中國機器人教育

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機器人教育的現狀、問題與推進策略

收藏本信息編號:14 發布時間:2011-02-15 截止日期: 地區:北京市.東城區

 

機器人教育:現狀、問題與推進策略
 

張劍平,王益
(浙江師范大學 教育技術系,浙江 金華 321004)

 

摘要教育機器人是進行信息技術教育的有效載體,機器人教育旨在培養學生的創新精神和綜合實踐能力。隨著我國基礎教育信息化的發展,機器人教育正越來越被人們所關注。本文在闡述教育機器人概念和角色定位的基礎上,分析了機器人教育的現狀和面臨的問題,并從產品研發、教育應用、標準研制、協作研究等方面提出推進機器人 教育的若干設想。

關鍵詞教育機器人;機器人教育;標準;現狀;問題;推進策略

一、教育機器人及其角色定位

機器人是一種能夠通過程序控制,自主完成某類任務的機器系統,機器人的應用范圍十分廣泛,可以用于工業、農業、醫療、空間探測、教育領域等等。教育機器人則是一類應用于教育領域的機器人,它一般具備以下特點:首先是教學適用性,符合教學使用的相關需求;其次是具有良好的性能價格比,特定的教學用戶群決定了其價位不能過高;再次就是它的開放性和可擴展性,可以根據需要方便地增、減功能模塊,進行自主創新;此外,它還應當有友好的人機交互界 面。

事實上,教育機器人也是一種十分典型的數字化益智玩具,適用于各個年齡階段的人群,并且能夠以不同角度、通過多樣的形式發揮其教育功能,達到 "寓教于樂"的目的。

1.教育機器人作為家庭的益智玩具

(1)作為幼教工具

孩子是天生的學習者,孩子們在"玩"的過程中,探索、體驗著屬于他們的世界。玩具直接影響到孩子的性格、興趣和愛好。使用教育機器人作為幼教 工 具,可以讓孩子承擔更錯綜復雜的探索并促成其全面發展。傳統的幼教工具,如電子書,與孩子的交互有限,而且大多是固定的,孩子一般只是簡單地使用這些工具,而不能對工具本身做任何政動。與傳統的幼教工具相比,教育機器人有較強的交互性,交互形式多樣,對于兒童來說也不容易產生厭煩感。

教育機器人作為幼教工具,使用形式靈活多樣:

它可以作為兒童的伴侶,獨生子女沒有兄弟姐妹共同生活,容易形成感情上的"自我中心,不善于交流,不善于同情,不善解人意,缺少助人為樂的品質和行為。 而教育機器人可以充當兒童伴侶,在一定程度上緩解獨生子女的以上問題,例如索尼公司的"AIBO機器狗",玩偶欣帝(Cindy Smart)等等。教育機器人還可以作為知識獲取工具,例如諾博特公司的"智能故事佬"。教育機器人也可以作為培養創新能力的工具,例如樂高公司的機械系列、能源系列等等。

(2)作為成人的玩具

教育機器人也可以開拓成年人的思維。時代 志2006年2月的封面文章是"透視GOOGLE這個一千億美元的公司,他們的奧秘在哪里? "該雜志的記者在采訪GOOGLE的創始人Sergey Brin和Lar-ry Page時,他們的會議桌上堆滿了樂高積木,兩位創始人均為樂高機器人的愛好者, Page小時候曾使用樂高搭建出了一臺打印機,他說這件事給了他無限的自信心。在與記者交談過程中,Page的于一直沒有離開他正在設計的樂高樓梯,同時Brin也在用樂高機器人套裝設計一個原子能發電站·…..該雜志所發表的這篇文章的第一句話就是"……GOOGLE是否還可以繼續他們的發展兩位創始人希望從樂高積木中得到更多的靈感·…"

2.教育機器人作為學校課外活動的載體

研究表明,傳統的學校教育是對科學達到概念性理解的主要渠道,但課外的非正式教育即課外活動對于科學知識的學習也有相當大的影響。課外活動不受教學計劃、教學大綱和教育形式的限制,活動的范圍比較廣泛,內容也很豐富。教育機器人作為學校課外活動的載體,不僅使課外活動同時具有科學性和趣味 性,而且可以培養學生的創新精神、綜合實踐能力和協作能力。

