机器人学的教育应用及展望

林晓峰，谢 康

（赣南师范大学 新闻与传播学院，江西 赣州341000）

一、引言

“阿尔法狗”击败世界围棋冠军柯洁事件引发了公众对人工智能的高度关注，关于人工智能在各个领域的应用研究也随之迎来第四阶段的高潮。[1]而机器人学是为人工智能在教育中应用的研究领域之一，[2]分析、归纳和总结机器人学的教育探索历程和应用案例对后续开展机器人学的相关研究尤为重要。本论文将分别从我国机器人学在教育应用中的探索历程、机器人学的教育应用以及我国机器人学在教育中应用展望三方面展开阐述。而本论文的研究成果也将进一步丰富机器人学的研究理论基础，促进机器人学学科体系的建立，同时也对机器人学在教育中应用的相关研究具有一定的指导性作用。

二、我国机器人学在教育应用中的探索历程

1.机器人、机器人学与机器人教育

根据1979年美国机器人研究所（Robot Institute of America，R.I.A）所给出的相关定义，机器人（Robot）是一种可以再编程序的多功能操纵器，它被用来移动材料、工件、工具或专用设备，并通过可编程的运动来完成各种任务。[3]随后，刘辛军和于靖军等[4]从学科的角度出发，认为机器人是力学、机构学、材料学、自动控制、计算机、人工智能、光电、通讯、传感、仿生学等学科交叉和技术综合的结合。刘相权、刘启光[5]则认为机器人是一种自动化的，能够通过预先编排的程序自主完成某类任务的机器装置。

机器人学（Robotics）是研究以智能计算机为基础的机器人的基本组织和操作，一般而言，机器人学包括基础研究和应用研究两个方面，主要内容有操纵器、传感器、程序语言、计划系统和装置与系统结构五个主要部分。[6]后来国内有学者认为，机器人学是一门综合了力学、机构学、机械设计、传感技术、以及电气液压驱动、自动控制工程、人工智能和仿生学等学科领域，以研究机器人理论与制造技术为目的的综合性学科。[7]从本质上说，机器人学就是一门研究机器人的学科。

机器人教育（Robot-based Education）从广义上说指的是利用智能机器人进行教育教学活动；狭义上是指在教育领域使用智能机器人来改善教学过程，优化教学效果及完善师生工作方式的理论与实践[8]。机器人教育是随着对机器人的研究而发展的，机器人学是随着机器人和机器人教育的发展而逐渐形成的，因此三者之间的形成与发展相互紧密联系着。

2.我国机器人学教育应用探索历程

截至2018年中期，在中国知网上以“机器人学”为主题进行文献检索，检索结果如图1所示。检索结果显示，与机器人学相关的学术文献共有3840篇，对机器人学最早的研究是1980年刘敦畲和戴善仁在 《机械工业自动化》期刊上发表的“智能机器人略谈”。[9]由于对机器人学的教育应用研究是随机器人学的发展而发展的，因此，对全部检索结果进行计量可视化分析，可以得出我国机器人学的教育应用探索历程大致经历了如下三个阶段：

（1）探索初期（1980-1999 年）

机器人学教育应用的初步探索期。该时期主要探讨的内容是：机器人技术研究、机器人相关会议、国内外机器人技术研发与进展和机器人技术在教育中的初步应用等。

（2）探索中期（2000-2009 年）

图1 以“机器人学”为主题的CNKI文献检索计量分析结果

在此期间，既是机器人学学科体系建立期，又是机器人学教育应用探索的高速期。步入2000年后，我国对机器人学的相关研究得以较快发展。2000年，由蔡自兴教授编写、清华大学出版社出版、直接以“机器人学”命名的著作《机器人学》正式出版发行，这部著作对中国机器人学学科体系的建立具有至关重要的意义。[10]同时，2000-2009年期间中国关于机器人与机器人学的研究呈指数上升状态，进入了机器人学教育应用探索的高速发展期。该时期主要探讨的内容是机器人学的教育探索与应用、机器人学现状与趋势分析、机器人学课程教学方法研究以及多种机器人的应用研究等。

（3）平稳期（2010 年至今）

从2010年至今，中国对机器人学的研究趋于平稳状态，平均每年发表的文献保持在230篇左右。但从另一方面，也说明学界对于机器人学的研究步入了一个“高原区”，需要进一步探索和反思机器人学学科的发展方向。该时期主要探讨的内容是：机器人学课程或教学改革与实践、机器人学的教育应用、机器人的技术伦理和关于各类机器人的设计开发研究等。

