淺析機(jī)器人與創(chuàng)客教育

郭瀚成

摘要：本文圍繞機(jī)器人創(chuàng)客教育這一概念，分析了機(jī)器人創(chuàng)客教育在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，提出了創(chuàng)客與機(jī)器人教育相結(jié)合展開學(xué)習(xí)的注意事項(xiàng)，以期能夠改進(jìn)中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)模式，催生機(jī)器人教育新課堂。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人教育；創(chuàng)客

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2017）02-0106-03

引言

在經(jīng)濟(jì)全球化的背景下，社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)空前激烈，各級(jí)學(xué)校都加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，紛紛開設(shè)了機(jī)器人課程，但目前我國(guó)的機(jī)器人教育還處在以傳授技能為核心的初步發(fā)展階段，大部分學(xué)校在機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)中并沒有過多地關(guān)注學(xué)生的思維發(fā)展及思維能力的培養(yǎng)，因此，機(jī)器人教學(xué)的課堂模式亟待改進(jìn)。所以，在教學(xué)中，筆者采用樂高機(jī)器人與人形機(jī)器人相結(jié)合的方法，對(duì)機(jī)器人課堂進(jìn)行探索及改進(jìn)，以期能夠幫助每位學(xué)生都成為創(chuàng)客，并擁有自己獨(dú)立的思考。

相關(guān)概念

1.樂高機(jī)器人

樂高機(jī)器人玩具（Lego Mindstorms）是集合了可編程Lego磚塊、電動(dòng)馬達(dá)、傳感器、Lego Technic部分（梁、磚、板、齒輪、輪軸）的統(tǒng)稱。樂高機(jī)器人玩具套件的核心是一個(gè)稱為RCX或NXT的可程序化的積木或者也可以說是電腦的主機(jī)。它具有7個(gè)輸出或輸入口，其中4個(gè)用來連接感應(yīng)器等輸入設(shè)備，另外3個(gè)用來連結(jié)馬達(dá)等輸出設(shè)備。它不是一個(gè)普通的機(jī)器人，而是具有“娛樂性、教育性、安全性、互動(dòng)性”的特殊的樂高機(jī)器人。它最吸引人之處是不僅具有機(jī)器人的高科技傳輸設(shè)備和電腦中樞，還繼承了傳統(tǒng)的樂高積木的無限的創(chuàng)造性，讓玩家可以自由發(fā)揮創(chuàng)意，拼湊各種模型，使它真正動(dòng)起來，像機(jī)器人一樣工作，完成玩家所需要的任務(wù)。

2.人形機(jī)器人

人形機(jī)器人又稱仿人機(jī)器人。1886年法國(guó)作家利爾亞當(dāng)在他的小說《未來夏娃》中將外表與人相似的機(jī)器起名為“安德羅丁”（android），這就是一種人形機(jī)器人。按照其描述，人形機(jī)器人由4部分組成：生命系統(tǒng)（平衡、步行、發(fā)聲、身體擺動(dòng)、感覺、表情、調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)等）；造型解質(zhì)（關(guān)節(jié)能自由運(yùn)動(dòng)的金屬覆蓋體，一種盔甲）；肌肉（在上述盔甲上有肉體、靜脈、性別等身體的各種形態(tài)）；人造皮膚（含有膚色、輪廓、頭發(fā)、視覺、牙齒、手爪等）。[1]人形機(jī)器人可以隨音樂起舞，可以行走、起臥，可以進(jìn)行武術(shù)表演、翻跟頭等雜技以及各種奧運(yùn)競(jìng)賽動(dòng)作。一般人形機(jī)器人還配有設(shè)計(jì)優(yōu)良的控制系統(tǒng)，通過自身智能編程軟件便能自動(dòng)完成整套動(dòng)作。

