中小學模塊化機器人教育探究*

黃芹 陶云 王玉金 吳昌林

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中小學模塊化機器人教育探究*

黃芹1陶云[通訊作者]王玉金2吳昌林2

（1．云南師范大學 教育科學與管理學院，云南昆明 650500；2．華中科技大學 機械科學與工程學院，湖北武漢 430074）

針對目前中小學機器人教育理論體系不完善、師資力量薄弱、城鄉發展失衡、教育機器人標準不統一等問題，文章基于發明問題解決（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ）理論，構建了中小學機器人教育問題解決模型，并推導得出了以模塊化機器人來推進中小學機器人教育的策略。在此基礎上，結合認知發展規律，文章構建了模塊化機器人教育課程體系。以模塊化機器人作為機器人教育的載體，既是解決目前我國中小學機器人教育困境的有效途徑，也對我國中小學機器人教育的健康、規范和可持續發展起著積極的促進作用。

機器人教育；模塊化機器人；TRIZ理論；中小學

機器人教育是推進科學素質教育的重要途徑，不僅可以有效激發學生的學習興趣，培養其團隊協作能力、系統性思維和創新思維等，而且對機器人學科的發展也有巨大的促進作用[1][2]。目前，國際上對機器人教育的重要作用已普遍達成共識，各種機器人比賽日益盛行，面向微課、創客教育的新型機器人教學模式正在成為研究的熱點[3]；我國對機器人教育的重視程度也不斷提高，而《基礎教育信息技術課程標準（2012版）》、《機器人學中小學課程教學指南》、《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》等文件的出臺，更是極大地推動了我國中小學機器人教育的進程。在此背景下，本研究針對中小學機器人教育的現狀，進行了中小學模塊化機器人教育的相關探索。

一 中小學機器人教育的現狀

1 中小學機器人教育的形式

理論與實踐并重是機器人教育的主要特征，即在強調動手實踐獲取直接經驗的同時，也注重機器人原理性知識的學習，盡量讓學生對機器人有一個科學、系統、全面的認識。目前，中小學機器人教育主要有競賽和教學兩種形式（如表1所示）[4]，比較流行的教育機器人產品有樂高、廣茂達、納英特、諾博特、惠魚、愛科星、未來之星、Arduino開源機器人等。

表1 中小學機器人教育的主要形式

2 中小學機器人教育面臨的困境

目前，國內外的中小學機器人教育都處于起步階段。中小學機器人教育在具體實施的過程中并非一帆風順，其面臨的困境主要體現在以下幾個方面：

①機器人教育理論體系不完善。機器人教育理論體系涉及教育理念、教學目標、教材與內容、教學方法與策略、教學資源、教學評價等方面。目前的機器人教育理論體系還遠不夠完善[5]，而且中小學生的基礎知識和認知發展水平有限，許多教師對于如何將機器人技術理論體系應用到教學實踐中也感到茫然，而通常采取以競賽代替教學的做法，這就忽略了機器人教育對學生素質教育和可持續發展的重要意義。機器人教育理論體系的不完善，使得機器人教育無法與課堂教學進行深度融合。

②中小學機器人教育師資力量薄弱。開展中小學機器人教育對師資的要求較高，不僅要求教師有扎實的專業知識，還需其具備較強的動手實踐能力和綜合運用能力。然而，目前中小學機器人教育課程大多由其它學科教師兼任，教師的相關專業知識水平普遍不高，課時也得不到保障。雖然國內一些師范院校積極開展了小學教育本科專業機器人方向的有益探索和實踐[6]，但由于機器人技術知識體系的跨學科性，加上師資培養周期長、難度大，故師范院校機器人教育師資培養的成效并不顯著。缺乏專業師資已成為中小學開展機器人教育的“瓶頸”，并使機器人教育在中小學呈現出逐漸邊緣化的趨勢。

