黃芹 陶云 王玉金 吳昌林
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中小學(xué)模塊化機(jī)器人教育探究*
黃芹1陶云[通訊作者]王玉金2吳昌林2
(1.云南師范大學(xué) 教育科學(xué)與管理學(xué)院,云南昆明 650500;2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢 430074)
針對(duì)目前中小學(xué)機(jī)器人教育理論體系不完善、師資力量薄弱、城鄉(xiāng)發(fā)展失衡、教育機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問(wèn)題,文章基于發(fā)明問(wèn)題解決(Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch,TRIZ)理論,構(gòu)建了中小學(xué)機(jī)器人教育問(wèn)題解決模型,并推導(dǎo)得出了以模塊化機(jī)器人來(lái)推進(jìn)中小學(xué)機(jī)器人教育的策略。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合認(rèn)知發(fā)展規(guī)律,文章構(gòu)建了模塊化機(jī)器人教育課程體系。以模塊化機(jī)器人作為機(jī)器人教育的載體,既是解決目前我國(guó)中小學(xué)機(jī)器人教育困境的有效途徑,也對(duì)我國(guó)中小學(xué)機(jī)器人教育的健康、規(guī)范和可持續(xù)發(fā)展起著積極的促進(jìn)作用。
機(jī)器人教育;模塊化機(jī)器人;TRIZ理論;中小學(xué)
機(jī)器人教育是推進(jìn)科學(xué)素質(zhì)教育的重要途徑,不僅可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)其團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、系統(tǒng)性思維和創(chuàng)新思維等,而且對(duì)機(jī)器人學(xué)科的發(fā)展也有巨大的促進(jìn)作用[1][2]。目前,國(guó)際上對(duì)機(jī)器人教育的重要作用已普遍達(dá)成共識(shí),各種機(jī)器人比賽日益盛行,面向微課、創(chuàng)客教育的新型機(jī)器人教學(xué)模式正在成為研究的熱點(diǎn)[3];我國(guó)對(duì)機(jī)器人教育的重視程度也不斷提高,而《基礎(chǔ)教育信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)(2012版)》、《機(jī)器人學(xué)中小學(xué)課程教學(xué)指南》、《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》等文件的出臺(tái),更是極大地推動(dòng)了我國(guó)中小學(xué)機(jī)器人教育的進(jìn)程。在此背景下,本研究針對(duì)中小學(xué)機(jī)器人教育的現(xiàn)狀,進(jìn)行了中小學(xué)模塊化機(jī)器人教育的相關(guān)探索。
理論與實(shí)踐并重是機(jī)器人教育的主要特征,即在強(qiáng)調(diào)動(dòng)手實(shí)踐獲取直接經(jīng)驗(yàn)的同時(shí),也注重機(jī)器人原理性知識(shí)的學(xué)習(xí),盡量讓學(xué)生對(duì)機(jī)器人有一個(gè)科學(xué)、系統(tǒng)、全面的認(rèn)識(shí)。目前,中小學(xué)機(jī)器人教育主要有競(jìng)賽和教學(xué)兩種形式(如表1所示)[4],比較流行的教育機(jī)器人產(chǎn)品有樂(lè)高、廣茂達(dá)、納英特、諾博特、惠魚(yú)、愛(ài)科星、未來(lái)之星、Arduino開(kāi)源機(jī)器人等。
表1 中小學(xué)機(jī)器人教育的主要形式
目前,國(guó)內(nèi)外的中小學(xué)機(jī)器人教育都處于起步階段。中小學(xué)機(jī)器人教育在具體實(shí)施的過(guò)程中并非一帆風(fēng)順,其面臨的困境主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
