可重構模塊化機器人與教育產業的融合發展探索

周杰 孫可兒 江源 羅漢杰 沈桂英 倪虹

[摘 要]近幾年國家大力提倡素質教育，機器人教育作為素質教育的重要載體，在各大高校與中小學教育領域應用愈加廣泛。杭州市作為浙江省省會，其機器人教育產業發展迅猛，但與此同時行業內也存在一些問題，導致機器人教育無法在全市普及，而模塊化機器人相較于傳統教育機器人有獨特優勢。文章基于可重構模塊化機器人，為提高機器人教育質量、擴大機器人市場、促進產業發展提出解決思路。

[關鍵詞]教育產業;科教融合;素質教育;可重構模塊化機器人

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2020.31.071

1 引言

隨著我國的教育改革，教育部將素質教育寫入《教育信息化“十三五” 規劃》，在6～16歲少年群體中出現了許多“少年編程班”“少年機器人班” 等機構。素質教育作為未來中小學基礎教育的發展方針，使得機器人教育這一素質教育的載體越來越得到社會廣大教育者的支持。目前教育市場廣闊[1]，如果小孩擁有一個可以互動的實體玩具，他們在5～6歲的時候就有可能理解編程的概念。如今機器人教育的起步年齡偏小，拼搭類機器人教育對象在3～6歲，編程類的在7～8歲。智能機器人將會成為未來制造的奠基，會為未來的戰略性發展提供必不可少的幫助。正因如此，促進機器人教育產業健康發展，對未來的發展起著重要作用。

2 機器人教育發展現狀

2008年，日本內閣府發布了“機器人領域研討會報告”，指出機器人技術融合數學、物理、機械、電子、信息等諸多領域，有助于培養跨領域的綜合型人才。同年出臺的“i-Japan戰略2015”表明應在中小學各學科課堂上利用信息技術，提高學生的學習能力和信息活用能力[2]。美國中小學中課程技術、課外活動、機器人輔助課程等多種方式為機器人技術課程開展提供了強勁動力。而在高校中，機器人教育可以通過課程和學習平臺進行[3]。

我國作為全球市場上機器人需求和應用大國，相關產業的發展速度和潛力十分驚人。但是，由于機器人教育起步較晚，杭州市這一擁有69.9萬名中小學學生的省會城市，機器人教育及市場都存在問題。

2.1 傳統教育機器人無法滿足需求

目前，市場上的人形、輪動、飛行、爬行類教育機器人限于其構形限制，僅能完成單種教學任務，但對于機器人教學目標的不同，適合于低年級的拼裝搭建型機器人，面對高年級學生對機器人系統組成、編程控制、功能實現、傳感器技術等較深層次的了解與實驗需求無法滿足。這意味著學校或培訓機構需要收集、比對、實驗尋找多種機器人用于教學，需要耗費大量時間、精力，這也導致機器人教育難以成為學校主干課程，普及度不高。

2.2 機器人教育師資短缺

由于機器人教育起步較晚，需要學校在課程設計開發、教學模式改革、資源建設等方面投入大量專業師資，導致杭州市多數中小學更重視傳統的升學考試科目，不會過于重視機器人課程，只有少數學生為參加重點高中自主招生選拔才會系統學習，使得機器人教育成為一種“小眾文化”。目前中小學教育中也鮮少有專業機器人教育方向的老師，缺少科學化、專業化、創新化的教師隊伍[4]，培養方向的準確性不足。在杭州以外的偏遠地區僅僅依靠一兩位兼職老師，難以為繼。

2.3 機器人價格高昂

雖然國家早已頒布素質教育課程的標準，但各地的實施狀況大有不同。杭州作為新一線城市，學生能夠時刻接觸互聯網，了解機器人相關知識，但機器人教育作為培養學生動手能力的學科，需要實物訓練。對于多數居民來說，素質教育的效果未顯現。面對孩子基礎教育的機器人需求變化，其動輒上萬的價格、課外培訓與產品更新換代，猶豫不決者不在少數。而學校僅靠公辦經費無法滿足不同年齡段學生的需求與機器人的高損耗，器材與零件的缺乏已成為普遍現象。對偏遠地區來說，更是如此，難以普及。

2.4 機器人教育課程體系不完善

目前學校大部分均以興趣班或社團為主的教學形式，并沒有專門針對機器人的實踐課程，缺少專業教材。根據目前杭州市機器人教育廣告的情況來看，比較有名的機器人教育機構有樂高、樂博樂博、達內童程童美等，課程主要針對低齡孩童以搭建模型為主，教學深度不夠。學校與培訓機構培養目標的脫節與教學體系的不完善，造成大部分學生無論在課內還是課外外都難以系統接觸機器人知識。造成學生創新思維搭造上的不完善，不利于學生從小學習并且慢慢形成這方面的知識體系。

3 可重構模塊化機器人介紹

可重構模塊機器人由一套按分類設置的零件庫，模塊化控制系統庫組成，通過這些模塊能在短時間內按照需求組裝出最適用于給定任務的機器人[5]。其具備以下三方面特點：

第一，本機器人利用模塊之間的聯斷操作和相互運動來自動改變整體構形，擴展運動形式，可以完成多種運動及任務需要，充分滿足客戶需求。

第二，零件庫可獨立組裝，也可與控制系統庫組合完成任務，兩者相互獨立，一套組件可供多個用戶使用。

第三，維修方便，發生故障時，相較于傳統機器人的專業人員維修不可擅自拆卸，本機器人只需將損壞模塊進行更換即可重新開始工作。

4 模塊化機器人的科教融合

在國家提倡素質教育的大背景下，機器人教育作為其中一環，發揮著重要作用。但杭州市由傳統教育機器人為主流的產品已無法滿足市場需求。因此，如何利用可重構模塊化機器人與其衍生產物，對杭州市機器人教育產業的改革創新有著重要意義。

