机器人教育文献内容分析*

2018-05-02马卫民张玉芹

中国教育信息化 2018年7期

马卫民，张玉芹

（1.河北隆尧第一中学，河北邢台 055350；2.莲子中心小学，河北邢台 055350）

一、研究背景

本研究以“机器人”为关键词在中国知网进行主题检索得到2008-2017年间研究成果108,744件①，在淘宝网搜索“机器人”相关店铺，多达71397家②，2016年底,机器人教育联盟注册培训机构突破12000家[1]，可见我国机器人技术研究已经日臻成熟，而且已经开始步入我们的生活与学习之中。

有研究者列出八个类目来描绘机器人教育的理论框架，但是样本数量不足百篇，仍需要一定数目的文献拓展和完善其结论[2]（王改霞，朴姬顺，2012）。有研究者依据篇名做可视化分析，较好地反映了该领域的研究热点，但是尚未涵盖所有主题相关文献[3]（雷黎颖，梁铭，2016），也有研究者对机器人竞赛类文献统计分析，抽取词和统计类目比较全面展示了研究内容，但是还缺少对文献内容的深入解析，也没有教学实践为基础的定性解读[4]（刘涵，刘京旋，2017）。

笔者基于以上问题，结合在机器人教学和培训中的实践经验，开展相关文献内容分析，梳理相关研究成果，期望对一线教学和相关研究提供参考。

二、研究问题

笔者在机器人课程教学和竞赛指导过程中总是遇到如何更高效地组织教学的问题，也常被问及如何选择教学内容、做出创意作品的难题。本研究基于上述困惑，试图通过文献分析，解决五个研究问题：

机器人教学研究是否受到一线教师,特别是基础教育领域教师广泛关注？研究主题涵盖哪些方面？哪些教学模式和方法被广泛接受并使用？如何更好选择教学材料、设计教学内容，提高教学效果？研究热点和最新发展趋势呈现何种态势？

三、研究设计

1.研究样本的筛选

截止到2017年8月11日，笔者从中国知网期刊全文中，以机器人与教育、课程、教学、案例、创客、竞赛/比赛、中小学相结合作为关键词搜索相关主题的文献4028篇③，作为研究的总样本。总样本经删除重复、无关项目，依据引用频次、热度排行以及期刊影响因子3个标准排序后得到1450篇高影响力的文献，作为研究样本。数据如表1所示。

表1 2008-2017年间发表有关机器人教育教学的文献数量统计(单位：篇）

2.研究工具的确定

文献分类主量表以先前研究提及的类目为基础（如表2所示），结合关键词共现聚类分析，经过统计相关文献内容并征求专家意见而确定。主量表一级类目分为教学理论类；课程建设与教学资源开发类；技术类；教学（案例）设计类；教学实践与应用；竞赛与团队管理类；实验室建设与实验器材类；创新能力培养类；师资培养类和综述类，共计十个。职务特征量表参考笔者先前研究修改而来。

表2 机器人教育综述研究文献及个别研究者关注领域统计

3.统计数据的处理

首先，笔者使用自制量表为研究样本分类。接着，研究样本数据经 Citespace（5.1.R6 SE 版）、SPSS（19.0 版）分析软件做进一步检验。最后，笔者访谈有关教师，根据课堂教学实践展开定性分析，解释研究结论。

四、内容分析

1.文献作者的职务特征

职务特征由文献作者的工作领域及岗位类别确定，反映文献内容产生的社会背景、研究人群的分布，展现该领域的发展态势，有助于了解机器人教育在不同教育阶段的分布状况[5]（马卫民，2009）。本研究通过统计文献样本的作者职务信息，分列出六个条目，如表3所示。

表4的卡方检验结果显示，文献职务特征差异不显著，同时呈现出某些规律性特征。一线教师文献数量成波折上升趋势，2017年度比重达23.9%，形成一支重要力量。其中，小学教师发表140篇，占据一线教师发文总量的83.8%。这反映了基础教育领域教师开始关注机器人教学，取得一定成效。另外，虽然活动中心相关人员发表文献的数量较少，但是他们推动了机器人教育向中小学普及，特别是青少年科技中心和机器人培训机构有效促进了这种趋势。

