人形機(jī)器人進(jìn)入初中課堂的應(yīng)用研究

董昊

摘要：現(xiàn)今，無論是學(xué)校里還是社會(huì)中，形式多樣內(nèi)容豐富的機(jī)器人大賽正在蓬勃開展，將人形機(jī)器人引入教育領(lǐng)域并發(fā)揮其應(yīng)有的作用是人形機(jī)器人研究的一個(gè)重要課題。因此，筆者對(duì)人形機(jī)器人進(jìn)入初中課堂做了研究。

關(guān)鍵詞：人形機(jī)器人；初中；課堂應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2015）15/16-0187-03

人形機(jī)器人的概況及應(yīng)用研究

人形機(jī)器人的研究開始于20世紀(jì)60年代后期，解決人形機(jī)器人通過雙足進(jìn)行行走是當(dāng)時(shí)的主要目標(biāo)?，F(xiàn)階段，人形機(jī)器人主要有兩個(gè)發(fā)展方向：一是追求其外形上與真實(shí)人類的各種特征相似，二是使機(jī)器人的功能更接近人類，能完成與人類相似的思維和動(dòng)作。

人形機(jī)器人一般由伺服電機(jī)、控制主板、鋰電池、金屬框架、與控制主板相配套的軟件組成，這樣構(gòu)建的機(jī)器人主要應(yīng)用于教育領(lǐng)域。例如，ROBOT·X人形機(jī)器人，在機(jī)器的各活動(dòng)關(guān)節(jié)的配置多達(dá)17個(gè)伺服舵機(jī)，具有17個(gè)自由度，身手自由便捷，更能完成諸如手臂后擺90度的高難度動(dòng)作?？刂浦靼孱愃朴谌诵螜C(jī)器人的腦部，通過自身的智能編程軟件便能自動(dòng)地完成所有動(dòng)作。鋰電池為人形機(jī)器人進(jìn)行活動(dòng)提供了能量。金屬框架類似于人形機(jī)器人的骨骼，對(duì)整個(gè)機(jī)器人起著支撐作用。由這些部件組合起來的人形機(jī)器人能在音樂的伴奏中完成起舞、行走、起臥、武術(shù)等表演，甚至還能完成翻跟斗等雜技以及各種奧運(yùn)競(jìng)賽動(dòng)作。

現(xiàn)如今，人形機(jī)器人不僅大量應(yīng)用于工業(yè)技術(shù)中，也逐漸走進(jìn)了課堂教學(xué)中。機(jī)器人教育是指學(xué)習(xí)、利用機(jī)器人，優(yōu)化教育效果及師生勞動(dòng)方式的理論和實(shí)踐。人形機(jī)器人用于課堂教學(xué)，可以實(shí)現(xiàn)主持教學(xué)、輔助教學(xué)、管理教學(xué)甚至可以處理教學(xué)事務(wù)等諸多功能。

人形機(jī)器人引入初中教育的必要性

初中生的身心發(fā)展具備一定的典型特征，如果處理不當(dāng)，這些特征勢(shì)必會(huì)影響學(xué)生的學(xué)習(xí)與發(fā)展，因此教育必須與學(xué)生身心發(fā)展特征相適應(yīng)。這些特征主要表現(xiàn)為：①在生理上，生長(zhǎng)發(fā)育迅速，第二特征開始出現(xiàn)，生理上的特點(diǎn)要求教育不應(yīng)給予學(xué)生過重的課業(yè)負(fù)擔(dān)，在學(xué)習(xí)之余必須適當(dāng)開展有益他們身體生長(zhǎng)發(fā)育的學(xué)習(xí)活動(dòng)。②初中生的感知日漸靈敏，記憶力有了極大發(fā)展，同時(shí)情感外露不理智，自控能力并不強(qiáng)，這就需要教師在課堂中注重學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。

