基于學生認知發(fā)展的中小學教育機器人功能設(shè)計分析

張國民

浙江金融職業(yè)學院 浙江杭州 310018

基于學生認知發(fā)展的中小學教育機器人功能設(shè)計分析

張國民

浙江金融職業(yè)學院 浙江杭州 310018

隨著機器人教育關(guān)注度的日益提高及其教育價值的逐步提升，作為實施機器人教育的機器人產(chǎn)品的規(guī)劃和標準化問題也日益凸顯。本文在對中小學各階段學生的認知發(fā)展水平和機器人教育目標進行概述的基礎(chǔ)上，對適用于不同階段的教育機器人產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了分析探究，望對未來教育機器人產(chǎn)品的開發(fā)提供參考價值。

機器人教育 教育機器人 認知發(fā)展 教學目標

一、引言

據(jù)預測，21世紀中期，人類社會將全面進入以智能機器人為代表的智能時代，機器人的廣泛應用將極大促進社會生產(chǎn)力的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。近年來，隨著機器人價格的下降、簡易性的提高、其潛在的巨大教育價值逐漸得到社會的認可，使得機器人進入了教育領(lǐng)域。在發(fā)達國家，尤其是英、美、日等國家，已將機器人作為一種教學輔助工具，上至高等院校、研究機構(gòu)，下至中小學、幼兒園，都正在積極開展機器人相關(guān)的教研活動。為了適應未來科技社會對人才培養(yǎng)的需要，我國教育部從2003年起把中小學機器人比賽納入全國中小學電腦制作活動中，2003年頒布的普通高中新課程標準又將“人工智能初步”及“簡易機器人制作”列入選修內(nèi)容。

機器人是一種能夠通過程序控制，自主完成某類任務的機器系統(tǒng)。教育機器人則是一類應用于教育領(lǐng)域的機器人，它一般具有以下特點：首先是教學適應性，符合教學使用的相關(guān)需求；其次是具有良好的性能價格比，特定的教學用戶群決定了其價位不能過高；再次就是它的開放性和可擴展性，可以根據(jù)需要方便地增、減功能模塊，進行自主創(chuàng)新；此外，它還應當有友好的人機交互界面。

國內(nèi)中小學機器人教育教學的開展雖已有近十年的時間，但仍然游離于日常課堂教學之外。究其緣由，其中一主要因素是當前教育機器人產(chǎn)品缺少規(guī)范，品牌繁雜，開放性低等教育機器人產(chǎn)品自身的問題。以下，我們將結(jié)合各個教學階段學生的認知發(fā)展水平和機器人教學的要求，在對此進行闡述分析的基礎(chǔ)上對不同階段使用者所需的配件、人機界面等產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計提出一些意見和建議。

二、各階段學生的認知發(fā)展與機器人教育目標

1.小學階段學生的認知發(fā)展與機器人教育目標

著名的兒童教育學家和心理學家皮亞杰認為：兒童的認知是由他自身與外部世界不斷地相互作用而逐漸形成的一種結(jié)構(gòu)。兒童在觀察事物時，往往注意新鮮、感興趣的東西，他們對周圍世界有著強烈的好奇心和探究欲望，樂于動手操作具體形象的物體。因此，這一時期是培養(yǎng)科學興趣、體驗科學過程、發(fā)展科學精神的重要時期。

小學階段的機器人教育，主要是讓學生了解智能機器人的應用價值，培養(yǎng)學習使用機器人的興趣。具體到教學要求上，對于硬件部分則要求學生了解簡易機器人的基本構(gòu)造；說出各類傳感器(如聲音、光敏、紅外、溫度、觸摸)的功能及其對人類功能的模擬。能描述機器人各部分的功能更和工作原理，能描述機器人各部分的功能和工作原理，如通過傳感器搜集信息、通過程序來判斷處理信息、控制外部動作等；如果條件允許，則可要求學生根據(jù)設(shè)計要求和已有的模塊化組裝部件，嘗試動手制作或組裝簡單的實物機器人，將編制好的控制程序?qū)氲綄嵨餀C器人；在程序設(shè)計方面，學習LOGO等簡易語言或圖形化操作界面，能夠結(jié)合使用傳感器模塊和流程控制模塊等編寫程序，感受利用程序解決問題的一般過程。