①機(jī)器人教育理論體系不完善。機(jī)器人教育理論體系涉及教育理念、教學(xué)目標(biāo)、教材與內(nèi)容、教學(xué)方法與策略、教學(xué)資源、教學(xué)評(píng)價(jià)等方面。目前的機(jī)器人教育理論體系還遠(yuǎn)不夠完善[5],而且中小學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)和認(rèn)知發(fā)展水平有限,許多教師對(duì)于如何將機(jī)器人技術(shù)理論體系應(yīng)用到教學(xué)實(shí)踐中也感到茫然,而通常采取以競(jìng)賽代替教學(xué)的做法,這就忽略了機(jī)器人教育對(duì)學(xué)生素質(zhì)教育和可持續(xù)發(fā)展的重要意義。機(jī)器人教育理論體系的不完善,使得機(jī)器人教育無(wú)法與課堂教學(xué)進(jìn)行深度融合。
②中小學(xué)機(jī)器人教育師資力量薄弱。開(kāi)展中小學(xué)機(jī)器人教育對(duì)師資的要求較高,不僅要求教師有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí),還需其具備較強(qiáng)的動(dòng)手實(shí)踐能力和綜合運(yùn)用能力。然而,目前中小學(xué)機(jī)器人教育課程大多由其它學(xué)科教師兼任,教師的相關(guān)專業(yè)知識(shí)水平普遍不高,課時(shí)也得不到保障。雖然國(guó)內(nèi)一些師范院校積極開(kāi)展了小學(xué)教育本科專業(yè)機(jī)器人方向的有益探索和實(shí)踐[6],但由于機(jī)器人技術(shù)知識(shí)體系的跨學(xué)科性,加上師資培養(yǎng)周期長(zhǎng)、難度大,故師范院校機(jī)器人教育師資培養(yǎng)的成效并不顯著。缺乏專業(yè)師資已成為中小學(xué)開(kāi)展機(jī)器人教育的“瓶頸”,并使機(jī)器人教育在中小學(xué)呈現(xiàn)出逐漸邊緣化的趨勢(shì)。
③中小學(xué)機(jī)器人教育城鄉(xiāng)發(fā)展失衡。農(nóng)村中小學(xué)機(jī)器人教育是落實(shí)機(jī)器人普及教育的關(guān)鍵一環(huán)。但在我國(guó)多數(shù)偏遠(yuǎn)地區(qū),教育部門(mén)并沒(méi)有設(shè)立科技教育項(xiàng)目賬戶,學(xué)??萍冀逃?jīng)費(fèi)的劃撥與使用均缺乏制度性保障,學(xué)??衫玫能浻布虒W(xué)資源也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于城市地區(qū),這嚴(yán)重制約了農(nóng)村中小學(xué)機(jī)器人教育的普及與發(fā)展。在經(jīng)費(fèi)緊、器材少、師資弱的情況下,農(nóng)村中小學(xué)機(jī)器人教育的普及與發(fā)展任重而道遠(yuǎn)。
④教育機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。教育機(jī)器人是機(jī)器人教育的載體,具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的教育機(jī)器人可以減少經(jīng)費(fèi)的投入[7]。然而,目前市場(chǎng)上的教育機(jī)器人種類(lèi)繁多、標(biāo)準(zhǔn)不一,學(xué)校和學(xué)生被迫不斷補(bǔ)充、購(gòu)買(mǎi)器材,以適應(yīng)不斷變化的機(jī)器人比賽主題和規(guī)則,造成了教育資源的浪費(fèi)。
TRIZ理論是基于專利分析提出的用于解決發(fā)明創(chuàng)造問(wèn)題的方法論,其核心是采用系統(tǒng)化的解題流程來(lái)消除矛盾,從而推動(dòng)問(wèn)題從初始狀態(tài)向目標(biāo)狀態(tài)發(fā)展[8]。Marsh[9]、周琴等[10]將TRIZ理論引入教育領(lǐng)域,采用40條創(chuàng)新解決理論解決教育領(lǐng)域中存在的問(wèn)題和矛盾,極大地拓展了TRIZ理論的應(yīng)用范圍。
將TRIZ理論應(yīng)用到機(jī)器人教育中,可實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的創(chuàng)造性解決。通過(guò)對(duì)中小學(xué)機(jī)器人教育現(xiàn)狀進(jìn)行分析,可以得到TRIZ的初始狀態(tài)空間:={1,2, …,v}={理論體系不完善,師資力量薄弱,城鄉(xiāng)發(fā)展失衡,教育機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一}。由此,可以推出機(jī)器人教育的目標(biāo)狀態(tài)空間:={1,2, …,u}={理論體系完善,師資力量雄厚,城鄉(xiāng)發(fā)展均衡,教育機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一}?;赥RIZ理論解決機(jī)器人教育中存在的問(wèn)題,就是尋找一個(gè)未知算子:,使得u=(v),即確定一條由初始狀態(tài)v到達(dá)目標(biāo)狀態(tài)u的路徑。
