和多學(xué)科知識(shí)儲(chǔ)備的比拼。

3.虛實(shí)項(xiàng)目逐漸融合

近幾年，浙江省將虛擬項(xiàng)目引入全省中小學(xué)生智能機(jī)器人比賽。虛擬項(xiàng)目的引入，降低了參與比賽的門(mén)檻和經(jīng)濟(jì)成本，使得沒(méi)有條件購(gòu)買(mǎi)實(shí)體機(jī)器人的學(xué)校和學(xué)生也有條件參與到比賽中來(lái)。隨著全省中小學(xué)校生機(jī)比的提高，可以說(shuō)虛擬機(jī)器人項(xiàng)目向每一個(gè)愿意參加這項(xiàng)活動(dòng)的學(xué)生敞開(kāi)了大門(mén)。同時(shí)，在其他實(shí)體機(jī)器人項(xiàng)目中，比賽也不再限定品牌和廠家，符合“機(jī)器人”定義概念的各類(lèi)機(jī)器人產(chǎn)品均可參加。這在促進(jìn)各機(jī)器人廠家充分競(jìng)爭(zhēng)的同時(shí)，最終使各中小學(xué)校受益。

4.活動(dòng)規(guī)模不斷擴(kuò)大

規(guī)模的擴(kuò)大與上文所述的比賽項(xiàng)目設(shè)置不斷優(yōu)化、內(nèi)涵不斷豐富、比賽門(mén)檻逐漸降低是相輔相成的。每年的省級(jí)比賽，都規(guī)定各地在遴選和比賽的基礎(chǔ)上，每個(gè)項(xiàng)目限額推薦一兩支隊(duì)伍參加比賽。2017年，全省共有380多名中小學(xué)生參加了省級(jí)比賽，其中，270多名學(xué)生參與了實(shí)體機(jī)器人競(jìng)賽，110余名學(xué)生參加了虛擬機(jī)器人比賽。限額推薦決定了只有很小一部分的學(xué)生才能參與到全省的比賽中。但據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年參與各市智能機(jī)器人比賽的學(xué)生達(dá)到了1700余人，有470余所中小學(xué)校參與了市級(jí)的比賽和遴選，可見(jiàn)這項(xiàng)賽事已經(jīng)有了較廣泛的學(xué)生基礎(chǔ)。因?yàn)楸荣惖拇龠M(jìn)，各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)對(duì)機(jī)器人賽事越來(lái)越重視，中小學(xué)校以基礎(chǔ)課程為依托的機(jī)器人活動(dòng)、機(jī)器人拓展課程、以機(jī)器人為載體的創(chuàng)客活動(dòng)、校本機(jī)器人課程等越來(lái)越多。

二、活動(dòng)現(xiàn)實(shí)意義

1.促進(jìn)了學(xué)生綜合素質(zhì)的提升

學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力得到提升。這一點(diǎn)是毋庸置疑的。每一次比賽過(guò)程中，看到學(xué)生們把機(jī)器人逐一拆散，再將這些零零散散的配件搭建起來(lái)，電機(jī)、馬達(dá)、齒輪、傳感器……真是手腦并用、心靈手巧。

學(xué)生計(jì)算思維、邏輯思維能力得到提升。編程是智能機(jī)器人比賽的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)比賽的任務(wù)，編寫(xiě)程序控制機(jī)器人按照指令完成任務(wù)，學(xué)生必須具有嚴(yán)密的邏輯思維，并且成功應(yīng)用算法一步一步推演，尋找最佳方案，計(jì)算和編程思維給了學(xué)生看待世界的不同方式。

學(xué)生多學(xué)科融合的探索創(chuàng)新能力和科學(xué)情感得到提升。智能機(jī)器人活動(dòng)與STEAM教學(xué)理念一脈相承，以應(yīng)用驅(qū)動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生掌握多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，特別是數(shù)學(xué)、物理、工程、機(jī)械、電子、人工智能等眾多領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)知識(shí)，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)，學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，從容面對(duì)難題挑戰(zhàn)，凝練創(chuàng)新和科學(xué)品質(zhì)。

學(xué)生處理突發(fā)事件的應(yīng)變能力得到提升。每一次比賽活動(dòng)中，都有不少學(xué)生要面臨意外的狀況，處理得好壞，直接影響自身的比賽結(jié)果。比如在2對(duì)2的足球或籃球項(xiàng)目中，其中一個(gè)隊(duì)員的機(jī)器人發(fā)生故障，按照比賽規(guī)則，允許一定的維修時(shí)間，這期間，這臺(tái)故障機(jī)器禁止上場(chǎng)，該如何取舍，要求學(xué)生迅速理清思路，快速處理問(wèn)題。

