針對工科類大學生的教育機器人教學實踐探究

李映 孫令真 劉杰

摘 要： 本文介紹了教育機器人并講解了應用教育機器人教學的意義。結合工科類大學生教學主流模式及其發展方向，分析教育機器人的結構組成及特點，提出了八點相應的改革措施。最后對未來教育機器人進行展望。

關鍵詞： 教育機器人;創新能力;STEM

中圖分類號：G40-057? 文獻標識碼：A

1 緒論

2018年8月15日，劉鶴副總理在2018世界機器人大會上的講話強調：“機器人是當前科技變革的最重要領域之一，最領先的國家、最活躍的投資者和最富有想象力的人們都大顯身手，這將對人類社會的生產模式和生活方式產生深刻影響。”[1]一個國家的競爭，很大程度上體現在人才的競爭;當代社會的發展，對具有創造性解決現實問題能力的、能滿足社會需要的人才迫在眉睫。當前，機器人在教育領域的應用和發展發揮著無可比擬的作用。

根據應用領域的不同，機器人可分為工業機器人和服務機器人，其中教育機器人屬于面向教育領域的專業服務機器人。教育機器人是一個典型的機電一體化產品，它融合了教育學、數學、物理、機械、電力電子、傳感器、計算機軟件、硬件和人工智能等眾多領域的科學與技術知識，具有突出的多學科交叉融合的特性和科學探究性特點。[2]為培養具有創造力，解決現實問題的能力，具有STEM素養（STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineer）、和數學（Math）四門學科英文首字母的組合）的人才，提供一個良好的平臺。

2 國內外教育機器人研究現狀

目前，在英、美、日等發達國家，教育機器人已經得到廣泛的應用。在學校，上至高等院校，下至中小學、幼兒園，教育機器人除了被用作競賽這類課外活動，還引進課堂，作為教具輔助課堂教學。Pleo、Lego等品牌的智能教育機器人，是孩童的好同伴，寓教于樂地引導學生學習語言、生活、社交、科學等知識;網龍華漁的未來教師以課堂機器人助教的身份，協助教師完成課堂輔助性和重復性的工作;日本東京理科大學Saya教師，能根據不同的教學情境，獨立完成一門課程的教學，并達到良好的教學效果。在家里，Jibo、Pepper、Buddy實體化為家庭智能助理，解決家庭生活的各項問題以及提供相關服務，并可以個性化的作為學習服務的助理;Zora Bot是老人的專業陪護伴侶，具有娛樂、腦力訓練、復健教學等功能。工業上，Baxter能培訓企業內專業人員，如工業制造的培訓能滿足生產線的需求。公共服務上，Robotronics傳遞安全教育知識。

國內教育機器人的開展已有近十幾年的時間，但極少用在日常課堂教學中。針對工科類大學生的機器人教學發展起步較晚、發展滯后，因此在髙校尤其是高校工科學院開展機器人教育是一個亟待解決的問題。2016年教育部出臺的《教育信息化“十三五”規劃》中明確指出要有效地推進STEM教育。[3]針對工科類大學生開展教育機器人教學實踐活動，將有助于培養學生成為具有STEM素養的人才。學生可以多維度地了解熟悉機器人、控制技術和人工智能等工程概念，系統地綜合地應用機械、電子、傳感器和信息等工程科學技術，還能培養創新實踐能力、設計能力及團隊合作能力。

3 教育機器人的組成及特點

教育機器人主要包括執行機構、驅動-傳動裝置、檢測與監控系統和控制系統四部分組成。執行機構是完成工作任務的實體，通常由桿件和關節組成。驅動-傳動裝置與機器人執行機構連成機械本體，為機械本體運動提供能量。檢測與監控系統通過各種檢測器、傳感器，檢測機械本體的運動狀況，根據需要反饋給控制系統。控制系統相當于人的大腦，對驅動-傳動裝置進行控制，使執行機構按照要求進行工作。控制系統一般由控制計算機和伺服控制器組成。控制計算機發出指令，協調各關節的運動，同時還要完成編程、示教-再現以及各設備間的信息傳遞和協調工作。[4]教育機器人分為可編程與不可編程機器人，其中可編程又分為示教再現編程和離線編程。

教育機器人主要應用在教育領域，具有跨多學科、多領域研究的特點，是為培養綜合性，能對現實問題進行分析、解決的人才而專門研發的。一般具有教學適用性、易教益學、良好的性價比、可擴展性和開放性等特點。模塊化教育機器人還可以根據實際需要方便的增、減功能模塊，學生還可以進行自主創新。[5]教育機器人未來的發展方向是如同真人一樣，能與人交流互動、能學習思考和靈活動作。語音識別技術、人工智能和仿生技術是未來發展教育機器人的關鍵技術。

