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机器人教育的现状、问题与推进策略

收藏本信息编号:14 发布时间:2011-02-15 截止日期: 地区:北京市.东城区

 

机器人教育:现状、问题与推进策略
 

张剑平,王益
(浙江师范大学 教育技术系,浙江 金华 321004)

 

摘要教育机器人是进行信息技术教育的有效载体,机器人教育旨在培养学生的创新精神和综合实践能力。随着我国基础教育信息化的发展,机器人教育正越来越被人们所关注。本文在阐述教育机器人概念和角色定位的基础上,分析了机器人教育的现状和面临的问题,并从产品研发、教育应用、标准研制、协作研究等方面提出推进机器人 教育的若干设想。

关键词教育机器人;机器人教育;标准;现状;问题;推进策略

一、教育机器人及其角色定位

机器人是一种能够通过程序控制,自主完成某类任务的机器系统,机器人的应用范围十分广泛,可以用于工业、农业、医疗、空间探测、教育领域等等。教育机器人则是一类应用于教育领域的机器人,它一般具备以下特点:首先是教学适用性,符合教学使用的相关需求;其次是具有良好的性能价格比,特定的教学用户群决定了其价位不能过高;再次就是它的开放性和可扩展性,可以根据需要方便地增、减功能模块,进行自主创新;此外,它还应当有友好的人机交互界 面。

事实上,教育机器人也是一种十分典型的数字化益智玩具,适用于各个年龄阶段的人群,并且能够以不同角度、通过多样的形式发挥其教育功能,达到 "寓教于乐"的目的。

1.教育机器人作为家庭的益智玩具

(1)作为幼教工具

孩子是天生的学习者,孩子们在"玩"的过程中,探索、体验着属于他们的世界。玩具直接影响到孩子的性格、兴趣和爱好。使用教育机器人作为幼教 工 具,可以让孩子承担更错综复杂的探索并促成其全面发展。传统的幼教工具,如电子书,与孩子的交互有限,而且大多是固定的,孩子一般只是简单地使用这些工具,而不能对工具本身做任何政动。与传统的幼教工具相比,教育机器人有较强的交互性,交互形式多样,对于儿童来说也不容易产生厌烦感。

教育机器人作为幼教工具,使用形式灵活多样:

它可以作为儿童的伴侣,独生子女没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,缺少助人为乐的品质和行为。 而教育机器人可以充当儿童伴侣,在一定程度上缓解独生子女的以上问题,例如索尼公司的"AIBO机器狗",玩偶欣帝(Cindy Smart)等等。教育机器人还可以作为知识获取工具,例如诺博特公司的"智能故事佬"。教育机器人也可以作为培养创新能力的工具,例如乐高公司的机械系列、能源系列等等。

(2)作为成人的玩具

教育机器人也可以开拓成年人的思维。时代 志2006年2月的封面文章是"透视GOOGLE这个一千亿美元的公司,他们的奥秘在哪里? "该杂志的记者在采访GOOGLE的创始人Sergey Brin和Lar-ry Page时,他们的会议桌上堆满了乐高积木,两位创始人均为乐高机器人的爱好者, Page小时候曾使用乐高搭建出了一台打印机,他说这件事给了他无限的自信心。在与记者交谈过程中,Page的于一直没有离开他正在设计的乐高楼梯,同时Brin也在用乐高机器人套装设计一个原子能发电站·…..该杂志所发表的这篇文章的第一句话就是"……GOOGLE是否还可以继续他们的发展两位创始人希望从乐高积木中得到更多的灵感·…"

2.教育机器人作为学校课外活动的载体

研究表明,传统的学校教育是对科学达到概念性理解的主要渠道,但课外的非正式教育即课外活动对于科学知识的学习也有相当大的影响。课外活动不受教学计划、教学大纲和教育形式的限制,活动的范围比较广泛,内容也很丰富。教育机器人作为学校课外活动的载体,不仅使课外活动同时具有科学性和趣味 性,而且可以培养学生的创新精神、综合实践能力和协作能力。

