基于学生认知发展的中小学教育机器人功能设计分析

张国民

浙江金融职业学院 浙江杭州 310018

基于学生认知发展的中小学教育机器人功能设计分析

张国民

浙江金融职业学院 浙江杭州 310018

随着机器人教育关注度的日益提高及其教育价值的逐步提升，作为实施机器人教育的机器人产品的规划和标准化问题也日益凸显。本文在对中小学各阶段学生的认知发展水平和机器人教育目标进行概述的基础上，对适用于不同阶段的教育机器人产品功能结构设计进行了分析探究，望对未来教育机器人产品的开发提供参考价值。

机器人教育 教育机器人 认知发展 教学目标

一、引言

据预测，21世纪中期，人类社会将全面进入以智能机器人为代表的智能时代，机器人的广泛应用将极大促进社会生产力的发展与产业结构的调整。近年来，随着机器人价格的下降、简易性的提高、其潜在的巨大教育价值逐渐得到社会的认可，使得机器人进入了教育领域。在发达国家，尤其是英、美、日等国家，已将机器人作为一种教学辅助工具，上至高等院校、研究机构，下至中小学、幼儿园，都正在积极开展机器人相关的教研活动。为了适应未来科技社会对人才培养的需要，我国教育部从2003年起把中小学机器人比赛纳入全国中小学电脑制作活动中，2003年颁布的普通高中新课程标准又将“人工智能初步”及“简易机器人制作”列入选修内容。

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。教育机器人则是一类应用于教育领域的机器人，它一般具有以下特点：首先是教学适应性，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。

国内中小学机器人教育教学的开展虽已有近十年的时间，但仍然游离于日常课堂教学之外。究其缘由，其中一主要因素是当前教育机器人产品缺少规范，品牌繁杂，开放性低等教育机器人产品自身的问题。以下，我们将结合各个教学阶段学生的认知发展水平和机器人教学的要求，在对此进行阐述分析的基础上对不同阶段使用者所需的配件、人机界面等产品功能和结构设计提出一些意见和建议。

二、各阶段学生的认知发展与机器人教育目标

1.小学阶段学生的认知发展与机器人教育目标

著名的儿童教育学家和心理学家皮亚杰认为：儿童的认知是由他自身与外部世界不断地相互作用而逐渐形成的一种结构。儿童在观察事物时，往往注意新鲜、感兴趣的东西，他们对周围世界有着强烈的好奇心和探究欲望，乐于动手操作具体形象的物体。因此，这一时期是培养科学兴趣、体验科学过程、发展科学精神的重要时期。

小学阶段的机器人教育，主要是让学生了解智能机器人的应用价值，培养学习使用机器人的兴趣。具体到教学要求上，对于硬件部分则要求学生了解简易机器人的基本构造；说出各类传感器(如声音、光敏、红外、温度、触摸)的功能及其对人类功能的模拟。能描述机器人各部分的功能更和工作原理，能描述机器人各部分的功能和工作原理，如通过传感器搜集信息、通过程序来判断处理信息、控制外部动作等；如果条件允许，则可要求学生根据设计要求和已有的模块化组装部件，尝试动手制作或组装简单的实物机器人，将编制好的控制程序导入到实物机器人；在程序设计方面，学习LOGO等简易语言或图形化操作界面，能够结合使用传感器模块和流程控制模块等编写程序，感受利用程序解决问题的一般过程。

2.初中阶段学生的认知发展与机器人教育目标

初中阶段正是“形式运算”阶段(12～15岁)。这个阶段的主要思维特点是，在头脑中可以把事物的形式和内容分开，可以离开具体事物，根据假设来进行逻辑推演，能运用形式运算来解决诸如组合、包含、比例、排除、概率及因素分析等逻辑课题。初中生思维活动的基本特点是抽象逻辑思维已占主导地位，但有时思维中的具体形象成分还起作用。

初中阶段的机器人教育，不仅要求培养学生使用机器人的兴趣，还要教授机器人的基本工作原理，了解机器人领域的发展前沿。在硬件知识部分，除了在制作和操纵简单的机器人的基础上，探究机器人的机械装置、电子装置、传感器装置等，能力强的学生可对机器人构件功能进行拓展应用，例如用继电器和声音传感器组装声控灯；在软件部分，了解计算机控制机器人做出各种动作的简单流程，感知程序和程序设计语言，理解程序的基本结构，了解“确定算法，编程实现”这一计算机解决问题的一般过程。

3.高中阶段学生的认知发展与机器人教育目标

高中生认知结构的完整体系基本形成。高中生认知结构的各种要素迅速发展，各认知能力不断完善，认知的核心成分——思维能力更加成熟，抽象逻辑思维占了优势地位，辩证思维和创造思维有了很大的发展。思维的目的性、方向性更明确，认知系统的自我评价和自我控制能力明显增强。他们情感丰富、意志力增强，兴趣更广泛和稳定，学习动机更强烈。

高中阶段的机器人教育，已经出台了一些课程标准，如新课标“简易机器人制作”模块要求学生知道单片机和机械传动的基本知识，能设计与制作单片机和传动机械等组成的简易自动控制机器人或简单的自动控制系统。对于硬件知识部分，学生除了对各部件功能结构的了解外，也会自行改造；在程序设计方面，考虑到对学生算法与程序设计能力的培养，因此除了对图形化编程的掌握外，还要求使用更高级的程序设计语言，如Qbasic、C、Java等，通过代码编辑器直接设计程序来控制机器人运行，在编程的过程中锻炼学生的逻辑思维能力。