國(guó)內(nèi)外機(jī)器人教育研究現(xiàn)狀

隨著社會(huì)對(duì)人才標(biāo)準(zhǔn)的重新定位，用人單位對(duì)學(xué)生的綜合素質(zhì)提出了更高的要求，而如何開設(shè)機(jī)器人課堂，采取什么樣的形式進(jìn)行教學(xué)，則是提高學(xué)生的綜合素質(zhì)首先要考慮的問題。目前，國(guó)外已經(jīng)有一些相對(duì)比較成熟的機(jī)器人教育方案，而國(guó)內(nèi)在這方面的研究并不多。筆者通過對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行梳理，將國(guó)內(nèi)外機(jī)器人教育的現(xiàn)狀進(jìn)行了對(duì)照。

1.美國(guó)

美國(guó)基礎(chǔ)教育領(lǐng)域中的機(jī)器人教育主要有四種形式：一是機(jī)器人技術(shù)課程，一般開設(shè)在技術(shù)類課程中，其中教育計(jì)劃與項(xiàng)目占大多數(shù)；二是課外活動(dòng)，類似我國(guó)的綜合實(shí)踐活動(dòng)課程；三是機(jī)器人主題夏令營(yíng)等定期活動(dòng)；四是利用機(jī)器人技術(shù)作為輔助性工具來輔助其他課程的教學(xué)或者作為一種研究工具來培養(yǎng)學(xué)生能力，與此同時(shí)學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)知識(shí)，也可以歸為特殊的機(jī)器人教育形式。[2]

2.日本

在2014第十一屆上海教育博覽會(huì)教育國(guó)際化展上，日本蘿卜人科普俱樂部帶來了東京大學(xué)尖端科學(xué)研究中心特聘副教授高橋智隆開發(fā)的機(jī)器人課程，而機(jī)器人課程就是日本家長(zhǎng)培養(yǎng)孩子動(dòng)手解決問題的途徑之一。在這個(gè)課程中，孩子先聚在一起，討論搭什么樣的機(jī)器人、怎么搭，然后學(xué)習(xí)相應(yīng)的物理知識(shí)，如齒輪怎樣結(jié)合能讓機(jī)器人跑得更快。

日本許多機(jī)器人的理念都是來自孩子自己的觀察，他們找到生活中的問題，教師再通過機(jī)器人課程，引導(dǎo)他們動(dòng)手解決問題。掃地機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、爬繩機(jī)器人等都是日本的兒童在發(fā)現(xiàn)問題后發(fā)明的，并且這種能力的獲得是終身受益的，2015年8月，高橋智隆研發(fā)的“KIROBO”機(jī)器人順利登上了國(guó)際空間站，“KIROBO”的任務(wù)是陪宇航員聊天，而這個(gè)創(chuàng)意也是為了減少宇航員長(zhǎng)期駐守空間站感受到的寂寞。

“附近有學(xué)校和居住小區(qū)，能不能建人行天橋？”在日本，這個(gè)看似應(yīng)該是政府職能部門討論的問題，卻是小學(xué)三年級(jí)學(xué)生社會(huì)課上的一個(gè)研究課題。日本的爸爸媽媽很少讓孩子在周末上語、數(shù)、外等補(bǔ)習(xí)班，而是鼓勵(lì)他們?nèi)ヌ琛⒋顧C(jī)器人，培養(yǎng)他們的興趣和能力。除了學(xué)習(xí)和討論“怎樣解決問題”，如今，日本更注重培養(yǎng)孩子自己動(dòng)手解決問題能力。[3]

3.中國(guó)

盧燕與趙曉聲在《中小學(xué)機(jī)器人教育的現(xiàn)狀與對(duì)策》一文中提到，近幾年，我國(guó)中小學(xué)機(jī)器人教育有了較快的發(fā)展，但整體尚處于起步階段。機(jī)器人教育仍有許多問題，主要有以下四點(diǎn)：