当前,教育机器人相关的课外活动形式主要包括:课外兴趣小组,以小组为单位,进行组装与程序的编写,组成完成某种功能的机器人;各种层次和类型的机器人竞赛等等。该类活动对于学生创新精神、创新意识与创新能力的培养有着积极的意义,通过该项活动孩子们可以进行计算机编程、工程设计、动手制作与技术构建,同时也可以结合他们的日常观察、积累,去寻求自己最完美的解决问题的方案,发展自己的创造力。

3.教育机器人作为基础教育课程教学的载体

机器人技术综合了多学科的发展成果,代表了高技术的发展前沿,机器人涉及到信息技术的多个领域,它融合了多种先进技术,没有一种技术平台会比机器人具有更为强大的综合性。引入教育机器人的教学将给中小学的信息技术课程增添新的活力,成为培养中小学生综合能力、信息素养的优秀平台。

有专家认为,"智能技术是信息技术领域的一个学术前沿,智能机器人的开发与应用全面涉及感测技术、通信技术、智能技术和控制技术,是进行信息 技术教育的最佳载体,也是全面培养学生信息素质提高其创新精神和综合实践能力的良好平台。"

4.教育机器人产品据不完全统计,目前国内的教育机器人产品近20种,其中常见产品的如下表所示(排列不分先后)。

二、机器人教育及其现状

1.概况

所谓机器人教育,通常是指学习机器人的基本知识与基本技能,或利用教育机器人优化教育教学效果的理论与实践。 2002年在北京召开的"关注中国未来的竞争力一一儿童数字化启蒙"研讨会上,与会专家一致认为,将数字信息技术介入到传统的幼教方式中去,利用有效的手段与工具对儿童进行数字化启蒙,关系到儿童未来的成长和中国未来的竞争力。

在国外,机器人教育一直是个热点:早在1994年麻省理工学院(MIT)就设立了"设计和建造LEGO机器人"课程(Martin) ,目的是提高工程设计专业学生的设计和创造能力,尝试机器人教育与理科实验的整合;麻省理工学院媒体实验室"终身幼儿园"项目小组开发了各种教学工具,通过与著名积木玩具商乐高公司的紧密合作,该项目组开发出可编程的乐高玩具,帮孩子们学会在数字时代怎样进行设计活动。同时,国外的一些智能机器人实验室也有相应的机器人教育研究的内容。

新加坡国立教育学院(NIB)和乐高教育部于2006年6月在新加坡举办了第一届亚太ROBO-LAB国际教育研讨会,通过专题报告、论文交流和动手制作等方式,就机器人教育及其在科技、数学课程里的应用进行交流,以提高教师们开展机器人教育的科技水平与应用能力。

近年来我国的机器人教育有了很大的发展。教育机器人逐步成为中小学技术课程和综合实践课程的良好载体。教育机器人与学科教育相结合,可以帮 助科学、数学、力学等等学科的教学,在国内已经有学者提出机器人与理科教学整合的想法。

2.机器人教学

教育机器人作为教学内容进入中小学,无论国内还是国外,目前都处于起步阶段。从各地情况来看,较多的学校只是以课外活动、各种兴趣班、培训班的形式开展机器人教学。通常的做法是由学校购买若干套机器人器材,由信息技术课程教师或综合实践课程教师进行指导,组织学生进行机器人组装、编程的实践活动,然后参加一些相关的机器人竞赛。 目前,只有极少数的地区和学校将机器人教学纳入了正规课堂教学。

2000年,北京市景山学校以科研课题的形式将机器人普及教育纳入到信息技术课程中,在国内率先开展了中小学机器人课程教学。2001年,上海市西南位育中学、卢湾高级中学等学校开始以"校本课程"的形式进行机器人活动进课堂的探索和尝试。2005年,哈尔滨市正式将机器人引人课堂教学,在哈尔滨师范附小、60中、省实验中学等41所学校开设了"人工智能与机器人"课程,用必修课形式对中小学生进行机器人科学方面的教育。此外,香港在高中及高等教育新学制的改革中,也在高中"设计与应用科技"课程中增设了机器人制作的课程。

