基于教育机器人平台的“机器人教育+竞赛”教学模式研究

李舒媛 张雪峰

摘要：当前，中学生机器人教育仍然停留在组织“竞赛”层面，真正意义上的机器人教育在普通高中学校还未能得到落实。在现有教育状况下，积极探索适合普通高中实施机器人教育的教学模式，提出“机器人教育+竞赛”教学模式，通过将机器人教育与机器人竞赛相结合，构建两者相互融合、相互促进、相互保障的机器人教育课程，拓展机器人教育教学实践，推动普通高中机器人教育的可持续发展。

关键词：教育机器人;机器人教育;教学模式;机器人竞赛

一、研究背景

（一）普通高中机器人教育现状

现阶段，我国普通高中没有系统的机器人教育课程，只有在《普通高中通用技术》中设置了“简易机器人制作”模块，不论是知识内容还是编程方式都相对比较简单，无法让学生得到系统化的知识积累和能力提升。其次，各学校机器人教育资源短缺，主要表现在：其一，机器人教育教师队伍紧缺。几乎没有专业的机器人教育教师，一般都是由物理、信息技术教师兼职担任教学，仍然受专业知识的限制，教学水平与能力都无法满足教学需求。其二，机器人教育器材配置不足。一方面现有机器人教育器材普遍昂贵，要配齐所需教学器材大多数学校资金不足，这也是造成当前校外培训机构多、学校教学少的根本原因;另一方面各品牌开源硬、软件之间兼容性差，限制器材的适用范围和效率，且增加了教学的难度和复杂性。再次，有许多学校组织学生参加各类机器人比赛，这在一定范围内开展了机器人教育，但也只能是对机器人教育教学的补充。

（二）教育机器人平台的作用。

所谓教育机器人，是指能够为学校机器人教育提供服务的硬、软件组件系统。教育机器人平台就是开发和生产机器人硬、软件组件的单位，如未来伙伴机器人有限公司、乐高公司等，这些教育机器人平台不但为学校机器人教学提供资源，而且通过组织全国性的机器人竞赛来推广机器人教育，如Abilix教育机器人承办的“WER全国青少年教育机器人大赛”; LEGO教育机器人承办的全国青少年机器人大赛等，这些比赛通常都会提供教师和学生的学习和技能培训、练习等，实质是在一定范围内开展了机器人教学，举办竞赛的过程也为学生搭建了相互交流和学习的平台，为推动学校机器人教育产生了积极的作用。

（三）机器人竞赛对中学生机器人教育的影响

相较于学校机器人教学，机器人竞赛受到的关注度却相对较高，很多学校有组织学生参加各类机器人竞赛活动，但竞赛毕竟不能等同于教学。一方面参与学生人数有限，达不到普及性教育的目标;另一方面是比赛项目中学生所学到的知识仅限于比赛规则所确定的内容，因此学生掌握的机器人知识与技能具有局限性。即便如此，机器人竞赛给中学生机器人教育带来的影响还是不可忽视的。其一，机器人竞赛项目中，各个任务模块的搭建、任务机器人的设计与制作、任务编程等，都涉及机器人教育的内容，其实就如同机器人教学中的“项目型”实践教学，但任务多、难度大、综合程度高。其二，机器人竞赛的器材为学校机器人教学提供了条件。由于机器人竞赛规则变化比较快，器材更新周期短，因此，竞赛完成后会有大量的竞赛器材被淘汰并闲置，将这些器材应用于机器人教学是一种不错的选择。其三，机器人竞赛可以激发学生机器人学习兴趣，可以吸引更多的学生参与机器人知识与技能的学习，这也是机器人竞赛的核心目标，同时对推动机器人教育有着十分重要的意义。

二、机器人教育与机器人竞赛的整合

将“机器人教育”与“机器人竞赛”进行科学、合理的整合是构建“机器人教育+竞赛”教学模式的关键。从现实状况来看，现阶段普通高中实施机器人教育的方式主要有通用技术课与机器人竞赛，要将这两种方式整合成为实施机器人教育的常态化教学模式，主要应从以下几个方面