當前,教育機器人相關的課外活動形式主要包括:課外興趣小組,以小組為單位,進行組裝與程序的編寫,組成完成某種功能的機器人;各種層次和類型的機器人競賽等等。該類活動對于學生創新精神、創新意識與創新能力的培養有著積極的意義,通過該項活動孩子們可以進行計算機編程、工程設計、動手制作與技術構建,同時也可以結合他們的日常觀察、積累,去尋求自己最完美的解決問題的方案,發展自己的創造力。

3.教育機器人作為基礎教育課程教學的載體

機器人技術綜合了多學科的發展成果,代表了高技術的發展前沿,機器人涉及到信息技術的多個領域,它融合了多種先進技術,沒有一種技術平臺會比機器人具有更為強大的綜合性。引入教育機器人的教學將給中小學的信息技術課程增添新的活力,成為培養中小學生綜合能力、信息素養的優秀平臺。

有專家認為,"智能技術是信息技術領域的一個學術前沿,智能機器人的開發與應用全面涉及感測技術、通信技術、智能技術和控制技術,是進行信息 技術教育的最佳載體,也是全面培養學生信息素質提高其創新精神和綜合實踐能力的良好平臺。"

4.教育機器人產品據不完全統計,目前國內的教育機器人產品近20種,其中常見產品的如下表所示(排列不分先后)。

二、機器人教育及其現狀

1.概況

所謂機器人教育,通常是指學習機器人的基本知識與基本技能,或利用教育機器人優化教育教學效果的理論與實踐。 2002年在北京召開的"關注中國未來的競爭力一一兒童數字化啟蒙"研討會上,與會專家一致認為,將數字信息技術介入到傳統的幼教方式中去,利用有效的手段與工具對兒童進行數字化啟蒙,關系到兒童未來的成長和中國未來的競爭力。

在國外,機器人教育一直是個熱點:早在1994年麻省理工學院(MIT)就設立了"設計和建造LEGO機器人"課程(Martin) ,目的是提高工程設計專業學生的設計和創造能力,嘗試機器人教育與理科實驗的整合;麻省理工學院媒體實驗室"終身幼兒園"項目小組開發了各種教學工具,通過與著名積木玩具商樂高公司的緊密合作,該項目組開發出可編程的樂高玩具,幫孩子們學會在數字時代怎樣進行設計活動。同時,國外的一些智能機器人實驗室也有相應的機器人教育研究的內容。

新加坡國立教育學院(NIB)和樂高教育部于2006年6月在新加坡舉辦了第一屆亞太ROBO-LAB國際教育研討會,通過專題報告、論文交流和動手制作等方式,就機器人教育及其在科技、數學課程里的應用進行交流,以提高教師們開展機器人教育的科技水平與應用能力。

近年來我國的機器人教育有了很大的發展。教育機器人逐步成為中小學技術課程和綜合實踐課程的良好載體。教育機器人與學科教育相結合,可以幫 助科學、數學、力學等等學科的教學,在國內已經有學者提出機器人與理科教學整合的想法。

2.機器人教學

教育機器人作為教學內容進入中小學,無論國內還是國外,目前都處于起步階段。從各地情況來看,較多的學校只是以課外活動、各種興趣班、培訓班的形式開展機器人教學。通常的做法是由學校購買若干套機器人器材,由信息技術課程教師或綜合實踐課程教師進行指導,組織學生進行機器人組裝、編程的實踐活動,然后參加一些相關的機器人競賽。 目前,只有極少數的地區和學校將機器人教學納入了正規課堂教學。

2000年,北京市景山學校以科研課題的形式將機器人普及教育納入到信息技術課程中,在國內率先開展了中小學機器人課程教學。2001年,上海市西南位育中學、盧灣高級中學等學校開始以"校本課程"的形式進行機器人活動進課堂的探索和嘗試。2005年,哈爾濱市正式將機器人引人課堂教學,在哈爾濱師范附小、60中、省實驗中學等41所學校開設了"人工智能與機器人"課程,用必修課形式對中小學生進行機器人科學方面的教育。此外,香港在高中及高等教育新學制的改革中,也在高中"設計與應用科技"課程中增設了機器人制作的課程。