我国教育部于2003年4月正式颁布《普通高中技术课程(实验)标准》,首次在"通用技术"科目中设立了"简易机器人制作"模块,它是基于计算机技术的学习平台、将机械传动与单片机的应用有机组合的一个选修课程模块。该模块为学生提供了运用当代先进技术和先进思想方法进行设计、制作,以解决实际问题的机会。与此同时,新的高中课程标准在"信息技术"科目中也设立了"人工智能初步"选修模块,迈出了我国高中阶段开展人工智能教育的第一步,这也意味着我国的人工智能教育在大众化、普及化层面上跃上了一个新的台阶。

3.机器人竞赛

开展各种展示和竞赛活动是普及机器人教育的一个重要途径,机器人竞赛项目的内容、规则及评分办法等的创意设计都极富创造性和挑战性。通过组织丰富多彩的青少年机器人竞赛,可以激发广大青少年对科技的兴趣,提高青少年的科学素质,并为机器人研究和开发储蓄后备人才。国际、国内几项影响较大的机器人竞赛包括:

FIRA机器人足球赛,由国际机器人足球联盟 FIRA(http://www.fira.net)举办,自1995年以来,FI- RA在全球每年举行一次机器人世界杯比赛(FIRA Cup),同时举办学术会议(FIRA Congress),供参赛者交流他们在机器人足球研究方面的经验和技术。

机器人足球世界杯赛RoboCup(http://www.robocup.org),这是为促进人工智能技术以及相关领域的发展而设立的一个国际性的研究和教育组织,选择了足球赛作为基本领域来促进人工智能和机器人的研究。目前RoboCup包括小型机器人、中型机器人、四腿机器人等比赛项目,在比赛的同时还开展其它相关活 动。

机器人灭火比赛(http://www.trincoll.edu/events/robot/)、FLL机器人世界锦标赛 (http:// www.firstlegoleague.org/)、机器人迷宫(http://micromouse.cs.rhul.ac.uk/)也是较有影响的机器人国际赛事。

2006年10月,由中国自动化学会、RoboCup中国委员会和科技部高技术研究发展中心联合主办的2006中国机器人大赛及2006 RoboCup中国公开赛在苏州举行。

中国青少年机器人竞赛"是2001年起由中国科协青少年工作部积极创意并组织开展的一项青少年科技活动,该赛事每年一度,己相继在广东、河南、广西、陕西举办,第六届中国青少年机器人竞赛于2006年7月在云南昆明举行,竞赛分为"智能机器人单项竞技""机器人工程设计""机器人足球杯""FLL机器人世锦赛中国区赛"四个类别,按照高中、初中、小学三个组别进行比赛。

每年一度的"广茂达杯"中国智能机器人大赛开创于2000年,第七届"广茂达杯"中国智能机器人大赛于2006年8月在上海华东师范大学举行,竞赛共设14个项目,包括机器人灭火、机器人足球、机器人擂台赛、机器人排雷、创新项目展示和机器人论文等。

三、机器人教育面临的问题

目前,机器人教育已经越来越被人们所关注,机器人教育的各项活动也在学校中得到一定程度的开展,但是所存在的问题也不容忽视:

1.机器人教育的教学目标尚欠科学。小学、初 中、高中机器人教学的分阶段目标的划分不够明确与合理,导致相关教材的区分度低、特色不强。

2.缺乏科学规划与教学设计。目前机器人教学的"教材"质量不高,大多属于"产品说明书"或"用户指南"式的,缺少课程与教学专家的参与和指导。

3.教育机器人产品缺少规范。目前教育机器人的品牌十分繁杂,并且大多自成体系,互不兼容,开放度低。另一方面,适应于不同学段的性能价格比高的教育机器人产品却很少。

4.教育行政部门不够重视,缺少从教育视角进行的研究。当前中小学机器人教育的开展,在一定程度上是由教育机器人企业在推动。虽然企业在初期为此做出的贡献应当予以肯定,但是随着机器人教育的逐渐深入与普及,目前亟需教育行政部门、教学研究机构给予充分的关注、协调与引导。