學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力得到提升。機(jī)器人比賽過(guò)程中，多數(shù)項(xiàng)目是每2人為一個(gè)團(tuán)隊(duì)，在機(jī)器人教學(xué)的過(guò)程中，也多數(shù)以小組形式開(kāi)展。因此，他們自然而然地進(jìn)行有效溝通和交流，彼此開(kāi)展合作，共同解決問(wèn)題。這種溝通協(xié)作的團(tuán)隊(duì)合作能力為日后的團(tuán)體生活和工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.促進(jìn)了信息技術(shù)課程的完善

雖然浙江省基礎(chǔ)教育信息技術(shù)課程中，只在小學(xué)六年級(jí)和初中三年級(jí)開(kāi)設(shè)了機(jī)器人教學(xué)的課程，但是在中小學(xué)生智能機(jī)器人比賽的促進(jìn)下，很多學(xué)校以拓展課程、興趣選課、課外活動(dòng)的形式開(kāi)展機(jī)器人教學(xué)。比如杭州市保俶塔實(shí)驗(yàn)學(xué)校，每周二下午開(kāi)展智能機(jī)器人拓展課程，主要對(duì)象是機(jī)器人愛(ài)好者，其中小學(xué)生30人，中學(xué)生25人；學(xué)校午間休息時(shí)間，機(jī)器人教室也對(duì)學(xué)生開(kāi)放，做好學(xué)生活動(dòng)記錄；小學(xué)六年級(jí)下學(xué)期，開(kāi)設(shè)整個(gè)學(xué)期的機(jī)器人課程，并整合虛擬機(jī)器人課堂改進(jìn)了實(shí)體機(jī)器人課堂。對(duì)于學(xué)習(xí)任務(wù)完成得較好的學(xué)生，該學(xué)校還獎(jiǎng)勵(lì)他們可以借機(jī)器人回家研究。近幾年，在浙江各地中小學(xué)校，以創(chuàng)客空間、STEAM課程為載體開(kāi)展機(jī)器人教學(xué)的學(xué)校更是數(shù)不勝數(shù)；機(jī)器人校本課程也不在少數(shù)，不少師生都在呼吁將更多的機(jī)器人知識(shí)編入通用教材。

3.促進(jìn)了信息技術(shù)教師的自我提升

作為一項(xiàng)每年都在更新的教學(xué)內(nèi)容，機(jī)器人教學(xué)具有綜合滲透性、前瞻未來(lái)性、創(chuàng)新實(shí)踐性等很多特性，很多教師也是在興趣的驅(qū)動(dòng)下邊學(xué)邊教，因此，他們最容易接觸信息技術(shù)的前沿知識(shí)，他們承載了學(xué)校教學(xué)改革和未來(lái)人工智能時(shí)代人才培養(yǎng)的重任，在做好基礎(chǔ)機(jī)器人知識(shí)教學(xué)的同時(shí)，他們每年都要研究不同賽事推出的新的比賽項(xiàng)目、新的比賽規(guī)則，了解新的發(fā)展趨勢(shì)，在與學(xué)生的互促互學(xué)中，他們成為了教學(xué)路上的有心人，有一部分可以說(shuō)成為了機(jī)器人教學(xué)的專(zhuān)家。浙江省每年在全國(guó)中小學(xué)生智能機(jī)器人比賽中取得的優(yōu)異成績(jī)，都凝結(jié)了教師的心血，是他們的努力為學(xué)生創(chuàng)造了更廣闊的發(fā)展空間。

三、活動(dòng)問(wèn)題反思

1.參賽師生功利心較強(qiáng)