2.初中階段學生的認知發(fā)展與機器人教育目標

初中階段正是“形式運算”階段(12～15歲)。這個階段的主要思維特點是，在頭腦中可以把事物的形式和內(nèi)容分開，可以離開具體事物，根據(jù)假設(shè)來進行邏輯推演，能運用形式運算來解決諸如組合、包含、比例、排除、概率及因素分析等邏輯課題。初中生思維活動的基本特點是抽象邏輯思維已占主導地位，但有時思維中的具體形象成分還起作用。

初中階段的機器人教育，不僅要求培養(yǎng)學生使用機器人的興趣，還要教授機器人的基本工作原理，了解機器人領(lǐng)域的發(fā)展前沿。在硬件知識部分，除了在制作和操縱簡單的機器人的基礎(chǔ)上，探究機器人的機械裝置、電子裝置、傳感器裝置等，能力強的學生可對機器人構(gòu)件功能進行拓展應用，例如用繼電器和聲音傳感器組裝聲控燈；在軟件部分，了解計算機控制機器人做出各種動作的簡單流程，感知程序和程序設(shè)計語言，理解程序的基本結(jié)構(gòu)，了解“確定算法，編程實現(xiàn)”這一計算機解決問題的一般過程。

3.高中階段學生的認知發(fā)展與機器人教育目標

高中生認知結(jié)構(gòu)的完整體系基本形成。高中生認知結(jié)構(gòu)的各種要素迅速發(fā)展，各認知能力不斷完善，認知的核心成分——思維能力更加成熟，抽象邏輯思維占了優(yōu)勢地位，辯證思維和創(chuàng)造思維有了很大的發(fā)展。思維的目的性、方向性更明確，認知系統(tǒng)的自我評價和自我控制能力明顯增強。他們情感豐富、意志力增強，興趣更廣泛和穩(wěn)定，學習動機更強烈。

高中階段的機器人教育，已經(jīng)出臺了一些課程標準，如新課標“簡易機器人制作”模塊要求學生知道單片機和機械傳動的基本知識，能設(shè)計與制作單片機和傳動機械等組成的簡易自動控制機器人或簡單的自動控制系統(tǒng)。對于硬件知識部分，學生除了對各部件功能結(jié)構(gòu)的了解外，也會自行改造；在程序設(shè)計方面，考慮到對學生算法與程序設(shè)計能力的培養(yǎng)，因此除了對圖形化編程的掌握外，還要求使用更高級的程序設(shè)計語言，如Qbasic、C、Java等，通過代碼編輯器直接設(shè)計程序來控制機器人運行，在編程的過程中鍛煉學生的邏輯思維能力。

三、教育機器人的功能設(shè)計分析

綜上所述，不同階段學生的認知水平和教學要求都各不相同，那么不同層次的教學對象就需要選用不同的教育機器人產(chǎn)品，以便提供合適的功能、配件以及人機界面。那么，目前的教育機器人產(chǎn)品能否滿足各種年齡層次的學生的需要呢?市場上不乏有很多好的教育機器人產(chǎn)品，但也存在一些不近如人意的地方，因此根據(jù)上述不同階段學生的認知水平和機器人教育的要求，我們對四個階段所用機器人產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)與功能、程序設(shè)計與傳輸、機器人本體三部分的設(shè)計進行研究，提出了如下表1所示的教育機器人的結(jié)構(gòu)功能及標準要求簡表1。

表1 適用于不同教學階段的教育機器人結(jié)構(gòu)功能及標準要求簡表

1.應用于小學階段的教育機器人的設(shè)計

適用小學階段的教育機器人，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，主要體現(xiàn)在插件應用上，對于機械傳動系統(tǒng)可選用積木式或插件式或變形式三種類型。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計利于學生在機器人外形上做創(chuàng)新，憑自己的想象任意搭建機器人，設(shè)計出形態(tài)各異的機器人；對于機器人控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)，這部分知識要求超過了這一年齡段學生的認知，因此可選用模塊功能封裝的形式，分別采用一體化控制模塊和成品設(shè)備；在人機交互上，可以采用人工控制的方式，例如遙控；也可用程序控制，選用簡易的可視化圖形編程語言，如用LOGO語言做一些簡單的編程。兒童學習LOGO語言，有利于他們元認知能力的發(fā)展?？紤]到學生的能力水平和教學要求，可選用程序傳輸這種安全簡便的方式把程序?qū)氲綄嶓w機器人當中；對于小學生來說，還應選用結(jié)實耐用的、安全的機器人產(chǎn)品。小學教師認為，除了以上幾點外，選用的機器人產(chǎn)品也要方便管理。除此之外，根據(jù)學校的條件可選用一些有外形的機器人，例如，AIBO機器狗，這樣可以提高學生對機器人的興趣。