③中小學機器人教育城鄉發展失衡。農村中小學機器人教育是落實機器人普及教育的關鍵一環。但在我國多數偏遠地區，教育部門并沒有設立科技教育項目賬戶，學校科技教育經費的劃撥與使用均缺乏制度性保障，學校可利用的軟硬件教學資源也遠遠落后于城市地區，這嚴重制約了農村中小學機器人教育的普及與發展。在經費緊、器材少、師資弱的情況下，農村中小學機器人教育的普及與發展任重而道遠。

④教育機器人標準不統一。教育機器人是機器人教育的載體，具有統一標準的教育機器人可以減少經費的投入[7]。然而，目前市場上的教育機器人種類繁多、標準不一，學校和學生被迫不斷補充、購買器材，以適應不斷變化的機器人比賽主題和規則，造成了教育資源的浪費。

二 基于TRIZ理論的中小學機器人教育問題解決模型與推進策略

1 基于TRIZ理論的中小學機器人教育問題解決模型

TRIZ理論是基于專利分析提出的用于解決發明創造問題的方法論，其核心是采用系統化的解題流程來消除矛盾，從而推動問題從初始狀態向目標狀態發展[8]。Marsh[9]、周琴等[10]將TRIZ理論引入教育領域，采用40條創新解決理論解決教育領域中存在的問題和矛盾，極大地拓展了TRIZ理論的應用范圍。

將TRIZ理論應用到機器人教育中，可實現問題的創造性解決。通過對中小學機器人教育現狀進行分析，可以得到TRIZ的初始狀態空間：＝{1,2, …,v}＝{理論體系不完善，師資力量薄弱，城鄉發展失衡，教育機器人標準不統一}。由此，可以推出機器人教育的目標狀態空間：＝{1,2, …,u}＝{理論體系完善，師資力量雄厚，城鄉發展均衡，教育機器人標準統一}。基于TRIZ理論解決機器人教育中存在的問題，就是尋找一個未知算子:，使得u＝(v)，即確定一條由初始狀態v到達目標狀態u的路徑。

基于上述解題思路，本研究利用TRIZ理論中的分割、普遍性、重力補償、曲面化、反饋、復制等原理，來解決中小學機器人教育中存在的問題，由此構建了基于TRIZ理論的中小學機器人教育問題解決模型，如圖1所示。該模型從中小學機器人教育現狀出發，以機器人教育面臨的四大困境構建問題的初始狀態空間，進而根據相應的解決原理[11]，推導得出問題的最終理想解，即中小學機器人教育的推進策略——模塊化機器人。

圖1 基于TRIZ理論的中小學機器人教育問題解決模型

表2 TRIZ解決原理及其領域解的詳細解讀

圖1中的編號表示TRIZ解決原理及其相應的領域解，其中數字表示解決原理、字母表示領域解，其詳細解讀如表2所示。

2 模塊化機器人

基于TRIZ理論進行模塊化機器人教學，可以有效推動我國中小學機器人教育的進程。模塊化機器人是由多個自治模塊組成的可重構機器人，每個模塊配備傳感器、驅動器等，具有計算和通信能力，可通過模塊之間的自動連接或脫離來改變其拓撲結構，以執行不同的任務，有很強的環境適應性。根據拓撲結構的不同，模塊化機器人可分為鏈型、網格型、混合型；而根據模塊構型的不同，模塊化機器人又可分為同構和異構兩種類型[12]。由美國施樂帕克研究中心（Xerox Palo Alto Research Center）開發的同構型PolyBot模塊及其機器人系統[13]如圖2所示。

圖2 PolyBot模塊及其機器人系統

模塊化機器人具有開放式結構，主要體現在軟件的可移植性和硬件的可擴展性兩個方面。其中，可移植性主要指軟件程序經過簡單的修改后，可移植到不同的操作系統和硬件平臺上，并可重復使用；可擴展性主要表現為硬件的即插即用，并且系統允許硬件模塊和傳感器進行增減。將模塊化機器人應用于中小學機器人教育之中，其優勢主要如下：

