機(jī)器人技術(shù)：數(shù)字化學(xué)習(xí)的好助手

吳莎莎

機(jī)器人技術(shù)指的是對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和應(yīng)用并完成一系列活動(dòng)的自動(dòng)化機(jī)器[1]。該技術(shù)首次出現(xiàn)于2016年地平線報(bào)告基礎(chǔ)教育版，并于2017年[2]在報(bào)告中持續(xù)升溫，引起高度重視，預(yù)計(jì)在2018年度成為學(xué)校主要的教學(xué)技術(shù)手段之一。市場(chǎng)化的激烈競(jìng)爭(zhēng)以及技術(shù)的高速驅(qū)動(dòng)著教育的不斷更新，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力與數(shù)字素養(yǎng)，提早做好職業(yè)規(guī)劃是教育領(lǐng)域刻不容緩的改革。近年來(lái)，許多國(guó)家的政府部門(mén)已意識(shí)到將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到課堂中的重要性，已開(kāi)始制訂將該技術(shù)納入國(guó)家教育體系的相關(guān)程序和法律，并將智能機(jī)器人作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可缺少的創(chuàng)新技術(shù)支撐，澳大利亞昆士蘭政府計(jì)劃在新課程中為高中生制訂機(jī)器人計(jì)算課程。由此可見(jiàn)，傳授學(xué)生基礎(chǔ)的機(jī)器人知識(shí)可以為他們打開(kāi)一面全新的學(xué)習(xí)領(lǐng)域，為學(xué)生營(yíng)造令人興奮創(chuàng)新體驗(yàn)。

一、機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的價(jià)值

隨著機(jī)器人技術(shù)的廣泛應(yīng)用，“機(jī)器人+教育”也逐漸引起人們的關(guān)注，主要體現(xiàn)以下三方面。首先，“機(jī)器人+教育”能夠培養(yǎng)學(xué)生的編碼素養(yǎng)，這是適應(yīng)未來(lái)世界發(fā)展的一項(xiàng)基本技能。學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程非常有前景，學(xué)生能夠更加從容地面對(duì)未來(lái)的職業(yè)生涯，面臨更多的工作選擇權(quán)，賺取更多的錢(qián)。雖然學(xué)習(xí)抽象的計(jì)算機(jī)編程對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是一個(gè)復(fù)雜、艱難的過(guò)程，但機(jī)器人技術(shù)是一種相對(duì)簡(jiǎn)單、更具體的編程入門(mén)。當(dāng)學(xué)生對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程時(shí)，他們知道機(jī)器人能做什么、不能做什么，所以更能看出編程過(guò)程中所遇到的問(wèn)題。學(xué)生學(xué)習(xí)了編程的技能，設(shè)計(jì)出精準(zhǔn)的指令，完成對(duì)機(jī)器人的操作，并從中獲得樂(lè)趣。

第二，學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)能夠增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)造力。機(jī)器人是一種基于生產(chǎn)力的學(xué)習(xí)模塊。學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)器人的過(guò)程中可以創(chuàng)造出一些有形的物品，在對(duì)其編程后執(zhí)行命令。機(jī)器人技術(shù)可以將工程學(xué)和技術(shù)相結(jié)合，在學(xué)生創(chuàng)造他們認(rèn)為有價(jià)值的物品時(shí)，他們會(huì)非常感興趣的投入精力，這樣才能激發(fā)學(xué)生真正的水平，創(chuàng)造出更多有價(jià)值的物品。此外，機(jī)器人技術(shù)也促進(jìn)STEM學(xué)科發(fā)展的不斷增長(zhǎng)，學(xué)生可以將科學(xué)、工程、數(shù)學(xué)以及技術(shù)融合在一起進(jìn)行交叉學(xué)習(xí)。