（一）将机器人竞赛规则开发成为机器人教学内容

每一项机器人竞赛规则都是由若干个任务单元组成，而每一个任务单元都有一个任務模块，并规定一个机器人操作、控制任务功能。在教学时，可以将机器人竞赛中的某一项任务开发成为一个机器人教学内容，通过任务模块制作，设计搭建任务机器人，让学生掌握机器人的基本构成，以及完成任务机械爪的设计、制作等知识，然后通过编程控制机器人的活动，完成竞赛规则中设定的任务，即完成教学任务。比如，在教学“利用摄像头进行图像识别”内容时，将第二十届青少年机器人创新挑战赛项目中的“无人超市购物任务”作为学习任务：第一步，制作任务模块。学生根据任务模型，利用积木件组装任务模块，如图1所示。第二步，设计制作机器人。根据完成任务需要，利用竞赛器材设计制作完成机器人。第三步，根据完成任务要求，设计制作便于完成任务要求的机械爪，并安装在制作完成的机器人上，如图2所示。第四步，编制程序。根据完成任务的操作过程需要编写程序，调试机器人完成规定任务。

（二）整合机器人竞赛器材满足机器人教学器材需求

普通教育机器人结构基本是由电源模块、传感器模块、控制模块和驱动模块等四个部分构成，各个模块需要若干元件进行组装或单独构成。就拿传感器模块来看，可能需要多种类型的传感器，如超声波传感器、颜色传感器、热电阻温度传感器、速度传感器、湿度传感器、力敏传感器等等，在一个竞赛项目或一届竞赛项目器材中配置的传感器不可能满足教学需要，因此，通过整合和积累多次竞赛、多个项目的器材，就能够逐步满足机器人教学所需的器材。另外，对于不同品牌的器材之间可能存在不能相互兼容和匹配的情况，一方面，要根据不同的教学需要对器材进行分类或分组，形成组合式教学套件。另一方面，要对器材进行必要的改装，使得两种器材之间能够实现相互融通与匹配，更为方便地应用于实际教学之中。比如，不同竞赛项目所使用的主机往往是不同的，教师可以通过改装或使用开源扩展板的方法达到教学的需要，拓展机器人竞赛主机在机器人教学中的应用场景。

（三）将机器人教学实践融入机器人竞赛项目练习中

机器人教学是一种集知识性、实践性、创新性于一体的综合性教育教学活动。因此，机器人教学实践是机器人教学的重要环节，而机器人竞赛项目必须通过不断的实操训练和创新优化，才能取得好的成绩。基于此，我们可以把机器人教学与机器人竞赛项目训练进行整合，将机器人教学实践融入机器人竞赛项目练习中，取得教学与竞赛双丰收的效果。例如，在教学“机器人的抓取功能实现”内容时，选择“第十八届中国青少年机器人竞赛 VEX 机器人工程挑战赛项目”实施教学，首先让学生根据竞赛项目要求制作机械爪，学习机械转动系统知识，然后通过编程控制机器人，利用竞赛项目模块实现：将锥筒抓起并放置到固定桩上。通过这样的教学实践，不但很好地完成了机器人教学任务，而且进行了机器人竞赛项目练习，同时激发了参与机器人竞赛的兴趣，提升了学生机器人制作的能力。

三、“机器人教育+竞赛”教学模式构建

中学生机器人教育教学活动主要涉及教学内容、教学实践、教学器材等方面。如何将机器人教育与机器人竞赛整合成为“机器人教育+竞赛”教学模式，就要从教学内容、教学实践、教学器材等方面进行融合、联通、优化，形成共同、共育、共享的机器人教育教学共同体。为此，我们研究构建如下“机器人教育+竞赛”教学模式结构，如图3所示：

以上“机器人教育+竞赛”教学模式设计，主要实现三个方面的整合优化：其一，机器人教学器材与机器人竞赛器材整合，为机器人教学提供物质保障;其二，机器人教学内容与机器人竞赛项目内容整合，为机器人教学目标实现提供优质教学资源;其三，机器人教学实践与机器人竞赛训练整合，为机器人教学创造良好的教学环境。通过三个方面的整合优化，实现机器人教学有教学内容、有教学条件、有教学手段、有教学环境，从而建立机器人教育生态，确保中学生机器人教育的可持续发展。

总之，在当前技术环境下，将机器人教育与机器人竞赛相结合，充分发挥各自的教学功能和教育优势，建立“机器人教育+竞赛”教学模式，是构建中学生机器人教育生态的主要途径。当然，这一教学模式还处于充实与完善阶段，要让其发挥出更为有效的教学作用，还需要一线教师在教学实践中进行深入研究与探索，期待有更为丰富、更有价值的研究成果的不断涌现。

参考文献：

[1]许丽.基于创客教育的初中机器人教学模式研究[J].教书育人：校长参考，2019（8）：1.

注：本文系定西市教育科学“十三五”规划2020年度立项课题《基于教育机器人平台的中学机器人教育模式实践研究》成果（立项号：DX[2020]GHB337）。