我國教育部于2003年4月正式頒布《普通高中技術課程(實驗)標準》,首次在"通用技術"科目中設立了"簡易機器人制作"模塊,它是基于計算機技術的學習平臺、將機械傳動與單片機的應用有機組合的一個選修課程模塊。該模塊為學生提供了運用當代先進技術和先進思想方法進行設計、制作,以解決實際問題的機會。與此同時,新的高中課程標準在"信息技術"科目中也設立了"人工智能初步"選修模塊,邁出了我國高中階段開展人工智能教育的第一步,這也意味著我國的人工智能教育在大眾化、普及化層面上躍上了一個新的臺階。

3.機器人競賽

開展各種展示和競賽活動是普及機器人教育的一個重要途徑,機器人競賽項目的內容、規則及評分辦法等的創意設計都極富創造性和挑戰性。通過組織豐富多彩的青少年機器人競賽,可以激發廣大青少年對科技的興趣,提高青少年的科學素質,并為機器人研究和開發儲蓄后備人才。國際、國內幾項影響較大的機器人競賽包括:

FIRA機器人足球賽,由國際機器人足球聯盟 FIRA(http://www.fira.net)舉辦,自1995年以來,FI- RA在全球每年舉行一次機器人世界杯比賽(FIRA Cup),同時舉辦學術會議(FIRA Congress),供參賽者交流他們在機器人足球研究方面的經驗和技術。

機器人足球世界杯賽RoboCup(http://www.robocup.org),這是為促進人工智能技術以及相關領域的發展而設立的一個國際性的研究和教育組織,選擇了足球賽作為基本領域來促進人工智能和機器人的研究。目前RoboCup包括小型機器人、中型機器人、四腿機器人等比賽項目,在比賽的同時還開展其它相關活 動。

機器人滅火比賽(http://www.trincoll.edu/events/robot/)、FLL機器人世界錦標賽 (http:// www.firstlegoleague.org/)、機器人迷宮(http://micromouse.cs.rhul.ac.uk/)也是較有影響的機器人國際賽事。

2006年10月,由中國自動化學會、RoboCup中國委員會和科技部高技術研究發展中心聯合主辦的2006中國機器人大賽及2006 RoboCup中國公開賽在蘇州舉行。

中國青少年機器人競賽"是2001年起由中國科協青少年工作部積極創意并組織開展的一項青少年科技活動,該賽事每年一度,己相繼在廣東、河南、廣西、陜西舉辦,第六屆中國青少年機器人競賽于2006年7月在云南昆明舉行,競賽分為"智能機器人單項競技""機器人工程設計""機器人足球杯""FLL機器人世錦賽中國區賽"四個類別,按照高中、初中、小學三個組別進行比賽。

每年一度的"廣茂達杯"中國智能機器人大賽開創于2000年,第七屆"廣茂達杯"中國智能機器人大賽于2006年8月在上海華東師范大學舉行,競賽共設14個項目,包括機器人滅火、機器人足球、機器人擂臺賽、機器人排雷、創新項目展示和機器人論文等。

三、機器人教育面臨的問題

目前,機器人教育已經越來越被人們所關注,機器人教育的各項活動也在學校中得到一定程度的開展,但是所存在的問題也不容忽視:

1.機器人教育的教學目標尚欠科學。小學、初 中、高中機器人教學的分階段目標的劃分不夠明確與合理,導致相關教材的區分度低、特色不強。

2.缺乏科學規劃與教學設計。目前機器人教學的"教材"質量不高,大多屬于"產品說明書"或"用戶指南"式的,缺少課程與教學專家的參與和指導。

3.教育機器人產品缺少規范。目前教育機器人的品牌十分繁雜,并且大多自成體系,互不兼容,開放度低。另一方面,適應于不同學段的性能價格比高的教育機器人產品卻很少。

4.教育行政部門不夠重視,缺少從教育視角進行的研究。當前中小學機器人教育的開展,在一定程度上是由教育機器人企業在推動。雖然企業在初期為此做出的貢獻應當予以肯定,但是隨著機器人教育的逐漸深入與普及,目前亟需教育行政部門、教學研究機構給予充分的關注、協調與引導。