然而，與之相對(duì)，目前我國(guó)初中教育具有如下特性：①教學(xué)資源良莠不齊。由于地區(qū)、學(xué)校間的教學(xué)資源分配不平衡，學(xué)生所占據(jù)的教學(xué)資源并不統(tǒng)一，教學(xué)資源貧乏地區(qū)的學(xué)生可能無法接受到良好的教育。②教學(xué)模式枯燥單一。目前，在初中課堂中，教師主導(dǎo)的教學(xué)模式依舊是主流，學(xué)生的學(xué)習(xí)較被動(dòng)。③課業(yè)負(fù)擔(dān)較為沉重。在當(dāng)今應(yīng)試教育的巨大壓力下，初中學(xué)生面臨中考這一巨大負(fù)擔(dān)。另外，在學(xué)校學(xué)習(xí)中，以作業(yè)為主的學(xué)習(xí)方法也使得他們小小年紀(jì)就背負(fù)上了沉重的課業(yè)負(fù)擔(dān)。

因此，為了適應(yīng)初中學(xué)生年齡結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，改變初中課堂中的陳規(guī)陋習(xí)，我們將人形機(jī)器人引入初中課堂并探究其應(yīng)用效果。

人形機(jī)器人應(yīng)用在教育中的特點(diǎn)和價(jià)值

1.特點(diǎn)

（1）教學(xué)性

學(xué)校應(yīng)用人形機(jī)器人是為了主持教學(xué)、輔助教學(xué)、管理教學(xué)甚至可以處理教學(xué)事務(wù)，我們應(yīng)按教育工作者的特殊職業(yè)要求來賦予人形機(jī)器人教育特色、具備教學(xué)特性。

（2）人機(jī)友好性

人形機(jī)器人要被師生喜愛，必須具備人形化的人機(jī)界面，只有當(dāng)人機(jī)信息交流無障礙，操作使用靈巧的時(shí)候才能方便教學(xué)工作的開展。對(duì)于師生的提問和要求，需要設(shè)定程序來實(shí)現(xiàn)其關(guān)懷和耐心，這樣，才能起到耐心教育、傳道解惑的目的。

（3）高智能性

人形機(jī)器人必須具有較強(qiáng)的思維力、記憶力、觀察力、注意力，在教學(xué)事務(wù)中，對(duì)師生的狀態(tài)能及時(shí)、準(zhǔn)確判斷并迅速做出較正確的反應(yīng)。

（4）多功能性

人形機(jī)器人應(yīng)具有輔助教學(xué)、管理教學(xué)、處理日常事務(wù)等多種功能。

（5）專業(yè)性

人形機(jī)器人不需要做到萬能，也不需要精通各個(gè)科目，它只需要精通自己被賦予的功能，具備專業(yè)特色，能夠?qū)崿F(xiàn)專門職責(zé)。此時(shí)，如果注意加強(qiáng)各學(xué)科教學(xué)機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)，就能夠?qū)崿F(xiàn)人形機(jī)器人的全方位發(fā)展。

（6）安全性

機(jī)器人三原則對(duì)機(jī)器人的安全性做出了規(guī)定，安全性是人形機(jī)器人必須具備的首要特性：①不能漏電，不能因電器短路而發(fā)生毀損和爆炸。②不能程序混亂失去理智。③應(yīng)有應(yīng)急安全措施。

基于以上特點(diǎn)，我們開展了人形機(jī)器人進(jìn)入初中課堂的教學(xué)活動(dòng)。這一活動(dòng)具備改善教學(xué)的效果、改善教師與學(xué)生的工作和學(xué)習(xí)的方式兩個(gè)作用。

2.創(chuàng)新價(jià)值

（1）普及人形機(jī)器人知識(shí)

通過加強(qiáng)人形機(jī)器人教學(xué)，普及人形機(jī)器人知識(shí)，可以消除大眾對(duì)機(jī)器人的神秘感，提高全社會(huì)對(duì)機(jī)器人的認(rèn)識(shí)度。通過教育領(lǐng)域的應(yīng)用，我們可以將人形機(jī)器人拓展到其他領(lǐng)域，促進(jìn)機(jī)器人在社會(huì)各領(lǐng)域的應(yīng)用。

（2）提高人形機(jī)器人應(yīng)用能力

人形機(jī)器人應(yīng)用需要具備非常高的專業(yè)水準(zhǔn)，它涉及編程控制、管理維護(hù)、人機(jī)關(guān)系等許多有待發(fā)掘和探索的內(nèi)容。作為操作者，我們必須了解人形機(jī)器人的原理、結(jié)構(gòu)、功能、使用方法、注意事項(xiàng)，才能提高應(yīng)用水平，更好地進(jìn)行機(jī)器人研究。