表3 职务特征条目说明

高校专家学者的文献数量占总数的60.5%，加上在校学生的毕业论文后，总占比达到80.4%，说明高等学校在机器人教育研究领域的地位非常重要，扮演引领者的角色。这是因为高等学校具有机器人研究领域的人才优势，拥有先进的技术条件和实验环境，取得较多科研成果。不过，在校学生毕业论文数量呈现波动下行趋势，尽管受到样本数量影响，但是也从一定程度反映了适合高校学生研究的有关机器人系统的设计与控制技术，仿真平台及路径规划研究等题材趋向成熟，从事课堂教学等相关研究受到实践条件限制，缺少实证研究的基础，相关文献较少，有待新的研究内容出现。

表4 2008-2017年间机器人教育相关研究职务特征统计

根据笔者参加学生竞赛辅导及访谈情况来看，行政人员不是机器人教学的直接参与方，发表相关文献量较少，但是，其通过各种活动中心和竞赛承办机构推动和普及机器人教育，工作成效显著，仅2017年世界机器人大赛累计全年参赛人数达5万余人④，其工作具有较大影响力。由此可见，机器人教育在各领域参与者关注下获得较好发展，逐渐受到基础教育领域广泛关注。

2.研究主题的概念框架

文献的研究主题可以呈现该研究领域的体系结构，提供研究的基本概念框架，形成相关研究的理论基础（马卫民2009）。该研究框架由笔者统计整理而得，较好反映了该领域的概貌。其中，笔者将教学目标、教学内容、方法与策略、教学模式、教学评价类型的文献归属教学理论类目，以便分析和描述。如表5所示。

研究主题卡方检结果显示，主题分布差异显著。统计数据表明技术类占据总样本的33.9%，年度比例程逐年下降趋势，说明机器人技术是该领域主要研究类目，因受其它类目影响比例降低。笔者进一步查阅该类文献，发现70.2%的文献内容涉及机器人仿真实验平台设计、控制系统及路径规划研究等软件相关技术。尽管机器人硬件相关技术不足30%，可是涵盖服务领域十分广泛，触及工业生产、医疗陪护、农业生产、餐饮、家庭服务、物流分拣、语言教学以及书法和舞蹈等艺术应用方面，形成较完善的结构，具有较好基础。

机器人课程建设与资源开发研究占据15.3%的比例，年度百分比数值波折上升，受到较高关注，形成较多研究理论和课程资源成果。但是，校本课程及资源开发研究成果仅49个，仅占该类目的23%，说明机器人教育教学资源建设工作仍需继续加强，以待更好优质资源出现。笔者随机选取网络书城搜索发现机器人图书3609件⑤，特别是适合中小学的机器人相关书籍达78件，但是仍然需要器材、工具和技术指导作为配套资源。

表5 2008-2017年间机器人教育相关研究主题统计

教学理论类、创新能力培养和综述类均占总文献量的8%以上。后两者大多评述内容较多，缺少调查访谈或统计数据支持，不作为本文重点讨论对象。前者作为教育科学研究的重要基础，被分列出机器人教学目标、教学内容、方法与策略、教学模式、教学评价共计5个次级类目后重点分析。

首先，教学理论类中的目标、内容和评价研究文献数量较少，方法与策略科目占据该类的52%。进一步查阅方法科目文献，发现其中项目教学法占据研究样本中教学法种类的42.9%，是目前占据主导地位的教学方法。但是，仍有部分教师在现实教学活动中常常采用讲授法，通过讲练结合的方式，并不能充分发挥机器人教学的团队精神、合作意识培养功能[6]（钟柏昌等，2015），但是，通过讲授重要内容解决学生普遍存在的问题，结合微课资源解决学生的个性化问题也是很好的教学方式[7][10]（王同聚，2015）。这也说明教师需要根据教学内容和技术条件来改进教学方法。

进一步阅读高频文献发现教学方法包含了项目教学法（李蓝波，2016）、任务驱动法（李立玉等，2008；曲凌，2014）、工程对象教学法（蒋华平，2013；黄朝阳，2014；谭永丽，2016）、PBL（基于问题的）教学法（孙祎英等，2012）、体验教学法、创新者教学法、六步法教学（林祖盛，2017）、乐高4C教育理念、探讨式教学法（战强，2016），K5示教法（曲芳，2016）等。很多方法名称是从不同角度描述，属于重叠的，说明了机器人教学理论正在趋于成熟，同时也表明该领域的基础理论研究需要较多关注和探讨。