①成本低，便于推廣。模塊化機器人僅采用一種或兩種模塊組成機器人系統，開發成本和時間大大縮減。此外，模塊可批量生產，其硬件成本將大幅下降；當模塊損壞后，可采用相同模塊迅速更換，不必再重新購買新的機器人。

②采用即插即用的開放式結構，便于形成統一的技術標準，從而規范教育機器人市場。只有標準統一、市場規范，才能形成公平的教育環境，實現中小學機器人教育的健康發展。

③具有很強的柔順性和容錯性，便于構造不同類型的機器人。如通過對模塊的增減，可構造出足式、履帶式、蠕動式等不同類型的機器人，能滿足機器人教學和機器人比賽的需要，并滿足機器人教育多樣化的需求。

④可迅速培養起一批能夠勝任中小學機器人教育的師資。學習并應用機器人技術對于師范院校學生來說比較困難，但采用模塊化機器人，可將課程的難易程度與機器人的智能化程度相對應，并可設置成螺旋上升式課程，從而降低了師資的培養難度。

⑤由于模塊化機器人的開放性和可擴展性，使得基于模塊化機器人來構建符合認知發展規律的可持續發展機器人教育體系成為可能。可以預測，模塊化機器人將能適應嬰幼兒階段、中小學階段乃至高等教育階段的機器人教育。

三 構建模塊化機器人教育課程體系

模塊化機器人作為一類特殊的機器人，其教育課程需要具有科學性和系統性；同時，機器人教育應該以學生的認知發展規律為基礎[14]，在不同的學習階段做好內容的銜接，形成可持續發展的機器人教育體系。為此，本研究在提出中小學機器人教育的推進策略——模塊化機器人的基礎上，結合認知發展規律，構建了模塊化機器人教育課程體系，如圖3所示。

圖3 模塊化機器人教育課程體系

1 不同階段對應的模塊化機器人教育

①嬰幼兒階段（0～6歲）：認知發展主要表現為由感知運動階段發展到前運算階段，嬰幼兒通過觸覺、聽覺、視覺等建立起對客觀物體大小、形狀、顏色、方位、運動等的認知，并逐步發展語言能力和社會性交往能力。嬰幼兒階段的機器人教育主要以象征性游戲為主，通過購買已完成組裝或家長自行組裝的模塊化機器人供孩子玩耍，以促進其動作和語言發展；或通過同伴間的機器人游戲互動，發展其同伴關系。

②小學階段（6～12歲）：認知發展處于具體運算階段，以具體形象思維為主，兒童心理處于快速、協調發展時期，對客觀世界具有強烈的好奇心和探究欲望，是促進智力發展和培養良好個性的好時機。小學階段的機器人教育以培養學習興趣為主，教師在具體教學上宜充分發揮模塊化機器人積木式和即插即用的優勢，讓學生自己動手搭建模塊化機器人模型，并以任務（如機器人越障、爬坡、搬運物體等）為驅動，利用手柄、遙控器等完成小組協作和比賽，以在團隊協作與比賽中發展智力，培養同伴關系。

③初中階段（12～15歲）：認知發展處于形式運算階段，抽象邏輯思維快速發展，以形式邏輯思維為主導。初中階段的機器人教育要求學生能夠運用機械裝置、電子裝置、傳感器裝置等，自主增減傳感器模塊，完成信息的采集；能夠采用圖形化的編程軟件完成機器人程序的編寫，理解程序的基本結構，鍛煉邏輯思維能力。

④高中階段（15～18歲）：辯證邏輯思維開始快速發展，但水平仍低于形式邏輯思維。高中階段的機器人教育要求學生了解機械傳動與單片機基本知識，能制作簡易機器人，具體包括：在硬件上，要充分利用模塊化機器人可擴展性的特點，通過對模塊的不同組合，學習機械傳動的相關原理；在軟件上，要利用模塊化機器人開放性的特點，充分利用網絡共享資源，學習機器人編程知識，并運用C、C++、MATLAB等語言完成簡易程序的編寫與燒錄。