第三，學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)能夠?yàn)閷W(xué)生未來(lái)職業(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。STEM領(lǐng)域的職業(yè)是目前增長(zhǎng)最快的職業(yè)之一，而且預(yù)計(jì)在下一個(gè)十年還會(huì)有所增長(zhǎng)。例如，在過(guò)去的幾年里，無(wú)人機(jī)行業(yè)發(fā)展迅猛，尤其在美國(guó)，每月出售量很大。如此巨大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)對(duì)人才規(guī)格的需求也是相當(dāng)巨大，特別需要具有創(chuàng)新思維的人才，并具備設(shè)計(jì)和創(chuàng)造所需技術(shù)的知識(shí)儲(chǔ)備。如此看來(lái)，當(dāng)學(xué)生在幾年后畢業(yè)時(shí)，會(huì)有超過(guò)一半的就業(yè)機(jī)會(huì)與STEM領(lǐng)域息息相關(guān)，剩余的大部分行業(yè)也會(huì)要求員工具備一些STEM知識(shí)。將機(jī)器人技術(shù)引入學(xué)校，有利于學(xué)生及時(shí)發(fā)展職業(yè)市場(chǎng)中所需的技能，以及自己感興趣的領(lǐng)域，提早做出規(guī)劃。如果不提前了解機(jī)器人領(lǐng)域，將有可能埋沒(méi)很多學(xué)生的創(chuàng)新能力與固有潛力。

二、機(jī)器人應(yīng)用于教育領(lǐng)域的國(guó)際案例

機(jī)器人技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用目前主要集中在基礎(chǔ)教育的課內(nèi)輔助教學(xué)和課外科技活動(dòng)創(chuàng)新等方面。

1.哈爾瓦特大學(xué)舉辦了一個(gè)面向女生的計(jì)算機(jī)科學(xué)之日活動(dòng)[3]

該活動(dòng)由哈爾瓦特大學(xué)的女生主持，為蘇格蘭地區(qū)中學(xué)的女生學(xué)習(xí)如何對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操作與編程搭建平臺(tái)。在該活動(dòng)有助于學(xué)校女生在計(jì)算機(jī)、人工智能以及機(jī)器人方面產(chǎn)生興趣，最主要的目的是致力于解決英國(guó)在科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)等職業(yè)方面長(zhǎng)期女性短缺的問(wèn)題。在活動(dòng)中主要展示了大學(xué)關(guān)于計(jì)算機(jī)的最新研究和示范展品，學(xué)生學(xué)習(xí)了如何對(duì)移動(dòng)應(yīng)用程序(APP)進(jìn)行編程。斯特靈中學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)教師Shona McAlpine在此活動(dòng)中加入到由4名學(xué)生組成的小組中。他認(rèn)為，這種活動(dòng)非常有意義，學(xué)生能夠了解到課堂之外所發(fā)生的事情，以及計(jì)算機(jī)科學(xué)這門(mén)課程的不同應(yīng)用類(lèi)型。哈爾瓦特大學(xué)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生Eileen Young，幫助一個(gè)由9名女生組成的小組完成了APP編程，她發(fā)現(xiàn)，APP是一個(gè)簡(jiǎn)單的拖放系統(tǒng)，用于編碼Android設(shè)備中，該活動(dòng)讓女孩可以制作自己的程序，并在自己的手機(jī)上隨時(shí)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操作。

圖1 蘇格蘭高中女生參加計(jì)算機(jī)科學(xué)之日活動(dòng)

由此看出，機(jī)器人技術(shù)具有調(diào)動(dòng)女生學(xué)習(xí)技術(shù)的效果。通常來(lái)看，STEM學(xué)習(xí)一般男生占大多數(shù)，起主導(dǎo)作用，會(huì)讓女生質(zhì)疑自身編程或建構(gòu)計(jì)算機(jī)的能力。將機(jī)器人技術(shù)引入課堂的行為能夠逐漸改變此觀點(diǎn)，女生也會(huì)逐漸意識(shí)到自己有能力學(xué)習(xí)編碼構(gòu)建機(jī)器人，這對(duì)于她們的未來(lái)職業(yè)發(fā)展以及創(chuàng)造新技術(shù)能力的發(fā)揮是一個(gè)良機(jī)。