其次，教学模式科目占据课堂教学理论的42.8%，基于项目教学的模式是大家认可度较高的，这也与教学方法的统计数据相吻合。有研究者提出实验引导、任务驱动、团队合作等模式(谢达，2008），也有研究者通过知识纬度和机器的交互性能建立模式结构，分为实验模拟、趣味交互、科学探究、发明创造四类学模式[9]（钟博昌，2016），较为概括。有研究者提出了将项目的教学与创客理念融合，通过讲练教学基础知识，接着通过项目模仿阶段和创造阶段完成作品，最后分享交流，较为符合中小学生的学习规律[10]（王小根，张爽，2016）。另外还有“四位一体”教学模式（李充宁等，2008）、“主导—主体”教学模式（衷克定等，2008）、项目学习模式（党志刚，2010；李仙蕊，2008；马志敏，2016）、项目式翻转课堂教学模式（余龙九，2017）、模仿与创造模式（张爽等，2016）、竞赛项目模式（郭才东，2016）、微客导学教学模式（王同聚，2015；周洪万，2017）等，较多以项目教学模式为核心发展而来。

另外，机器人教学的目标制定、内容选取原则和评价标准研究文献较少，需要进一步丰富其实践和理论基础。部分文献提及内容设计依照任务分解的原则，设计目标坚持分层递进的原则，用以促进学生渐进式开展项目学习，具有参考价值。

教学设计作为连接课堂教学理论和教学实践的桥梁，程现逐年微幅上升趋势。机器人教学设计涉及到器材、学习资源，实验平台和课堂教学步骤等内容，与其它学科有着较多区别，逐渐丰富的设计案例成为机器人教学及其理论研究重要参考。

教学实践与应用，竞赛与团队管理；实验室建设与实验器材，师资培养类文献数量均不足百篇，有待继续丰富其实践和理论。值得一提的是，教学实践与应用是贴近一线教学人员的研究领域，形成较多研究成果。其中慧鱼、Scratch、RobotArt、AI-RCJ等虚拟（仿真）软件性质应用占据34.1%，是机器人教学的重要应用形式，具有底成本优势，利于经济条件受限的学校开展相关教学活动。另外，康复治疗和医学应用内容的文献成为亮点，总结机器人技术在临床培训中的教学应用经验，为医学教育提供参考。

3.研究热点的可视化分析

研究热点的可视化分析可以更为客观聚焦研究领域的核心内容，反映该领域较为成熟的理论类目。研究主题虽然反映分类结果中的文献数量，但是不能完全反映研究热点。笔者将1500个文献样本导入Citespace系统，设定时间切片为一年，采用Pathfinder算法，以Top N%=10.0%为阀值绘制热点图谱，如图1所示。热点内容的共现频次越高，字体就越大，超过0.1中心性数值的则接近紫色圆环中心，认定为研究热点。

图1 总样本关键词共现聚类和关系分析

本文结合热点图谱和中心性统计数据，列出词频大于30的关键术语，将中心性大于0.1的归纳为研究热点，如表6所示。数据显示机器人教学、工业机器人、智能机器人、机器人工程、机器人竞赛、机器人大赛、信息技术、通用技术，是热点研究领域，归为教学项、技术项、比赛项、课程整合四项。

第一，机器人教学在2008年已经成为热点话题，其中心性达0.32，成为关键节点。其理论在主题分类中已详实叙述。该类研究主要体现在一线教学教师具有较好研究条件，形成较丰富文献成果。研究中小学机器人教育的人员中有38.1%来自大学、科技中心、大学生等，超过一半为中小学教师。机器人教学研究形成大学研究为主体，中小学机器人教学研究紧随其后的格局。数据表明相关研究理论以机器人教学为关键节点发展而来，具有较好实践基础，有着较高的可信度。

第二，工业机器人、智能机器人、机器人工程属于技术项，是机器人教育的技术基础。进一步统计结果表明，技术类文献多来自大学和科研部门，倾向研发性质。基础教育领域则着重课堂教学应用。该领域成为热点说明机器人技术研究受到较多关注，积极促进了机器人教育的发展。

第三，比赛项作为研究热点，虽然在主题统计中并未显现出来，但是，在其他类目文献中提及的次数较多，共现频次达621，中心性为0.1。数据表明机器人竞赛仍是机器人教育的重要方式。这说明该领域的常规课程开始程度不够发达，仍需加强机器人课程普及推广工作。

第四，信息技术、通用技术在中学课程中均涉及机器人选修模块，特别是通用技术中心性达0.22，说明该课程受到机器人教学引领作用，成为重要学习平台。机器人教学由课外活动，社团学习模式，逐步向技术类课程融合，成为学科课程的一部分。整合机器人技术成为技术类学科内容的重要扩展形式。