3.中国机器人学及机器人教育发展现状和特点

几十年来，在“863计划”和“国家自然科学基金”等政策的大力资助下，中国的机器人学和机器人技术无论是在基础理论方面，还是关键技术方面都取得了显著的进步。就当前来说，在国内机器人领域内已经形成了一支较高水平的研究队伍，其中就包括两院院士、国家杰青、“长江学者”特聘教授等高端人才。他们广泛分布在高等院校、中科院及研究所，建立了多个机器人研究基地。2017年8月21日，在中国举行的“机器人技术国际工程科技发展战略研究高端论坛”上，IEEE机器人与自动化学会前主席拉贾·夏蒂拉认为：目前，中国机器人发展无论是从规模还是应用领域，都是前所未有的。[11]但是，国内学者在《IEEE Trans.on Robotics》、《Int.J.of Robotics Research》等机器人领域国际期刊上所发表的论文数量偏少，跟欧美发达国家仍存在较大的差距。而且在国际权威期刊和机器人专业期刊上ESI高被引论文中也少见国内学者身影。[12]从侧面反映出国内机器人学领域原创性成果还是比较少、关键核心的技术瓶颈还亟需突破、机器人学学科交叉活力不足等特点。

目前我国机器人教育仍属于起步阶段，在我国高校专业设置上还没有独立开设机器人学专业。当前机器人教育主要还是在智能科学与技术专业、机械设计制造及其自动化专业以及公共选修课等课程上开展。[13]其教学内容一般包括机器人概述、硬件结构、编程、比赛以及教学五部分。[14]同时，我国的机器人教育还是以专业教育和科研为主，重在培养学生的创新精神与实操能力。但由于高校机器人学相关专业入门门槛较高，只能针对部分人员进行培养，进而非专业背景学生接触机器人教育的机会少之又少。因此，当前我国高校机器人教育呈现出发展不均衡的特点。[15]

三、机器人学的教育应用

目前机器人学仍处于教育应用探索的阶段，总结和归纳机器人学的各种探索和应用案例为机器人学的教育应用起到了关键性作用。为此，本论文在大量文献调查研究的基础上，认为机器人学的教育应用可以分为机器人学教育以及教育机器人两方面。

1.机器人学教育

经济社会需求是机器人学和机器人技术形成的催化剂和原动力，而机器人学教育是机器人学学科和机器人技术赖以发展的强化剂和推动力。[16]机器人学教育又包含机器人学学科的专业与课程教育、机器人学知识的普及教育两点：

（1）机器人学学科的专业与课程教育。机器人学教育是随着机器人学的发展而发展的，国内外机器人学已经建立了较为完善的学科与课程体系。现阶段，中国的高等院校在机械类、自动化类、智能科学技术等专业均有开设机器人学课程，甚至一些师范院校理学类专业也因中小学越发重视机器人教育而将机器人列为专业选修课程，如：教育技术学专业。

（2）机器人学知识的普及教育。近年来，随着机器人教育、创客教育在教育领域中不断升温，中国每年都在各个地区或高等院校中举办机器人比赛、机器人影片展示和机器人学科普讲座等机器人学比赛和普及教育活动，这些比赛和活动不仅提高了学生们对机器人学和机器人技术的兴趣，也培养了广大青少年的创新意识和创新思维；同时，国外有不少以机器人为题材的影视作品在中国上映，如：《黑客帝国》、《变形金刚》、《机器公敌》等等，这些题材的电影每次上映都吸引了大量观众前去观影，在宣传高科技的同时，也对观众进行了机器人学知识的普及教育。

2.教育机器人

教育机器人是指在教育领域中所采用的机器人，其最终目的是要培养学生的学习分析能力、创造能力和实践能力，具备教学适用性、开放性、可扩展性和人机交互界面友好等特点。[17][18]教育机器人为当前教育教学提供丰富教学资源的同时，随着机器人技术的不断发展以及广大学生对智能技术学习兴趣的不断提升，在教育领域中的应用将越来越普遍。按教育机器人的用途来分类，大致可分为8类，如表1所示。

（1）娱乐玩具机器人

这是一种针对儿童开发设计的教育机器人，既可以满足孩子们的玩乐需求，又有助于儿童智力开发和语言文字学习。如：美国UGOBE公司研发的Pleo电子宠物、Wonder Workshop（奇幻工房）公司研发的Dash-Dot儿童教育机器人等。

（2）智能助理机器人

这类机器人可以成为学习者个性化学习服务的助理。典型案例有：麻省理工研发的Jibo机器人、蓝蛙机器人公司生产的Buddy智能机器人、日本软银集团和法国Aldebaran Robotics共同研发的Pepper等。

（3）远程控制机器人

使用者可以远程控制机器人，打破了时空的界限，异地参与教和学活动。典型案例有：韩国科学技术研究院研发的可远程控制教学机器人“Engkey”、Cambridge公司为提升企业沟通效率而研发的远程机器人Vgo等。