四、推進機器人教育的幾點思考

1.關于教育機器人的研究與開發

目前國內外教育機器人的品牌較多,并有不同特色。但總體而言,教學適用性強、性能價格比高的教育機器人產品仍然比較匱乏。教育機器人的功能有限及設計陳舊,易導致人們對其興趣的衰減。為了避免這種僵化現象,就要求在現有的教育機器人產品的基礎上,不斷推陳出新,研究開發出各種新的產品。從技術角度上看,教育機器人應有更好的開放性和可擴展性,具有更強的交互性,良好的人機界面對教育機器人來說也很重要。同時,應當深入挖掘教育機器人的教育應用途徑,更有效地發揮它的作用。此外,有必要研究與發揮教育機器人在幼兒園、中小學甚至大學學科教學中的作用以及相應的應用方式。

2.關于教育機器人的教育應用

在基礎教育領域,教育機器人應該和當前的基礎教育課程改革相結合。例如,在小學和初中階段,可以將研究機器人與"綜合實踐活動"有機結合;在高中階段,可以將教育機器人與"人工智能初步""算法與程序設計""簡易機器人制作""電子控制技術" 等技術類課程進行結合,有條件的學校可以開設"人工智能與機器人"校本課程。事實上,教育機器人所體現的知識的綜合性使它不僅能成為信息技術教育的載體,也可以成為信息技術與中小學課程整合的載體。

在高等學校中開展智能機器人學科教學,進行多層次的機器人教育,既可以普及機器人知識,加強機器人專業建設,也可提高機器人的應用水平。應當在 教師教育相關的專業,例如教育技術學、信息技術教育專業中開設與人工智能、機器人教育相關的課程。

各種形式的機器人競賽是全球范圍內教育機器人應用的重要形式之一,目前這些機器人競賽大都集中在諸如滅火、迷宮、足球等等競技類項目上。要注重 通過此類活動培養學生的創造力、協作能力和技能,為此需要關注競賽項目的創新性。例如,競賽項目的設計可以更加關注人工智能與機器人的結合點。

3.關于教育機器人的相關標準

目前教育機器人產品繁雜、質量差異甚大,各個廠商的產品自成體系,互不兼容,缺少教育機器人的相關標準,在一定程度上影響了教育機器人的健康應用與發展。所以有必要組織、研制一系列相關的標準(或規范) ,用于指導教育機器人產品的開發和學校開展機器人教育活動的實踐。

筆者認為,教育機器人標準可以從以下兩個方面考慮:(1)對教育機器人產品的規范:教育機器人企業生產的產品應適合于不同年齡段兒童的認知水平,對不同的使用者提供合適的功能、配件以及人機界面,該標準可供企業研發教育機器人產品、學校選用教育機器人設備時參考;(2)對教育機器人教育教學活動的引 導:闡述對于不同層次學習者的不同教學內容,應選用的機器人類型和規格,適合他們參加的比賽,以及通過這些活動可以達到的預期教學目標,該標準可供學校開展教育機器人課程教學、課外活動時參考。

制訂教育機器人標準,不僅有助于解決教育機器人產品的開發、選用、教學實施等當前機器人教育中所存在的問題,而且有利于中小學機器人教育資源、實施經驗的共享,對于推動我國機器人教育健康、規范、可持續發展有著積極的作用。

4.關于開展機器人教育的協作研究

機器人教育的深人開展,需要廣大中小學校、高等院校、教學研究部門的協作研究與共同努力,需要教育行政部門的重視,需要相關企業的支持。目前, 中國教育技術協會信息技術教育專業委員會正在策劃、組織以中小學、高校、教研部門、企業為主體的"人工智能與機器人教育"協作組織,并研制相關的"課題指南" (http://www.zcmet.net/ai-robot)。上述工作的目的在于:一方面,在借鑒國外中小學人工智能與機器人教育理念與經驗的基礎上,為我國中小學開展人工智能與機器人教學提供可操作的教學與學習模式、教學評價方法,推進我國中小學人工智能與機器人教育的健康發展;另一方面,探索機器人在人工智能教育中的應用問題,更好地與基礎教育課程改革相結合,充分體現課程改革理念,充分發揮機器人在培養學生創新能力方面的作用。


【參考文獻】(略)

文章選自《中國電化教育 》(2006.12)


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