另外，从研究趋势来看，研究热点集中在2008年份，随后热点发展趋势进一步变化，生成较多新的研究内容，其中Stem教育、创客教育、Steam教育⑥成为新的教育形式，体现了教育实践和理论新变化，也将带动相关教育理论研究的新进展。

图2 研究趋势的可视化分析（数据来源：本研究统计整理）

五、结论探讨

通过上述三个方面的分析，结合笔者提出的研究问题，得出以下几点认识：

第一，职务特征的分析结果表明，由高校的专家学者和科技公司技术引领，行政力量推动，活动中心和主办机构组织实施，一线教师广泛参与的机器人教育格局正在形成。相关研究领域成员文献数量变化较好反映了这一趋势。机器人教育向中小学推进具有了一定的组织和理论基础、具备较为成熟的器材配件市场条件。《国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知》⑦进一步阐明在中小学设置人工智能相关课程，鼓励进行形式多样的人工智能科普创作活动，也将推动机器人教育发展。机器人教育参与人数将不断增加，教学实践和理论内涵也将更为丰富。

表6 关键术语频次及中心性统计表

第二，主题分析结果表明，教学理论，特别是项目教学模式下的研究取得较多成果，成为广泛认可的教学模式，演变出任务驱动、实验引导、体验学习等教学方法。项目教学组织方式也出现了团队合作、竞赛促学、反转课堂、模仿-创造等多种形式。项目教学可用的微课视频、网络社区、创客空间等学习资源也逐渐发展起来。学生通过特定项目学习机器人技术是其跨领域的特点决定的，需要依据教学目标设计出侧重点不同的任务，并分解成更小项目，采用适合的机器人部件或平台开展学习。值得一提的是，学生通过开源机器人配件结合积木式编程方式开展学习的方式更加适合中小学生学习特点，可以收到较好效果。总体来看，适合学生学习的课程资源略显不足，基于上述理论的教学案例仍需不断丰富，需要加强课程资源开发和交流平台建设，以适应机器人教育的跨科学、多态性的特点。另外，实验室和教师团队建设仍然是机器人教育亟待加强的重要环节，需要相关学校的认可和支持。

第三，热点分析结果表明机器人技术和教学同时成为研究热点，体现了技术发展对机器人教学的促进作用，说明Arduino、Scratch等技术成果对丰富教学实践和理论具有决定性影响。首先，笔者发现机器人教学器材的国际品牌占据较多份额，国产品牌仍需较多升级和技术推广，相关技术的基础研究和技术成果仍有较大发展空间。其次，机器人教育在技术推动下会围绕创客教育、Steam等教学模式不断丰富，形成下一个研究主题和热点。另外，机器人课堂教学现阶段仍以竞赛为重要推动力量，其中信息技术、通用技术等与机器人教育的学科整合出现良好开端，形成技术对课程的内容丰富、升级和更新的趋向。值得一提的是，机器人教学目标、内容和评价研究随着机器人教育的推广，必将得到较多关注，期待形成更多有价值研究成果。

另外，本文受条件限制尚未收入2017年所有的相关文献，未能体现全貌，也没有对工程对象教学法、项目教学法等概念做出界定，有待进一步完善和探讨，也有待专项的研究成果详述基础理论部分，以便提供进一步的说明，提供更多有价值的参考。

注释：

①数据来源：http://kns.cnki.net/kns/brief/default_result.aspx搜索时间：2017年8月8日期间文献。

②数据来源：https://shopsearch.taobao.com/search?app=shopsearch，搜索时为2017年8月8日的所有店铺。

③搜索时间：2008.1.1-2017.8.11，选取期刊和特色期刊，硕博论文项目，其中2017年文献统计受时间影响，但是反映最新成果，是本研究的良好补充。

④数据来源：http://www.worldrobotconference.com/cn/yqs/dasaitongzhi/。

⑤数据来源：2018.8.23日亚马逊网上图书城搜索结果，网址：https://www.amazon.cn/。

⑥STEAM 教育是科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），艺术（Art），数学（Mathematics）跨学科的学习形式。

⑦《国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知》国发〔2017〕35号，资料来源：http://www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm。

参考文献：

[1]王珂.机器人教育的发展趋势及未来把握[J].机器人产业,2016(3):48-52.

[2]王改霞,朴姬顺.国内机器人教育研究发展综述[J].中国教育信息化,2012(12):14-17.