由于不少學(xué)校針對(duì)中小學(xué)生智能機(jī)器人比賽都有相應(yīng)的激勵(lì)機(jī)制，如對(duì)在全省或全國(guó)獲獎(jiǎng)的師生進(jìn)行精神或者物質(zhì)上的獎(jiǎng)勵(lì)；特別是在全省和全國(guó)獲獎(jiǎng)，對(duì)于高中階段學(xué)生來(lái)說(shuō)，有資格入選有關(guān)高校的自主招生資格或三位一體考試資格，因此，中小學(xué)生智能機(jī)器人比賽帶有一定的功利性。有些參加比賽的師生，僅僅只為了成績(jī)，有的指導(dǎo)老師在比賽時(shí)對(duì)組委會(huì)直言不諱：我們就是沖著一等獎(jiǎng)而來(lái)，如果不獲獎(jiǎng)，對(duì)我們沒(méi)有絲毫意義。每次全省的比賽，仲裁組都會(huì)接到部分因?yàn)檩斄吮荣惗腋鞣N原因來(lái)申請(qǐng)仲裁的指導(dǎo)教師，比賽的矛盾、糾紛都源于十分在意比賽結(jié)果，而仲裁組經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多年來(lái)的有效申訴寥寥無(wú)幾。如何減少比賽的功利性，促進(jìn)賽事健康可持續(xù)發(fā)展是我們面臨的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

2.機(jī)器人廠商介入過(guò)多

目前我們的機(jī)器人比賽項(xiàng)目和規(guī)則一般來(lái)自于機(jī)器人生產(chǎn)廠家，如近幾年，樂(lè)高、納英特、能力風(fēng)暴、中鳴、BOTBALL等廠商設(shè)置的項(xiàng)目已經(jīng)成為全國(guó)和全省的常規(guī)賽事，不少?gòu)S商都在積極爭(zhēng)取將自己的項(xiàng)目納入中小學(xué)校的各項(xiàng)比賽和活動(dòng)。往往在比賽中競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力較強(qiáng)的學(xué)校和學(xué)生，從學(xué)生訓(xùn)練、機(jī)器設(shè)計(jì)到程序設(shè)置，都有廠家在背后做堅(jiān)強(qiáng)的后盾。機(jī)器人廠商的介入，對(duì)于活動(dòng)的發(fā)展存在著利弊兩方面的影響。一方面，生產(chǎn)廠家優(yōu)化了項(xiàng)目和比賽規(guī)則的設(shè)置，將最新的技術(shù)和最新的理念引入比賽，有利于促進(jìn)中小學(xué)了解和把握最前沿的信息技術(shù)，也給了活動(dòng)組織方場(chǎng)地、器材、人力的大力支持；另一方面，廠家過(guò)多介入現(xiàn)場(chǎng)比賽，可能會(huì)影響比賽的公平、公正性，參賽的主體變成了學(xué)生背后支持的力量，而并非學(xué)生本身，這無(wú)疑會(huì)對(duì)部分學(xué)生產(chǎn)生負(fù)面影響。

3.比賽規(guī)則尚有待完善

智能機(jī)器人比賽是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展、每年都充滿了新變化的活動(dòng)，很多項(xiàng)目每年挑戰(zhàn)的主題有所不同，而且這些主題大都根據(jù)實(shí)際問(wèn)題提出，比如這兩年的“未來(lái)農(nóng)業(yè)”、“資源再生”、“火星救援”、“動(dòng)物之友”等挑戰(zhàn)主題，有利于學(xué)生結(jié)合生活發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力。但比賽的評(píng)價(jià)往往單一地以結(jié)果為導(dǎo)向，過(guò)于重視學(xué)生的技術(shù)水平，甚至有時(shí)候是臨場(chǎng)發(fā)揮的水平，這也是導(dǎo)致參賽師生功利心過(guò)強(qiáng)的原因之一。據(jù)參加國(guó)外比賽的老師們反映，國(guó)際機(jī)器人比賽往往在注重創(chuàng)造、設(shè)計(jì)、創(chuàng)意等評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，也注重學(xué)生活力、合作、支持等標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，注重發(fā)掘每一個(gè)參賽學(xué)生的優(yōu)點(diǎn)。近幾年，我們的某些比賽也在向這個(gè)方向靠攏，比如2017年10月浙江省青少年校外教育中心等單位主辦、省教育技術(shù)中心協(xié)辦的“The blast game”競(jìng)技活動(dòng)中，除了常規(guī)結(jié)果表彰，還設(shè)置了合作分享獎(jiǎng)、道德風(fēng)尚獎(jiǎng)、信息傳播獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)，注重結(jié)果的同時(shí)也注重過(guò)程性的多維度評(píng)價(jià)。但這種規(guī)則要想在所有賽事中實(shí)行，對(duì)主辦方提出了較高的要求，目前來(lái)看，還是新的挑戰(zhàn)。