三、教育机器人的功能设计分析

综上所述，不同阶段学生的认知水平和教学要求都各不相同，那么不同层次的教学对象就需要选用不同的教育机器人产品，以便提供合适的功能、配件以及人机界面。那么，目前的教育机器人产品能否满足各种年龄层次的学生的需要呢?市场上不乏有很多好的教育机器人产品，但也存在一些不近如人意的地方，因此根据上述不同阶段学生的认知水平和机器人教育的要求，我们对四个阶段所用机器人产品在结构与功能、程序设计与传输、机器人本体三部分的设计进行研究，提出了如下表1所示的教育机器人的结构功能及标准要求简表1。

表1 适用于不同教学阶段的教育机器人结构功能及标准要求简表

1.应用于小学阶段的教育机器人的设计

适用小学阶段的教育机器人，在结构设计上，主要体现在插件应用上，对于机械传动系统可选用积木式或插件式或变形式三种类型。这样的结构设计利于学生在机器人外形上做创新，凭自己的想象任意搭建机器人，设计出形态各异的机器人；对于机器人控制系统和执行系统，这部分知识要求超过了这一年龄段学生的认知，因此可选用模块功能封装的形式，分别采用一体化控制模块和成品设备；在人机交互上，可以采用人工控制的方式，例如遥控；也可用程序控制，选用简易的可视化图形编程语言，如用LOGO语言做一些简单的编程。儿童学习LOGO语言，有利于他们元认知能力的发展。考虑到学生的能力水平和教学要求，可选用程序传输这种安全简便的方式把程序导入到实体机器人当中；对于小学生来说，还应选用结实耐用的、安全的机器人产品。小学教师认为，除了以上几点外，选用的机器人产品也要方便管理。除此之外，根据学校的条件可选用一些有外形的机器人，例如，AIBO机器狗，这样可以提高学生对机器人的兴趣。

2.应用于中小学阶段的教育机器人的设计

初中阶段使用的机器人在设计上不再以外形为主，需要附加一定的功能，要求学生了解简易传感器原理及其使用，并能体现出机器人在焊接和控制应用方面的知识，其机械传统系统设计时可采用遥控式或单片机式，这样学生对单片机的原理将有初步的了解。同时，采用单片机还可以大大降低产品的价格，利于机器人教育的普及推广；控制系统可直接采用控制版，使得单片机的相关知识更为直观的展现在学生面前；对于执行系统，设计成半成品的形式，使之功能封装成模块化，利于学生自行组装；在人机交互上，除了选用遥控式外，弱化益智类玩具的概念，体现出机器人一定的智能化，可选用一些较LEGO语言要复杂些的程序设计语言，如Qbasic，为后续学习VB语言作了铺垫。传输技术还是采用安全系数高、操作简便的数据传输形式。初中教师提出，除了以上几点功能设计要求外，所设计的教育机器人不仅可以用于课堂教学，还可以用于参加比赛。

3.应用于高中阶段的教育机器人的设计

适用高中阶段的教育机器人，在结构设计上要求有更好的可扩展性和开放性，注重产品功能的综合应用，最终达到可在多门课程中通用的要求。因此，机械传动系统除了可选用初中阶段所采用的单片机形式外，还可选用嵌入式。但要注意的一点是单片机方面的设计要紧密结合通用技术模块的要求，选择可多次烧录的单片机型号和简单易学的单片机编程语言；在控制系统和执行系统部分，可采用套装散件。采用单片机和散装化套件都极大的促进了学生在实践过程中动手实践能力的提高和创新思维的培养；在人机交互方面，除了保留简易的图形编程软件平台之外，鉴于高中生的认知水平和今后计算机编程角度考虑，设计相对较抽象的编程语言接口，如Java、NQC、C++、C、汇编语言等。对于程序的传输除了选用数据线和红外线发射传输之外，还可选用烧录技术。

四、结束语

教育机器人作为机器人教育的实施平台，其建设水平的高低对机器人教育具有至关重要的影响。研制适用于不同阶段符合学生认知发展水平和教学要求的教育机器人，不仅有利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，而且有利于机器人教育资源、实验经验的共享，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。同时，规范化的教育机器人产品设计开发需要教育政府、高等院校、中小学学校、机器人厂商等各方面的共同协作与努力。

[1]张国民,张剑平.我国基础教育中机器人教育的现状与对策研究[J].现代教育技术，2008,5:92～95.

[2]彭绍东. 论机器人教育[J].电化教育研究，2002,6：3～7.

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[5国家九年义务教育课程综合实践活动指导纲要(7～9年级)[DB/EL], http://www.cn-teacher.com/fuwu/jyfg/200703/142790.html

[6]郑和钧,邓京华.高中生心理学[M].浙江:浙江教育出版社,1993

[7普通高中技术课程标准(实验)[M].人民教育出版社，2003:P102

[8]张剑平,王益.机器人教育的现状、问题与推进策略[J].中国电话教育,2006,12：65～68

2009-11-11