4.1 可重構模塊化機器人助力需求與發展

充分發揮本機器人按分類設置的零件庫，模塊化控制系統庫的優勢。低年級學生使用零件庫搭建多形狀機器人，通過搭建培養學生的思維能力。高年級學生根據可重構性，通過多模塊應用與機器人編程，加深了解。有利于實現教學效果的最優化，對促進新教學模式構建起推動作用。另外，通過本機器人強大的環境適應性，解決學校多層次、多種類、多目標的機器人需求，為普及機器人教育提供了契機。

4.2 分地域、分手段、分情況助力師資建設

西湖區通過推廣虛擬機器人項目搭建平臺，減少了成本，有效促進各校交流。[6]由于各地學校與經濟實力的差異，通過這種經驗，在經濟發達地區，利用科研團隊專業知識，線下組織老師教學培訓班，線上通過建立慕課資源為各學校師資培養助力。在偏遠地區，存在機器人學科與師資建設困境情況[4]，可通過網絡平臺、虛擬機器人等項目加強學校間、區域間的合作。對信息技術、勞技等具有一定專業知識的教師進行培訓，緩解師資短缺。

4.3 分層次機器人系列助力多元發展

利用模塊化的優勢研發針對性機器人系列，對靠分階段教學包配合使用。在家庭方面推出家庭包，模塊少，價格低，適合學生自學，根據需要可升級添加模塊，解決家長因產品換代快、花銷大造成的尷尬。培訓機構自己選擇適量模塊化組件，降低機構基礎成本。各學校根據教學方案，定制模塊，滿足多年級學生的需求，將利用率最大化，降低學校因教學的不同需求造成辦學經費上的負擔。面對因機器人數量少造成的高損耗率時，易重構的特性也可緩解學生與教具數量不對等的現象。

4.4 分階段課程包助力課程體系建設

由政府牽頭提供政策支持，科研團隊與知名機器人教育公司合作，結合學校情況，利用社會資本的積極性，研發成體系的階段化教學方案與成熟的實踐平臺。學前教育及小學階段，通過教學視頻學習圖像化編程。初高中階段，以搭建與編程相結合，基于Arduino這類易學語言，學習機器人控制。既可應對素質教育需要，也可用于新高考課程建設。將該體系推廣，列裝于學校，鼓勵培訓機構采用，解決各學校、機構與學校間因培養方案不同而造成交流上的障礙與脫節。

4.5 機器人教育體系

以培訓構建學校與機構師資，以產品推動課程教育反饋意見，以意見完成產品迭代升級，建立獨有可重構模塊化機器人教育體系流程，促進機器人教育的良性發展。

5 結語

雖然目前機器人教育市場存在諸多不完善，但隨著我國因人口紅利消失、多領域機器人的推廣以及迫切面臨由“中國制造”到“中國創造”的產業轉型需要，未來的人才需求也將偏向創造、思維型，而機器人教育培養學生創造與動手能力的特點，也將得到國家更大的支持。相信在不久的將來，伴隨人工智能與其他先進科技的應用，教育機器人也將更加智能化，市場也將更加規范化、合理化和普及化。

參考文獻：

[1]MICHELLE，GOODMAN， 魯行云. Play-i：教兒童編程的機器人[J].創業邦，2014（11）：49.

[2]王凱， 孫帙， 西森年壽，等. 日本機器人教育的發展現狀和趨勢[J].現代教育技術， 2017（4）：6-12.

[3]王益， 張劍平. The Features of Robotics Education in USA and Its Inspiration to China[J].現代教育技術， 2007， 17（11）：108-112.

[4]上菲菲， 劉鳳娟. 欠發達地區中小學機器人教育研究——以漢中市為例[J].中國現代教育裝備， 2018， 296（16）：67-70.

[5] 劉明堯， 談大龍， 李斌. 可重構模塊化機器人現狀和發展[J].機器人， 2001， 23（3）：275-279.

[6]許海燕. 杭州市西湖區區域推進機器人教育實踐探索[J].實驗教學與儀器， 2015， 32（2）：63-65.

[7]谷明信. 機器人教育在應用型本科院校的實踐與探究——以重慶文理學院為例 [J].教育教學論壇， 2017（31）：121-122.

[基金項目]2019 年浙江省大學生科技創新活動計劃暨新苗人才計劃立項項目（項目編號：2019R426048）;杭州師范大學錢江學院院級科研項目（師生共研專項項目，項目編號：2020QJXS71）。

[作者簡介]周杰 （1999—），男，浙江寧波人，本科，研究方向：自動化機器人;羅漢杰（1999—），男，浙江衢州人，本科，研究方向：自動化機器人;孫可兒（2000—），女，浙江衢州人，本科，研究方向：財務會計理論和方法;江源（2000—），女，安徽蕪湖人，本科，研究方向：財務會計理論和方法;通訊作者：倪虹（1982—），女，湖北天門人，研究生，講師，研究方向;仿生機器人。