四、推进机器人教育的几点思考

1.关于教育机器人的研究与开发

目前国内外教育机器人的品牌较多,并有不同特色。但总体而言,教学适用性强、性能价格比高的教育机器人产品仍然比较匮乏。教育机器人的功能有限及设计陈旧,易导致人们对其兴趣的衰减。为了避免这种僵化现象,就要求在现有的教育机器人产品的基础上,不断推陈出新,研究开发出各种新的产品。从技术角度上看,教育机器人应有更好的开放性和可扩展性,具有更强的交互性,良好的人机界面对教育机器人来说也很重要。同时,应当深入挖掘教育机器人的教育应用途径,更有效地发挥它的作用。此外,有必要研究与发挥教育机器人在幼儿园、中小学甚至大学学科教学中的作用以及相应的应用方式。

2.关于教育机器人的教育应用

在基础教育领域,教育机器人应该和当前的基础教育课程改革相结合。例如,在小学和初中阶段,可以将研究机器人与"综合实践活动"有机结合;在高中阶段,可以将教育机器人与"人工智能初步""算法与程序设计""简易机器人制作""电子控制技术" 等技术类课程进行结合,有条件的学校可以开设"人工智能与机器人"校本课程。事实上,教育机器人所体现的知识的综合性使它不仅能成为信息技术教育的载体,也可以成为信息技术与中小学课程整合的载体。

在高等学校中开展智能机器人学科教学,进行多层次的机器人教育,既可以普及机器人知识,加强机器人专业建设,也可提高机器人的应用水平。应当在 教师教育相关的专业,例如教育技术学、信息技术教育专业中开设与人工智能、机器人教育相关的课程。

各种形式的机器人竞赛是全球范围内教育机器人应用的重要形式之一,目前这些机器人竞赛大都集中在诸如灭火、迷宫、足球等等竞技类项目上。要注重 通过此类活动培养学生的创造力、协作能力和技能,为此需要关注竞赛项目的创新性。例如,竞赛项目的设计可以更加关注人工智能与机器人的结合点。

3.关于教育机器人的相关标准

目前教育机器人产品繁杂、质量差异甚大,各个厂商的产品自成体系,互不兼容,缺少教育机器人的相关标准,在一定程度上影响了教育机器人的健康应用与发展。所以有必要组织、研制一系列相关的标准(或规范) ,用于指导教育机器人产品的开发和学校开展机器人教育活动的实践。

笔者认为,教育机器人标准可以从以下两个方面考虑:(1)对教育机器人产品的规范:教育机器人企业生产的产品应适合于不同年龄段儿童的认知水平,对不同的使用者提供合适的功能、配件以及人机界面,该标准可供企业研发教育机器人产品、学校选用教育机器人设备时参考;(2)对教育机器人教育教学活动的引 导:阐述对于不同层次学习者的不同教学内容,应选用的机器人类型和规格,适合他们参加的比赛,以及通过这些活动可以达到的预期教学目标,该标准可供学校开展教育机器人课程教学、课外活动时参考。

制订教育机器人标准,不仅有助于解决教育机器人产品的开发、选用、教学实施等当前机器人教育中所存在的问题,而且有利于中小学机器人教育资源、实施经验的共享,对于推动我国机器人教育健康、规范、可持续发展有着积极的作用。

4.关于开展机器人教育的协作研究

机器人教育的深人开展,需要广大中小学校、高等院校、教学研究部门的协作研究与共同努力,需要教育行政部门的重视,需要相关企业的支持。目前, 中国教育技术协会信息技术教育专业委员会正在策划、组织以中小学、高校、教研部门、企业为主体的"人工智能与机器人教育"协作组织,并研制相关的"课题指南" (http://www.zcmet.net/ai-robot)。上述工作的目的在于:一方面,在借鉴国外中小学人工智能与机器人教育理念与经验的基础上,为我国中小学开展人工智能与机器人教学提供可操作的教学与学习模式、教学评价方法,推进我国中小学人工智能与机器人教育的健康发展;另一方面,探索机器人在人工智能教育中的应用问题,更好地与基础教育课程改革相结合,充分体现课程改革理念,充分发挥机器人在培养学生创新能力方面的作用。


【参考文献】(略)

文章选自《中国电化教育 》(2006.12)


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