2.應用于中小學階段的教育機器人的設(shè)計

初中階段使用的機器人在設(shè)計上不再以外形為主，需要附加一定的功能，要求學生了解簡易傳感器原理及其使用，并能體現(xiàn)出機器人在焊接和控制應用方面的知識，其機械傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計時可采用遙控式或單片機式，這樣學生對單片機的原理將有初步的了解。同時，采用單片機還可以大大降低產(chǎn)品的價格，利于機器人教育的普及推廣；控制系統(tǒng)可直接采用控制版，使得單片機的相關(guān)知識更為直觀的展現(xiàn)在學生面前；對于執(zhí)行系統(tǒng)，設(shè)計成半成品的形式，使之功能封裝成模塊化，利于學生自行組裝；在人機交互上，除了選用遙控式外，弱化益智類玩具的概念，體現(xiàn)出機器人一定的智能化，可選用一些較LEGO語言要復雜些的程序設(shè)計語言，如Qbasic，為后續(xù)學習VB語言作了鋪墊。傳輸技術(shù)還是采用安全系數(shù)高、操作簡便的數(shù)據(jù)傳輸形式。初中教師提出，除了以上幾點功能設(shè)計要求外，所設(shè)計的教育機器人不僅可以用于課堂教學，還可以用于參加比賽。

3.應用于高中階段的教育機器人的設(shè)計

適用高中階段的教育機器人，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要求有更好的可擴展性和開放性，注重產(chǎn)品功能的綜合應用，最終達到可在多門課程中通用的要求。因此，機械傳動系統(tǒng)除了可選用初中階段所采用的單片機形式外，還可選用嵌入式。但要注意的一點是單片機方面的設(shè)計要緊密結(jié)合通用技術(shù)模塊的要求，選擇可多次燒錄的單片機型號和簡單易學的單片機編程語言；在控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)部分，可采用套裝散件。采用單片機和散裝化套件都極大的促進了學生在實踐過程中動手實踐能力的提高和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)；在人機交互方面，除了保留簡易的圖形編程軟件平臺之外，鑒于高中生的認知水平和今后計算機編程角度考慮，設(shè)計相對較抽象的編程語言接口，如Java、NQC、C++、C、匯編語言等。對于程序的傳輸除了選用數(shù)據(jù)線和紅外線發(fā)射傳輸之外，還可選用燒錄技術(shù)。

四、結(jié)束語

教育機器人作為機器人教育的實施平臺，其建設(shè)水平的高低對機器人教育具有至關(guān)重要的影響。研制適用于不同階段符合學生認知發(fā)展水平和教學要求的教育機器人，不僅有利于解決教育機器人產(chǎn)品的開發(fā)、選用，教學實施等當前機器人教育中所存在的問題，而且有利于機器人教育資源、實驗經(jīng)驗的共享，對于推動我國機器人教育健康、規(guī)范、可持續(xù)發(fā)展有著積極的作用。同時，規(guī)范化的教育機器人產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)需要教育政府、高等院校、中小學學校、機器人廠商等各方面的共同協(xié)作與努力。

[1]張國民,張劍平.我國基礎(chǔ)教育中機器人教育的現(xiàn)狀與對策研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2008,5:92～95.

[2]彭紹東. 論機器人教育[J].電化教育研究，2002,6：3～7.

[3][4]江蘇省義務教育階段機器人課程的“指導綱要”

[5國家九年義務教育課程綜合實踐活動指導綱要(7～9年級)[DB/EL], http://www.cn-teacher.com/fuwu/jyfg/200703/142790.html

[6]鄭和鈞,鄧京華.高中生心理學[M].浙江:浙江教育出版社,1993

[7普通高中技術(shù)課程標準(實驗)[M].人民教育出版社，2003:P102

[8]張劍平,王益.機器人教育的現(xiàn)狀、問題與推進策略[J].中國電話教育,2006,12：65～68

2009-11-11