2.在學(xué)生的課外活動(dòng)中嵌入初級(jí)機(jī)器人編程項(xiàng)目并參與機(jī)器人大賽

墨爾本的Roberts McCubbin小學(xué)為學(xué)生提供了一個(gè)專(zhuān)業(yè)的機(jī)器人程序。教師發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)此非常感興趣，他們甚至?xí)艞壩绮蜁r(shí)間、周末和學(xué)校的假期研究機(jī)器人。教授機(jī)器人的教師Browne認(rèn)為，機(jī)器人技術(shù)可以應(yīng)用到學(xué)校的很多不同方面，不僅是學(xué)生為適應(yīng)未來(lái)發(fā)展而要學(xué)習(xí)的一門(mén)學(xué)科，它本身的許多技能特點(diǎn)也可以與其他學(xué)科相互交叉融合。例如，我們通常用機(jī)器人作為教授如數(shù)學(xué)、語(yǔ)言和科學(xué)等學(xué)科的輔助工具，其實(shí)還可以將機(jī)器人用于齒輪和重量分布方面的研究。

在如何編程方面，Browne采取實(shí)驗(yàn)的方式開(kāi)展，鼓勵(lì)孩子們“去嘗試”，在此過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有效部分以及為何能夠有效啟動(dòng)機(jī)器。在每一環(huán)節(jié)的起始部分，會(huì)明確地說(shuō)明如何使用一個(gè)特定的程序使機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)，或使用傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人上設(shè)有傳感器，使其具有自動(dòng)化功能，學(xué)生可以使用顏色傳感器使機(jī)器人按照路線行駛。完成此步驟后，教師會(huì)為學(xué)生設(shè)定一個(gè)挑戰(zhàn)，學(xué)生可以使用不同種方式進(jìn)行編程，沒(méi)有唯一答案，學(xué)生在其基礎(chǔ)水平內(nèi)可以完成挑戰(zhàn)。

Roberts McCubbin小學(xué)機(jī)器人參賽成績(jī)也是名列前茅，在連續(xù)4年成功獲取維多利亞錦標(biāo)賽之后，該小學(xué)有2支隊(duì)伍參加了全國(guó)機(jī)器人錦標(biāo)賽，其中一支隊(duì)伍在19所參賽學(xué)校中排名第三。在機(jī)器人的學(xué)習(xí)和競(jìng)賽中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生可以從中更有耐心的堅(jiān)持學(xué)習(xí)，從錯(cuò)誤中不斷吸取經(jīng)驗(yàn)，并形成團(tuán)隊(duì)意識(shí)。大家一起為一個(gè)目標(biāo)努力，將任務(wù)分解，相互協(xié)調(diào)幫助，相互鼓勵(lì)。對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，最重要的是在機(jī)器人編程過(guò)程中獲取了解決問(wèn)題的能力，在此過(guò)程中，他們一直在研究程序編碼，并不斷檢查代碼，分析是否有所改變，以及可能會(huì)影響的結(jié)果等一系列的問(wèn)題。

圖2 學(xué)生的機(jī)器人編程作品[4]

除此之外，機(jī)器人技術(shù)也被看作是21世紀(jì)的一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)。就像其他運(yùn)動(dòng)一樣，成員應(yīng)具有團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、解決問(wèn)題能力以及相互協(xié)作的能力。目前，國(guó)際上會(huì)有很多關(guān)于機(jī)器人的賽事，以校級(jí)和國(guó)家級(jí)為主，參賽者需要開(kāi)發(fā)并操作機(jī)器人來(lái)完成參賽目標(biāo)或提供最快的解決方案。例如，游戲Skyhook要求機(jī)器人能夠撿起物品，然后將物品運(yùn)送至規(guī)定的地點(diǎn)，這是亞馬遜開(kāi)發(fā)的關(guān)于產(chǎn)品交付的現(xiàn)實(shí)解決方案的模擬。對(duì)知識(shí)的直接應(yīng)用不僅可以增加學(xué)生對(duì)該學(xué)科的興趣，還可以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維模式。