（4）STEAM 教具

STEAM是一种新的基于学科背景的综合教学方法。而STEAM教具是指那些为适应STEAM教育而开发设计出的教学工具，其中就包括有：makeblock公司开发的Mbot机器人、乐高公司和美国麻省理工学院共同开发的Mindstorms机器人等。

（5）特殊教育机器人

特殊教育机器人是一种应用于特殊教育，为特殊症状使用者而设计开发的教学机器人。如Aldebaran Bobotics公司打造的人形机器人Ask Nao，其内含特别编制的游戏和应用程序有助于自闭症孩子学习、发展和融入社会；还有Robokind公司生产的仿生机器人Milo。

（6）培训类机器人

针对为企业内专业人员和医疗专业人员培训而开发的一类机器人。如：美国再思考机器人（Rethink Robotics）公司推出的Baxter机器人、美国直觉手术公司研发的达芬奇手术机器人系统。

（7）康复保健机器人

为老年人专门设计使用的，具备娱乐、脑力训练、复健教学等复健照护功能的机器人。如：养老院服务机器人Zora Bot、韩国科学技术研究所推出的为老年人服务的Sil-bot机器人、卡内基梅隆大学研发的为老年人或残疾人提供护理帮助的Ballbot机器人。

（8）安全教育机器人

安全教育机器人通过角色扮演，利用机器人向群众普及安全教育知识。该类机器人应用在各个群体和情境中，具有十分良好的空间。如：安全教育机器人Robotronics。

表1 教育机器人的应用案例及研发机构一览表

四、我国机器人学在教育中应用展望

目前，世界各国纷纷将机器人的发展上升为国家战略，如美国国家科学基金会2017年发布的“国家机器人计划2.0”战略、德国联邦政府2015年公布“升级版工业4.0”、日本的“机器人新战略”等。[19]而我国也把握世界潮流、抓住发展机遇，在《中国制造2025》中明确将机器人列入重点发展产业。

因此，随着如今国家对机器人领域的重视、机器人学的迅速发展和机器人学教育的实际应用需要，预计我国机器人学的教育应用可能在以下几方面会有所突破：

1.机器人学教学改革

目前，机器人学课程在教学开展过程中，表现出传统机器人学课程的教学内容繁杂、教学内容单一以及重理论轻实践等不足，从而严重影响学生的学习积极性。[20]为改变这一现状，势必要针对机器人学学科教学过程中所存在的不足进行教学改革，以适应国家对机器人学创新型人才培养的需要。

因此，在务实机器人学理论基础的前提下，做好学科课程顶层设计，对机器人学理论教学内容进一步优化尤为重要。各个院校应结合教学的实际情况，兼顾机器人学学科知识的深度和广度，对机器人学学科的理论知识进行组织与再组织，将教学内容与实践有机地结合起来；同时，也要注重对教学方法的改进，增加现场教学的环节，提高课堂的积极性；另外，要规范器材配置，建立相应的教学实验平台，进一步拓展实践教学内容；最后，要强化对教学相关人员（教师和实验员等）的培训，改进对学生的考核方式。

2.机器人学高素质人才培养

人才是第一资源，机器人学学科的发展规划与技术推广都离不开高素质人才的培养。对于机器人学高素质人才的培养，建立完善的学科人才培养制度和总方针是首要，规范各级机器人学教育是关键，“产学研结合”是培养机器人学高素质人才的重要方法。同时，可以加大技术装备的投入和机器人平台（如：虚拟仿真教学平台和智慧工厂微型实训平台等）的构建，充分利用网络技术和多媒体技术为机器人学人才培养营造一个良好的发展环境。

3.中国机器人产业

机器人产业为机器人学学科和机器人技术形成和发展提供了源源不断的动力。据相关研究，当前制约我国机器人产业发展的因素有以下八点[21]：①制度不完善；②低端技术存在锁定隐忧；③机器人成本高；④没形成完整的产业链；⑤企业定位盲目、无龙头；⑥国外品牌产品有绝对的市场优势；⑦产业园重复建设严重；⑧人才系统建设没有得到足够的重视。

中国机器人产业要得到长足发展，笔者认为需要做到以下四点：①政府部门要出台相应的产业制度，引领产业的发展，同时也要加大对机器人产业相关项目的扶持力度；②设立相应的机器人协会，汇聚高端人才；③相关企业和研发机构要加强对核心技术的研发力度；④国内企业也要不断探索错位竞争的机会，不断发展壮大中国机器人产业集群。

五、结束语

本文在查阅大量文献以及与机器人学教育应用相关案例研究的基础上认为，我国机器人学在教育应用中的探索历程主要有探索初期、中期和平稳期三个阶段，且我国机器人学呈现出学科交叉活力不足、高校机器人教育发展不均衡的特点。