表1 2016年、2017年全省機(jī)器人比賽統(tǒng)計(jì)簡(jiǎn)表

4.區(qū)域校域發(fā)展不均衡

我省中小學(xué)生智能機(jī)器人的區(qū)域校域發(fā)展不均衡性比較明顯。這一方面與活動(dòng)對(duì)資金投入和師資投入的要求較高有關(guān)，因此在區(qū)域經(jīng)濟(jì)水平和教育水平較發(fā)達(dá)的杭州、寧波、溫州等地，對(duì)機(jī)器人教學(xué)向來(lái)比較重視，師生、家長(zhǎng)對(duì)比賽參與的熱情和積極性都較高，成績(jī)也比較令人矚目；另一方面，也與學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)和教師的教育理念支撐有著密不可分的關(guān)系，如應(yīng)試教育理念的影響等等。因此，此項(xiàng)活動(dòng)的群眾基礎(chǔ)既高也不算太高，一直徘徊在相對(duì)固定的區(qū)域和學(xué)校領(lǐng)域。

四、活動(dòng)發(fā)展展望

得益于深度學(xué)習(xí)算法和大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，人工智能在近年來(lái)突飛猛進(jìn)。無(wú)所不在的傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算，讓人工智能像水、電一樣幾乎無(wú)處不在。并且人工智能正在依賴(lài)遷移學(xué)習(xí)，呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢(shì)。斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室主管李飛飛曾經(jīng)發(fā)問(wèn)：AI改變世界，那么改變AI的又是誰(shuí)呢？筆者認(rèn)為，未來(lái)改變AI的群體中，肯定少不了今天熱愛(ài)并積極參與智能機(jī)器人活動(dòng)的孩子們。這些具備了編程思維和編程能力的學(xué)生，在以后的工作和生活中，將自覺(jué)應(yīng)用“AI+”的先進(jìn)思維方式，在人機(jī)協(xié)作時(shí)代占得發(fā)展的先機(jī)。

對(duì)應(yīng)人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，中小學(xué)生智能機(jī)器人活動(dòng)也是方興未艾、蓬勃發(fā)展，并且肩負(fù)人工智能人才培養(yǎng)的重任。據(jù)Linkedln統(tǒng)計(jì)，全球目前擁有約25萬(wàn)名人工智能專(zhuān)業(yè)人才，其中美國(guó)約占三分之一。這樣的人才儲(chǔ)備，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足未來(lái)幾年人工智能快速、穩(wěn)健增長(zhǎng)的宏觀需求。人才供需矛盾顯著，高級(jí)算法工程師、研究員和科學(xué)家的身價(jià)持續(xù)走高。對(duì)應(yīng)這種需求，呼吁將智能機(jī)器人知識(shí)列入中小學(xué)信息技術(shù)通用課程和在中小學(xué)機(jī)器人教室中引入多種多樣的人工智能機(jī)器人的呼聲越來(lái)愈多。

近年來(lái)，浙江省教育信息化的高水平發(fā)展，為中小學(xué)生智能機(jī)器人活動(dòng)普及發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2018年，全省將著力組織開(kāi)展機(jī)器人教室建設(shè)和應(yīng)用培訓(xùn)，培育形成80個(gè)機(jī)器人教學(xué)示范校，機(jī)器人教學(xué)的軟硬件環(huán)境在不斷完善。與此相應(yīng)，機(jī)器人比賽的項(xiàng)目設(shè)置也將在越來(lái)越重視多任務(wù)驅(qū)動(dòng)的綜合技能考查、越來(lái)越重視比賽規(guī)則的優(yōu)化和多維度的評(píng)價(jià)上下功夫。

每年暑期的全國(guó)中小學(xué)生電腦制作活動(dòng)夏令營(yíng)中，作為領(lǐng)隊(duì)，筆者都會(huì)看到孩子們或扛或提或推著自己的比賽工具箱，這其中不乏很多稚嫩的小學(xué)生的面孔，他們?cè)谫悎?chǎng)上進(jìn)行智力、腦力甚至體力的比拼，他們揮灑汗水，收獲喜悅，這對(duì)他們而言，本身就是一種難得的體驗(yàn)，他們也都樂(lè)在其中。真心地希望，這些孩子們中，有越來(lái)越多的人能成為高端計(jì)算機(jī)人才，運(yùn)用“AI+”的思維，為我們創(chuàng)造更加美好的未來(lái)。

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