（3）提高人形機(jī)器人研制能力

機(jī)器人的研制，依托于一大批精于多門類學(xué)科知識(shí)的專門人才，因此，需要不斷學(xué)習(xí)、研究最新成果。而這一切的基礎(chǔ)有賴于多形式多層次的機(jī)器人教育。

（4）深入開展信息技術(shù)教育

如今信息技術(shù)教育存在一系列弊端，開展人形機(jī)器人教育有助于克服弊端。一方面，避免“重軟”“輕硬”、重模仿輕創(chuàng)新、重實(shí)踐輕理論的通病。另一方面，要避免片面強(qiáng)調(diào)軟件工具應(yīng)用技能的學(xué)習(xí)而造成的程序設(shè)計(jì)思維素質(zhì)培養(yǎng)的缺失。

3.教育價(jià)值

（1）從社會(huì)學(xué)角度看

人形機(jī)器人在教育系統(tǒng)中由于功能特殊，具備了教師、學(xué)習(xí)伙伴、助手等多個(gè)角色的特征，它們以此為范本，各自發(fā)揮著相應(yīng)的教育作用。

（2）從文化學(xué)角度看

人形機(jī)器人教學(xué)采用了新型信息傳播方式，為教學(xué)信息的傳播帶來了變革。

（3）從心理學(xué)角度上看

人形機(jī)器人教學(xué)可以發(fā)揮激發(fā)興趣、促進(jìn)感知、加深理解、鞏固記憶等多種作用。這些作用綜合起來，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效率。

人形機(jī)器人在初中課堂的應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前人形機(jī)器人在教學(xué)中主要充當(dāng)五種角色：主持教學(xué)、輔助教學(xué)、單一學(xué)科教學(xué)、管理教學(xué)、代理事務(wù)等。

我國(guó)中小學(xué)機(jī)器人教育課程主要有：選修課、綜合實(shí)踐活動(dòng)課（競(jìng)賽活動(dòng)課）、信息技術(shù)課等。然而，人形機(jī)器人教育還是沒有被足夠引起重視。雖然人形機(jī)器人教育還沒有正式進(jìn)入教學(xué)課程層面。但目前已有許多中小學(xué)校開展了各種課外學(xué)習(xí)活動(dòng)，在興趣班中引入了機(jī)器人教學(xué)，而且從總體的調(diào)查研究來看，機(jī)器人課程也進(jìn)入了我國(guó)的一些教學(xué)先進(jìn)地區(qū)，如北京、上海、廣東、山東、湖北、黑龍江等省市大部分學(xué)校已經(jīng)開展機(jī)器人教育。與此同時(shí)，香港在初級(jí)高級(jí)課程改革中，也不斷增設(shè)各種機(jī)器人課程。種種例子都表明，我國(guó)中小學(xué)機(jī)器人教育課程正迎來一個(gè)快速普及的時(shí)期。

然而經(jīng)過十多年的發(fā)展，傳統(tǒng)的小車形機(jī)器人教育遇到了難以逾越的瓶頸，因?yàn)榧夹g(shù)的發(fā)展更新，比賽中不得通過不降低電池電壓、減少電機(jī)數(shù)量等技術(shù)手段來保證比賽的公正性，機(jī)器人教學(xué)也是過多地關(guān)注硬件技術(shù)的更新，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)漸漸弱化。因此，我們也要承認(rèn)國(guó)內(nèi)機(jī)器人教育中的不足之處。與國(guó)外相比，我們開展的課堂形式與其相差不多，但是普及深度和廣度還存在較大問題，在文化與社會(huì)積淀方面也存在著較大差距。相對(duì)來說，短期內(nèi)，我們需要加強(qiáng)軟件、硬件投入來解決軟硬件投入不足問題，但從長(zhǎng)久來看，師資力量的不足是一個(gè)更需要關(guān)注的問題。