機(jī)器人在發(fā)達(dá)國(guó)家的應(yīng)用處于領(lǐng)先地位，在我國(guó)相關(guān)研究也已于20世紀(jì)七八十年代開(kāi)始，但應(yīng)用于教育領(lǐng)域相對(duì)較晚。目前北京、上海、廣東等地區(qū)已將機(jī)器人納入當(dāng)?shù)卣n程中，在學(xué)生升學(xué)過(guò)程中，機(jī)器人也作為學(xué)生特長(zhǎng)，成為進(jìn)入重點(diǎn)學(xué)校的敲門(mén)磚，這也是很多家長(zhǎng)從小培養(yǎng)孩子機(jī)器人特長(zhǎng)的原因之一。學(xué)生每年也會(huì)有很多參加機(jī)器人大賽的機(jī)會(huì)，全球每年會(huì)組織100多項(xiàng)機(jī)器人賽事，如FIRA機(jī)器人足球賽、FILL機(jī)器人世界錦標(biāo)賽、中國(guó)教育機(jī)器人大賽以及VEX機(jī)器人世界錦標(biāo)賽、世界教育機(jī)器人大賽等。學(xué)生的創(chuàng)新能力、協(xié)作能力、解決問(wèn)題的能力都能在比賽中充分體現(xiàn)。

三、機(jī)器人應(yīng)用于教育領(lǐng)域的啟示

首先，從教師角度來(lái)看，將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)，有助于教師實(shí)現(xiàn)教育與技術(shù)的深度融合，促進(jìn)教師的教學(xué)質(zhì)量?，F(xiàn)如今，技術(shù)手段快速發(fā)展，教師不僅有教學(xué)的壓力，還需要面對(duì)很多班級(jí)管理工作，如智能白板、平板電腦等，技術(shù)走進(jìn)課堂無(wú)疑給教師增添了很多任務(wù)。而技術(shù)的本質(zhì)不應(yīng)該成為教學(xué)的障礙，而是用來(lái)激發(fā)教育工作者的靈感，從而助力他們的工作。將機(jī)器人應(yīng)用于課堂可以幫助教師處理技術(shù)方面所遇到的問(wèn)題，相當(dāng)于教師的工作助手，機(jī)器人跟隨教師的指令，自動(dòng)完成技術(shù)操作命令，協(xié)助教師在課堂中傳遞關(guān)于數(shù)字和交互式內(nèi)容，并且實(shí)現(xiàn)在學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)后評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，如此一來(lái)，教師就可以更為專(zhuān)注于進(jìn)行知識(shí)的傳授以及教學(xué)設(shè)計(jì)。

其次，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)編碼是未來(lái)全球發(fā)展的主要趨勢(shì)與基本素養(yǎng)，有助于學(xué)生的職業(yè)發(fā)展。當(dāng)前的數(shù)字化環(huán)境使我們預(yù)想到未來(lái)與計(jì)算機(jī)相關(guān)的相對(duì)穩(wěn)定職業(yè)，如擅長(zhǎng)編寫(xiě)代碼，掌握軟件功能或創(chuàng)建虛擬世界等。而機(jī)器人最主要的設(shè)計(jì)就是編碼，人們可以與機(jī)器進(jìn)行數(shù)字交流，未來(lái)將會(huì)有很多基于編碼的職業(yè)。目前，編碼知識(shí)的學(xué)習(xí)大多數(shù)是在高等教育中進(jìn)行，數(shù)據(jù)科學(xué)家通常需要獲得數(shù)學(xué)或物理的高等教育學(xué)位。而我們所提及的編碼學(xué)習(xí)，不需要專(zhuān)門(mén)獲取專(zhuān)業(yè)的學(xué)位，而是作為一項(xiàng)基本技能而學(xué)習(xí)。麻省理工學(xué)院在新罕不什爾州剛剛推出一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目，面向當(dāng)?shù)亟處熖峁┝艘婚T(mén)TeachCode Academy課程，主要內(nèi)容是如何教授編碼，試圖將計(jì)算機(jī)科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橐婚T(mén)課程，使編碼技能變得更為實(shí)用[5]。