①教育行政部門的激勵(lì)機(jī)制不夠完善。

雖然機(jī)器人教育已經(jīng)得到了國(guó)家的高度重視，也形成了良好的社會(huì)效應(yīng)，但總體而言，教育行政部門的引導(dǎo)作用還不夠顯著，尤其是教育部和各省級(jí)教育行政部門還沒有出臺(tái)切實(shí)可行的機(jī)器人教育推動(dòng)辦法。市、縣級(jí)教育行政部門既缺少國(guó)家和省級(jí)教育部門的政策支持，也缺少資金支持，所以往往處于心有余而力不足的被動(dòng)局面。

②課程標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)機(jī)制缺失，機(jī)器人教學(xué)難以走進(jìn)課堂。

教育部于2003年頒布的《普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》首次在“通用技術(shù)”科目中設(shè)立了“簡(jiǎn)易機(jī)器人制作”這一選修模塊，并在“信息技術(shù)”科目中也以選修的形式設(shè)立了“人工智能初步”模塊。雖然這一舉措在課程標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)上算是邁出了第一步，但十幾年過去了，國(guó)家一直沒有對(duì)機(jī)器人課程或人工智能課程做進(jìn)一步的完善和修改，尤其是沒有將機(jī)器人課程列入考試范圍，學(xué)校開展機(jī)器人教育既缺少明確的課程大綱指導(dǎo)，也缺少必要的考試評(píng)價(jià)機(jī)制，這都極大地制約著機(jī)器人課堂教學(xué)的開展。

③沒有統(tǒng)一的機(jī)器人教材，機(jī)器人產(chǎn)品各自為政。

國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)的缺失和地方課程的滯后，導(dǎo)致機(jī)器人教育缺少統(tǒng)一的教材支持。目前，使用的機(jī)器人教材大多由機(jī)器人廠家提供，由于編寫過程缺乏科學(xué)規(guī)劃和教育工作者的參與，此類教材沒有明確的教學(xué)目標(biāo)，更像是“產(chǎn)品說明書”或“產(chǎn)品用戶指南”，在實(shí)際教學(xué)中難以發(fā)揮作用。國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)的缺失也導(dǎo)致市場(chǎng)上的機(jī)器人產(chǎn)品缺少統(tǒng)一規(guī)范，自成體系、互不兼容，開放共享程度很低。尤為重要的是，在投入生產(chǎn)前，對(duì)這些產(chǎn)品的論證沒有教育工作者的參與，換言之，這樣的機(jī)器人產(chǎn)品沒有教育理念的支持，嚴(yán)重降低了其教育價(jià)值。

④機(jī)器人競(jìng)賽的價(jià)值導(dǎo)向存在誤區(qū)。

機(jī)器人競(jìng)賽是普及機(jī)器人教育的重要途徑，它是一種任務(wù)設(shè)計(jì)導(dǎo)向的教育活動(dòng)，其根本目的是教育。由于目前機(jī)器人教育沒有相應(yīng)的考試評(píng)價(jià)機(jī)制，機(jī)器人競(jìng)賽成了唯一的“顯性”測(cè)評(píng)手段，機(jī)器人教育的“投入產(chǎn)出效益”很大程度上只能通過競(jìng)賽來體現(xiàn)。這直接影響了機(jī)器人競(jìng)賽的價(jià)值取向——教育價(jià)值淡化，競(jìng)賽成績(jī)高于一切。這導(dǎo)致機(jī)器人競(jìng)賽存在商業(yè)化運(yùn)作傾向，學(xué)生自主設(shè)計(jì)的程度降低，比賽中也經(jīng)常見到惡性競(jìng)爭(zhēng)。[4]

開展機(jī)器人創(chuàng)客教育的注意事項(xiàng)

