高校机器人教育发展研究

2017-01-28周嘉俊倪虹马宝丽林星星章梨娜杭州师范大学钱江学院

科学中国人 2017年17期

关键词：机器人比赛课程

周嘉俊，倪虹，马宝丽，林星星，章梨娜杭州师范大学钱江学院

高校机器人教育发展研究

周嘉俊，倪虹，马宝丽，林星星，章梨娜
杭州师范大学钱江学院

机器人教学不仅是进行机械、电子、传感器、计算机、人工智能等学科融合的有效载体，还是培养学生创新精神和综合实践能力的教学平台。本文首先研究了国内外机器人教育发展历程及现状，在此研究基础上，提出了推进国内大学生机器人教育的若干设想。

机器人教育；教学研究；发展综述

在国际上，随着政治格局的变化，机器人在反恐防暴、军事侦察、核生化探测等领域广泛应用；随着人类对宇宙探索的深入，机器人在环境监测、星际探索等广泛应用；随着“机器人换人”风潮的来临,机器人在教育娱乐、社会服务家、家政服务等场合向更为广泛的人类生活领域拓展。在我国，从“七五”科技攻关开始，机器人及应用就被作为研究开发重点之一。在我国中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020）中明确提出服务机器人和危险作业机器人将是今后机器人技术发展的重点。习近平总书记在2014年两院院士大会讲话中提到，“机器人革命”有望成为“第三次工业革命”的一个切入点和重要增长点。在“十三五”科学技术发展规划中，部署机器人为重点发展领域，并将“智能机器人技术”列为超前部署前沿技术研究。在《中国制造2025》规划中，更是将机器人列为政府需大力推动实现突破发展的十大重点领域之一。由此可见，开展机器人教育的迫切性和重要性。而机器人即可用作为益智玩具开展家庭的早期教育，也可以作为平台和载体开展学校的课外活动，还可以作为平台和载体开展学校的基础课程教育[1]。有利于学生亲身接触和体验现代高新技术，综合掌握各领域先进技术，如：机械、电子、传感器、计算机、人工智能等。进而，激发他们的创新意识，和提高学生的动手能力。

一、国外机器人教育

在发达国家，尤其在欧洲和美国，机器人教育从基础教育阶段就已经开始普及。一方面，机器人教育以课程、主题夏令营和项目比赛的形式开展；另外一方面，机器人技术也作为平台和载体辅助其它课程的教学。

1.1 机器人技术课程

美国作为精英教育和大众教育并举的代表国家，加上中小学没有统一设置的国家课程，使学校在课堂教学，课程体系建设上有很大的自主性，此外，美国中小学会为学有余力或有某方面专长的学生开设选修课程，这一切都为机器人教育的开展提供了便利。

在早期家庭教育阶段，美国家长会鼓励孩子玩玩具和拆玩具，而中国家长更多的是鼓励孩子玩玩具和爱护玩具。

在中小学阶段，美国也有针对机器人技术的课程体系，旨在针对美国中小学生，开设机器人方向的相关基础课程，例如美国加利福尼亚州高中工程与技术联盟在为高中生开设的工程与技术选修课程中，提供了ROBOTICS课程，主要介绍机器人技术历史，基础，术语，微控制，传感器，程序控制等方面的知识；有以机器人为主题的夏令营活动，主要是高校与中小学共同实现，高校负责机器人主体的筛选和具体实施，中小学负责组织。例如：CarnegieMellon大学向中小学提供的ROBOCAMP暑期机器人计划。通过八星期的课程，使学生懂得一些基本的与机器人有关的电子，机械和计算机科学知识。大学教授在中小学的中低学段授课，体现美国机器人教育的普及性；有利用机器人技术为辅助工具来培养学生的能力，并学习机器人知识，例如俄亥俄州技术标准的标准三“生产应用技术”中提出把机器人模型作为一种研究工具，同时在标准七“设计世界”中，利用机器人来理解输入与输出操作、电子设备如何与计算机连接等概念。[2]

对于大多数美国中小学生而言，机器人技术本身是一种工具而不是学习的主体，是一种用来辅助学科课程学习和培养创新能力培工具，学习使用这一工具的目的在于强化学习、激发创造力、培养创新能力，同时增强协作能力。

1.2 机器人比赛设置

在美国接触的中小学机器人教育，给我留下深刻印象的有两点：第一、大学教授在中小学的中低学段授课，体现美国机器人教育的普及性；第二、机器人课程作为一种教学方式辅助学科课程学习。记得在Dr.Viver教授授课的过程中，我们有的学员十分关注机器人比赛项目，当询问教授关于参赛的问题时，教授说了这样一番话：比赛并不是我所想得到的，在四年级开这门课是一个挑战，目的是想在课堂中鼓励学生去思考，用数学思想和方法去解决问题，让学生思考每一次操作后该如何去改进，这比比赛更重要。

以全美高中开展的FRC机器人竞赛来看，它不像国内的竞赛就只是以竞赛为目的而且很强的功利性，FRC的比赛设置不只是和机器人有关，它相当于是一个纽带，将拥有各种才能的学生聚到一个团队中，共同打造比赛的产品。但在整个设计制作的过程中，每个人的才能都能得到施展。不止如此，在整个比赛的过程中，许多新闻媒体会在现场做报道以及直播，每一支队伍都会有自己的队服和徽章，整场比赛更像是一个大派对。

1.3 机器人教育评判标准

美国高校的机器人评价主要有如下几个方面：

（1）常规考试；（2）通过实际成果考察动手能力。

美国的机器人竞赛，在评判标准方面也具有其特点。首先是具备多重评判标准，其次大家对评判结果的重视程度也因场合而异。

（1）通过对抗性竞争评选出一个奖项。在通常的机器人比赛中，如：FRC机器人竞赛（由美国FIRST非营利性机构和丹麦乐高集团合作主办的针对9—16岁孩子的国际性机器人比赛），通过看一个机器人团队及其作品的总体表现打出总积分，然后根据积分高低区分奖项，这个奖项在所有奖项中也是最不被大家重视的。