人形機(jī)器人課堂教學(xué)在我校的開展情況

我校使用的泰山版的信息技術(shù)教材在第三冊(cè)下就安排了機(jī)器人的課程，不過教材中的教學(xué)內(nèi)容還是以傳統(tǒng)的小車形機(jī)器人為主。而近幾年各種電影、小說以及媒體報(bào)道中的機(jī)器人的形象都是可以兩足獨(dú)立行走的人形機(jī)器人，為了更好地順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的潮流，2014年初，我校購(gòu)買了兩臺(tái)人形雙足機(jī)器人。經(jīng)過培訓(xùn)后信息技術(shù)教師基本掌握了該型號(hào)機(jī)器人的使用方法，并輔導(dǎo)學(xué)生制作了機(jī)器人舞蹈節(jié)目，在學(xué)校元旦晚會(huì)上演出后激起了師生的學(xué)習(xí)熱情。

經(jīng)過一年的使用，在了解了人形機(jī)器人的基本原理和編程調(diào)試技巧后，學(xué)校將湖州愛創(chuàng)公司的人形機(jī)器人用于課堂教學(xué)，這款人形機(jī)器人，編程界面簡(jiǎn)單并且集成了語音識(shí)別功能，舵機(jī)控制板帶有舵機(jī)保護(hù)功能，比較適合課堂教學(xué)。我校通過全面開設(shè)人形機(jī)器人課程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，選拔了一批優(yōu)秀的學(xué)生，在2015年山東省機(jī)器人比賽中取得了優(yōu)異的成績(jī)。

總結(jié)與反思

我們要全面看待人形機(jī)器人進(jìn)入初中課堂的效果：一方面人形機(jī)器人在初中教育中具備種種優(yōu)勢(shì)和眾多教育價(jià)值、創(chuàng)新價(jià)值。另一方面人形機(jī)器人在教育領(lǐng)域的發(fā)展相對(duì)于其他領(lǐng)域的機(jī)器人而言起步較晚，在技術(shù)上尚未成熟，又因?yàn)槲吹玫浇逃块T的足夠重視，現(xiàn)在的發(fā)展模式依舊存在許多弊端，亟待改善。

1.人形機(jī)器人的發(fā)展處在起步階段，技術(shù)上較為原始

世界上廣泛使用的機(jī)器人主要是工業(yè)機(jī)器人，特別是面向制造業(yè)的工業(yè)機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人和教育機(jī)器人的發(fā)展不協(xié)調(diào)導(dǎo)致了其發(fā)展步調(diào)不統(tǒng)一，分別發(fā)展的人形機(jī)器人在各方面上都存在著一定弊端。

2.人形機(jī)器人的應(yīng)用沒引起教育部門的重視，宣傳和引導(dǎo)也較乏力

隨著科技的發(fā)展，人形機(jī)器人逐漸進(jìn)入小學(xué)、中學(xué)和高校課堂。機(jī)器人比賽中也有眾多學(xué)生參加。然而，機(jī)器人價(jià)格昂貴、維修保養(yǎng)費(fèi)錢費(fèi)力等缺點(diǎn)導(dǎo)致了現(xiàn)如今機(jī)器人教育無法得以大力推廣，眾多學(xué)校只是以課外活動(dòng)、興趣班、培訓(xùn)班的形式開展機(jī)器人教育活動(dòng)。

3.在硬件上，資金投入不足

人形機(jī)器人的配件有別于傳統(tǒng)的車形機(jī)器人，其主要部件舵機(jī)損壞后很難維修，購(gòu)買新的部件又是一筆不菲的開銷。同時(shí)，購(gòu)買的各種品牌人形機(jī)器人硬件設(shè)備之間通用性較差，即使使用的是同一型號(hào)的舵機(jī)，也因?yàn)楣潭ㄎ恢谩④浖仍蚝茈y通用，希望國(guó)家教育部門盡快推出教育行業(yè)人形機(jī)器人規(guī)范，制訂出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以利于人形機(jī)器人教育事業(yè)的良好發(fā)展。

隨著教育系統(tǒng)對(duì)教育的投入不斷增加和越來越多應(yīng)用于教育的人形機(jī)器人生產(chǎn)廠家參與到生產(chǎn)和競(jìng)爭(zhēng)中，相信在不久的將來，將會(huì)改變現(xiàn)在只有少數(shù)學(xué)生接受人形機(jī)器人教育的現(xiàn)狀，人形機(jī)器人可以廣泛進(jìn)入初中課堂，為教育模式的創(chuàng)新起到越來越重要的作用。

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