再次，學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的編碼能力，還有利于培養(yǎng)學(xué)生的毅力、創(chuàng)造力與接納力。如何建構(gòu)和編碼機(jī)器人是一項(xiàng)復(fù)雜而具有挑戰(zhàn)的過(guò)程，許多學(xué)生在最初階段會(huì)對(duì)其中的概念理解產(chǎn)生困難與抵觸心理，常常受挫。而在學(xué)校中學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)可以幫助這些學(xué)生化挫折為創(chuàng)造力。在此過(guò)程中，教師不僅傳授機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)，還能夠告訴學(xué)生面對(duì)挑戰(zhàn)時(shí)需要毅力與決心。學(xué)生在不斷克服困難后樹(shù)立更高的目標(biāo)，最終完成任務(wù)。這不僅教會(huì)學(xué)生如何堅(jiān)持和解決問(wèn)題，還幫助他們提高技術(shù)水平，為今后實(shí)際工作奠定基礎(chǔ)。

最后，機(jī)器人技術(shù)可以適用于具有各種性格特點(diǎn)的學(xué)生。研究表明，機(jī)器人技術(shù)對(duì)于有自閉癥的學(xué)生具有很強(qiáng)的吸引力，機(jī)器人能夠幫助這些學(xué)生，有助于這些學(xué)生性格的塑造?，F(xiàn)階段，諸如“ASK NAO”和“Milo”等機(jī)器人已被開(kāi)發(fā)出來(lái)，主要是為了幫助自閉癥學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)并疏通情緒。

四、結(jié)語(yǔ)

將機(jī)器人技術(shù)引入課堂中，不僅可以帶來(lái)多元化的教學(xué)體驗(yàn)，還能夠提高學(xué)生實(shí)踐能力，體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)理念以及教育與技術(shù)的深度融合。從基礎(chǔ)教育開(kāi)始培養(yǎng)學(xué)生機(jī)器人技術(shù)以及編程素養(yǎng)，能夠充分開(kāi)發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力、計(jì)算思維以及協(xié)作精神，同時(shí)也為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]S?亞當(dāng)斯貝克爾,A?弗里曼,C?霍爾，M?卡明斯,B?袁克.新媒體聯(lián)盟地平線報(bào)告:2016基礎(chǔ)教育版[R].白曉晶,張春華,吳莎莎,季瑞芳,李國(guó)云,譯.新媒體聯(lián)盟,2016.

[2]A?弗里曼,S?亞當(dāng)斯貝克爾,M?卡明斯,A?戴維斯,C?霍爾.新媒體聯(lián)盟地平線報(bào)告:2017基礎(chǔ)教育版[M].白曉晶,張春華,李國(guó)云,季瑞芳,吳莎莎,譯.新媒體聯(lián)盟,2017.

[3]Year of Robotics 2017: School girls inspired to build mobile apps[EB/OL].[2018-01-02]. https://www.hw.ac.uk/about/news/year-of-robotics-2017-schoolgirls-inspired.htm.

[4]Primary robotics program engages students beyond the classroom [EB/OL].[2018-02-01]. https://www.teachermagazine.com.au/articles/primary-roboticsprogram-engages-students-beyond-the-classroom.

[5]Why Coding Is Still The Most Important Job Skill of The Future [EB/OL].[2018-02-02]. https://www.fastcompany.com/3060883/why-coding-is-the-jobskill-of-the-future-for-everyone.