（2）相较于作品评判，对整个参赛团队的态度和核心标准的评判更被看重。评判更关系团队成员在比赛过程中学到了什么、做到了什么，整个队伍的团队合作对它的社区、甚至对更广的范围产生了什么影响，以及是否在做这个机器人的过程中启发了更小的孩子，让他们产生兴趣。以及为了完成该作品，团队成员付出了那些你努力，比如：拜访了哪些公司、咨询过哪些专业人士、通过该参赛项目获得哪些启发，遇到哪些困难，及解办法，没解决又是用怎样的态度去对待的。这些是评判整个队伍的核心标准。

二、国内高校机器人教育

2.1 机器人技术课程

国内机器人教育，在部分发达地区，有针对中小学的机器人的课外辅导班，但辅导班主要以动手和娱乐为主，没有系统的课程设置。学校系统教育里面，在机器人技术方面暂时还处于真空状态。

在大学阶段机器人课程主要针对相关专业的机器人方向开设。课程的范围和深浅程度也各不相同。多数学校都是以比赛为核心，仅限于少数参赛学生，还未能开展面向全体学生的教学活动。

对于非机器人方向的学生而言，机器人教育属于选修课程。重在培养学生创新精神和实践能力。因此其教学设计的基本理念是：构建有利于学生创新精神和文践能力培养的活动环境，通过学生参加具有探索性、实践性、创新性、协作性的教学活动，提高其创新能力。在此过程中，学生始终发挥着认知主体的作用，而教师则发挥导引、辅助和条件创设的作用。

2.2 机器人比赛设置

国内的机器人比赛大部分依然是由机器人厂商举办，教育部门的监管也比较少，比赛的命题、奖励办法、评判规则等也都由投资方来觉定，没有统一的标准[3]。

以浙江省机械设计大赛来看，大多都是以厂商名字命名的比赛，例如“XX杯”大学生机械设计竞赛。像这样的比赛，一般都是在本校完成作品，通过网上一二轮的筛选之后进入决赛。在决赛现场，对产品进行介绍和演示后，评委就完成效果的实际情况和效率进行打分，最终的成绩也去决定现场打出的分数。在整个过程中很少会有评委去仔细了解参赛的团队从参赛到决赛的整个过程、遇到的困难和解决方案。所以我国的整个机器人比赛设置和国外相比依然存在很多差距。

2.3 机器人教育评判标准

机器人教育所注重的是价值观以及情感的培养，学生在通过学习和体验技术应用，来激发他们对于新技术的兴趣，培养创新能力[4]。

国内的机器人评价主要还是来源于常规考试和竞赛结果。这样可能导致大部分人对于机器人竞赛的关注度甚至高于了机器人教育，扭曲了机器人教育最根本的意义：提高动手能力和创新力，促使学生全面发展，推动素质教育。甚至很多人把机器人竞赛当做了机器人教育，例如许多高中生的家长会让孩子去报各种竞赛班，其目的可能就是为了高考的时候能够通过竞赛的奖项来加一定的分数。这样就有可能导致原本的素质教育到最后发展成了“应试教育”。

三、推进大学机器人教育的几点思考

3.1 建立课程体系

普及中小学机器人教育，建立课程内容体系，开发配套教材，并与时俱进的更新内容。就像新概念英语之于英语教学一样的参考教材。虽然淘宝上能找到一些RCS的课程，国内做机器人教育的培训机构（如乐高培训机构），有自己的内部封闭教材，但教材的系统性和普及性都有待于提高。

McGill的研究则表明，机器人课程能够对学生学习编程产生积极影响。国内的许多高校都开设了机器人相关的课程，其中包括专业必修、选修，以及全校的公选课等。但是机器人课程的学习需要一定的基础积累，所以，想要推动机器人教育在高校的发展，必须要建立相对应的课程体系，循序渐进，为学生提供相应的课前辅导。以吉林大学为例，为电子学院的学生建立了三个层次的课程体系，第一层次为大学生基础必修课；第二层次为程序设计语言；第三层为机器人创新实验及网站设计制作。三层次由浅入深保证了课程之间的连续性，提高学生对课程学习的信心[5]。这样的一套课程体系是相对科学的，在机器人课程体系的建立可以采用吉林大学的方案，层次分明，由浅入深做好导学，提高学生学习的积极性。

3.2 机器人教育资源的开发

机器人技术具有明显的对象性和操作性，因此配套教学和实践器材的开发和普及也是需要解决的问题。就目前国内的情况来看，性价比高、适用性较强的教育机器人产品依然比较匮乏。对于现在科技高速发展的环境中，落后、陈旧的教育机器人会让学习者的兴趣下降甚至于失去兴趣。为了避免这种现象继续僵化，就需要生产教育机器人的厂商能够在现有的产品上推陈出新，借鉴国外教育机器人理念和优势，在控制好成本的基础上研发出更适合时下机器人教育的产品。

在机器人互联网教育资源的整合上，以作者所在的杭州师范大学钱江学院为例，学校专门打造了一个校园的机器人网站，有专门的校园组织去管理，网罗优秀的互联网机器人教育资源，经过编辑后再通过专业的老师筛选指导后发布到平台上，同时也可以在网站上发布国内相关的机器人竞赛资讯以及往年的获奖成果、机器人相关课程的选课时间。通过这种方式能让学生快速获取到优秀的互联网机器人教育资源和校内有关机器人方面的信息。