4 工科類大學生教學現狀與應對措施

工科類大學生是適應時代的發展，滿足社會的需求的人才，是綜合性的、寬口徑的復合型人才。工科類大學生應該能系統地綜合地應用所學專業科學知識和技能來解決問題。工科類大學生所學課程是跨眾多領域的，如機械工程、電力電子技術、軟件工程和信息技術。這些學科要求學生能將理論知識應用于實踐過程當中，培養的人才是技能型人才，通常學生需要通過實際訓練等方式來鞏固所學知識，提高學生的專業技能水平和團隊協作能力。

然而，工科類大學的教學方式更多是以老師課堂講解為主，而很多技術知識是比較抽象的，沒有相應的模型學生難以理解和掌握。將教育機器人作為模型教具引進課堂，教師現場演示講解機械原理、機械設計、與傳感器檢測與控制等專業基礎知識，學生會更好的理解和熟悉掌握工科類基礎知識。[6]機器人教具組裝套裝，激發學生對機械、電力、信息技術等相關專業課程的學習興趣和動力，如：機械原理、機械設計、機械傳動、自動控制原理、傳感器與檢測裝置等工科類課程，不僅讓學生系統的理解所學知識，還可以培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。提高學生的動手能力和創新意識。機器人的控制，為大學生提供一個集成的編程平臺，更好的學習程序語言設計、面向對象程序語言編程等課程。

針對工科類大學生教育機器人教學實踐活動可以采用以下措施：

（1）構建完善的教學研體系，應該研發出標準化體系化的教學模式，打磨出優質的教育機器人產品。

（2）線上線下課程結合，線下互動學習，激發興趣，培養創新思維;線上練習，強化訓練，提升邏輯思維。除了將教育機器人引進線下課堂，以其作為教具，系統講解機器人技術的基礎知識以及發展歷程、軟硬件組成、不同領域的應用、未來的發展趨勢和展望等，讓學生更加直觀的了解機器人的重要組成部分，掌握機械、傳感器、控制等相關知識。同樣要將線上課程垂直化，重點在直播課、錄播課垂直內容的打磨，以趣味性、吸引力和互動性扭轉用戶習慣，優化線上體驗。

（3）具有整套打包解決方案，教育機器人教學實踐的需求不僅僅是教育機器人系統平臺和課件，還應該在師資培養、師資教學等方面有一整套的打包解決方案。

（4）讓學生初步了解機器人技術的內涵，由“淺到深”、“點到面”、“少數帶動多數”地去探究機器人的奧秘及其具有前瞻性的關鍵技術。可以舉行不同主題的系列講座、開設相關的選修課程。

（5）根據相關專業課程特點，增加課程設計、畢業設計等教學環節，讓學生在做項目中學習。

（6）組織大學生、專業科研人員以及機器人愛好者參加各類科技創新活動和機器人比賽。在研制中學習并提高。

（7）搭建教育機器人創新教學平臺：

通過基于創新教學平臺，對教育機器人零部件進行裝配、調試來熟練掌握機械系統的設計與制作。模塊化教育機器人由不同的套件組合而成，不同模塊可以方便地、自由地、創意地組合。學生可以發揮想象力和創新精神，對教育機器人進行結構設計;

通過基于創新教學平臺，學生可以通過單片機或者嵌入式等形式進行電路控制系統設計，鞏固學生控制方面的知識，提高學生的動手能力和創新思維能力;

通過基于創新教學平臺，學生可以通過圖形化編程語言或者程序語言進行控制系統設計，鞏固學生軟件方面知識，培養學生的算法與程序設計能力。提高學生邏輯思維能力。

另外，可以通過傳感器技術、以及可拓展模塊，來改善機器人功能，提高學生的創新實踐能力。

（8）開發教育機器人虛擬平臺，通過計算機圖形技術，在計算機上構建教育機器人系統的物理模型，并可以對其進行編程和、仿真、校驗和優化等操作。學生可以不占用現實的教育機器人學習。

5 總結與展望

針對工科類大學生，培養有知識、有能力、有素養的創新型、實踐型人才，是時代發展的需求，是教育改革的方向。教育機器人活動知識覆蓋面廣、能力鍛煉多樣、情感體驗豐富，應用教育機器人教學將適合新時期的要求，必將為我國的素質教育做出應有的貢獻。教育機器人的前途是光明的。目前，教育機器人得到越來越多的人的關注，盡管市場上出現了不少產品，但還只是拉開了教育機器人大發展的序幕，依然還有很大的發展空間。

參考文獻：

[1]劉鶴：推動全球機器人領域開放合作發展，更好造福人類社會[OL]..

[2]高海濤，韓亞麗，郝飛，朱松青;應用教育機器人培養大學生創新實踐能力的探索與實踐[J].科教文匯（上旬刊），2013-03-10.

[3]教育部關于印發《教育信息化“十三五”規劃》的通知[J].蘇州教育信息化，2016（03）：7-11+18.

[4]韓鴻鸞，工業機器人與數控加工的集成[J].金屬加工（冷加工），2016-02-15.

[5]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（12）：65-68.

[6]王玉玨.我國高校工科機器人教育發展現狀及對策研究[D].蘭州大學，2013.