⑤高等教育階段（18歲后）：以辯證邏輯思維為主導，認知發展水平逐漸趨于穩定。在高等教育階段（主要指大學和研究生階段），機器人教育的主要目的是應用與開發機器人系統，為此，學生要基于模塊化機器人學習機構學、運動學、動力學、控制、機器視覺、人工智能、機器學習、人機共融等多方面的知識，為開發服務機器人、醫療與康復機器人、仿生機器人、生物機器人等新型的機器人做好知識儲備。

2 模塊化機器人教育課程體系的特點

模塊化機器人具有成本低、入門難度低、開放度高、可擴展性強、智能化程度可持續升級等優點，而且集娛樂、比賽、課堂教學于一體，是解決目前我國中小學機器人教育困境的有效途徑。將模塊化機器人作為中小學乃至大學、研究生階段機器人教育的載體，對于推動我國機器人教育的健康、規范、可持續發展有著積極的作用。在本研究構建的模塊化機器人教育課程體系中，教學內容從易到難，循序漸進，既有動手實踐內容，又強調理論知識的學習，注重學生的全面發展和可持續發展；同時，該體系將教學內容按照機器人的智能化程度進行等級劃分，使教學內容與學生各個階段的認知水平緊密結合，符合最近發展區理論，促使學生在教師的指引下或小組的合作中激發創造潛能，培養創新思維和創新能力。

四 小結

本研究通過對中小學機器人教育的現狀進行分析，基于TRIZ理論提出了機器人教育困境的解決策略，即采用模塊化機器人作為我國機器人教育的載體。在此基礎上，本研究結合認知發展規律，構建了可持續發展的模塊化機器人教育課程體系。在當下國家創新教育改革中，創新人才的培養是關鍵，但創新人才的培養并非一朝一夕之事，而是需要巨大的經費投入和廣大教育工作者堅持不懈的努力與積累。而模塊化機器人教育可以縮短創新人才培養的周期、減少教育經費的投入、加速師資培養、促進農村地區機器人教育的公平，是創新應用型人才培養體系的重要組成部分。需要指出的是，本研究構建的模塊化機器人課程體系還不夠完善，有待教育工作者不斷豐富其內容，并在教育實踐中去檢驗。此外，我國中小學機器人教育在推進的過程中也不可避免地會遇到很多挫折，這需要廣大科研工作者與一線中小學機器人教師緊密合作，積極應對各種挑戰，從理論和實踐層面推動中小學機器人教育研究的不斷深入。

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Research on the Modular Robot Education in Primary and Middle Schools

HUANG Qin1TAO Yun1[Corresponding Author]WANG Yu-jin2WU Chang-lin2

To solve the problems of imperfectly theoretical system, weak teacher resources, unbalanced development between urban and rural areas, inconsistent standards of educational robots, this paper established the problem-solving model of the robot education in primary and middle schools based on the Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch (TRIZ) theory. In addition, the strategy of using modular robots to promote the robot education in primary and middle schools was proposed. Based on this strategy and combined with the law of cognitive development, the curriculum system of the modular robot education was constructed. Using the modular robot as the supporter of the robot education could be an effective method to solve the predicament of the robot education in primary and middle schools and motivate to the healthy, normative and sustainable development of the robot education.

robot education; modular robots; TRIZ theory; primary and middle schools

G40-057

A

1009—8097（2018）07—0113—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.07.016

本文受國家自然科學基金“基于閉鏈弓形五連桿的四足機器人動態翻滾機理研究”（項目編號：51275363）、自然科學基金“民族雙語者的認知控制”（項目編號：31660282）、云南師范大學研究生科研創新基金“感知可用性評價中的情感狀態研究”（項目編號：2017019）資助。

黃芹，在讀碩士，研究方向為教育心理學、認知心理學，郵箱為husthuang2019@163.com。

2017年11月11日

編輯：小米