教育創(chuàng)客對(duì)教育者來說，其中創(chuàng)客精神與學(xué)生旺盛的求知欲和在實(shí)踐中教學(xué)的教育思想不謀而合。雖然創(chuàng)客教育不會(huì)直接教授學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)，但在當(dāng)“創(chuàng)客”的過程當(dāng)中，學(xué)生將有機(jī)會(huì)運(yùn)用到數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)甚至藝術(shù)等多學(xué)科的知識(shí)。在創(chuàng)客教育中，學(xué)生不再是知識(shí)的被動(dòng)接受者，而是身兼數(shù)學(xué)家、科學(xué)家、發(fā)明家等多重角色。創(chuàng)客教育所倡導(dǎo)的提出問題并利用自己的創(chuàng)造力解決問題的過程，對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。

1.創(chuàng)客選取

鑒于國(guó)內(nèi)機(jī)器人教育的現(xiàn)狀，機(jī)器人創(chuàng)客教育可能無法在所有學(xué)生中實(shí)行。那么應(yīng)如何選取適合的學(xué)生來參與機(jī)器人創(chuàng)客教育呢？只有一點(diǎn)，即必須出于學(xué)生自愿，真正有興趣的學(xué)生，才能自主地參與到課程中來，發(fā)揮自己的想象力，動(dòng)手開發(fā)制作。

2.課堂開展

機(jī)器人創(chuàng)客教育的課堂應(yīng)該是比較開放的。首先由教師向?qū)W生介紹機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)室中工具的使用方法以及機(jī)器人常用的一些結(jié)構(gòu)。隨后便由學(xué)生自行思考、創(chuàng)作。教師則作為一名點(diǎn)撥者、解惑者，幫助學(xué)生解決一些難以解決的問題。創(chuàng)客教育的課堂中，信息資源的分享也極為重要，教師可以讓學(xué)生在每節(jié)課的中間進(jìn)行一次簡(jiǎn)短的階段性作品展示及小結(jié)，并在課程臨近結(jié)束時(shí)做最終成果展示以及總結(jié)。

3.材料工具

機(jī)器人創(chuàng)客教育課堂中使用的材料以樂高機(jī)器人和人形機(jī)器人為主。在課程開設(shè)的初期，主要采用樂高機(jī)器人。樂高積木式機(jī)器人擁有非常多的零件，可供學(xué)生搭建成千上萬種不同的結(jié)構(gòu)，滿足學(xué)生自主設(shè)計(jì)的基本要求。當(dāng)然，樂高機(jī)器人也有局限性，許多的結(jié)構(gòu)是樂高機(jī)器人無法完成的。因此，在課程中后期，教師可以引入人形機(jī)器人，與樂高機(jī)器人結(jié)合。人形機(jī)器人的可設(shè)計(jì)性更強(qiáng)，只要有一臺(tái)電腦、一臺(tái)雕刻機(jī)，學(xué)生就可以根據(jù)自己意愿來設(shè)計(jì)零件，完成組裝，設(shè)計(jì)出自己的作品。

總結(jié)

機(jī)器人教育雖已逐漸開展，但仍存在諸多的問題，如教學(xué)內(nèi)容單一等。通常只進(jìn)行機(jī)器人組裝、機(jī)器人調(diào)試兩方面的教學(xué)，無法取得較好的教學(xué)效果。機(jī)器人課堂的初衷，是讓學(xué)生在課堂中提升自己的綜合素質(zhì)。因此，機(jī)器人創(chuàng)客教育概念的引入，可以拓寬學(xué)生的思維，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入更廣闊的創(chuàng)客、創(chuàng)造活動(dòng)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫學(xué)儉，于國(guó)輝，周文喬，等.對(duì)世界工業(yè)機(jī)器人發(fā)展特點(diǎn)的分析[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2002（3）.

[2]王益，張劍平.美國(guó)機(jī)器人教育的特點(diǎn)及其啟示[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2007（11）.

[3]東京大學(xué)“機(jī)器人課程”傳遞日本教育理念[EB/OL].http：//www.shedunews.com/zhuanti/xinwenzhuanti/2014expo11th/2014expo11th_zhrd/2014/04/11/632979.html.

[4]盧燕，趙曉聲.中小學(xué)機(jī)器人教育的現(xiàn)狀與對(duì)策[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2011（11）.