基于上述解題思路,本研究利用TRIZ理論中的分割、普遍性、重力補(bǔ)償、曲面化、反饋、復(fù)制等原理,來(lái)解決中小學(xué)機(jī)器人教育中存在的問(wèn)題,由此構(gòu)建了基于TRIZ理論的中小學(xué)機(jī)器人教育問(wèn)題解決模型,如圖1所示。該模型從中小學(xué)機(jī)器人教育現(xiàn)狀出發(fā),以機(jī)器人教育面臨的四大困境構(gòu)建問(wèn)題的初始狀態(tài)空間,進(jìn)而根據(jù)相應(yīng)的解決原理[11],推導(dǎo)得出問(wèn)題的最終理想解,即中小學(xué)機(jī)器人教育的推進(jìn)策略——模塊化機(jī)器人。
圖1 基于TRIZ理論的中小學(xué)機(jī)器人教育問(wèn)題解決模型
表2 TRIZ解決原理及其領(lǐng)域解的詳細(xì)解讀
圖1中的編號(hào)表示TRIZ解決原理及其相應(yīng)的領(lǐng)域解,其中數(shù)字表示解決原理、字母表示領(lǐng)域解,其詳細(xì)解讀如表2所示。
基于TRIZ理論進(jìn)行模塊化機(jī)器人教學(xué),可以有效推動(dòng)我國(guó)中小學(xué)機(jī)器人教育的進(jìn)程。模塊化機(jī)器人是由多個(gè)自治模塊組成的可重構(gòu)機(jī)器人,每個(gè)模塊配備傳感器、驅(qū)動(dòng)器等,具有計(jì)算和通信能力,可通過(guò)模塊之間的自動(dòng)連接或脫離來(lái)改變其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以執(zhí)行不同的任務(wù),有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同,模塊化機(jī)器人可分為鏈型、網(wǎng)格型、混合型;而根據(jù)模塊構(gòu)型的不同,模塊化機(jī)器人又可分為同構(gòu)和異構(gòu)兩種類(lèi)型[12]。由美國(guó)施樂(lè)帕克研究中心(Xerox Palo Alto Research Center)開(kāi)發(fā)的同構(gòu)型PolyBot模塊及其機(jī)器人系統(tǒng)[13]如圖2所示。
圖2 PolyBot模塊及其機(jī)器人系統(tǒng)
模塊化機(jī)器人具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu),主要體現(xiàn)在軟件的可移植性和硬件的可擴(kuò)展性兩個(gè)方面。其中,可移植性主要指軟件程序經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的修改后,可移植到不同的操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)上,并可重復(fù)使用;可擴(kuò)展性主要表現(xiàn)為硬件的即插即用,并且系統(tǒng)允許硬件模塊和傳感器進(jìn)行增減。將模塊化機(jī)器人應(yīng)用于中小學(xué)機(jī)器人教育之中,其優(yōu)勢(shì)主要如下:
①成本低,便于推廣。模塊化機(jī)器人僅采用一種或兩種模塊組成機(jī)器人系統(tǒng),開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間大大縮減。此外,模塊可批量生產(chǎn),其硬件成本將大幅下降;當(dāng)模塊損壞后,可采用相同模塊迅速更換,不必再重新購(gòu)買(mǎi)新的機(jī)器人。
②采用即插即用的開(kāi)放式結(jié)構(gòu),便于形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),從而規(guī)范教育機(jī)器人市場(chǎng)。只有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、市場(chǎng)規(guī)范,才能形成公平的教育環(huán)境,實(shí)現(xiàn)中小學(xué)機(jī)器人教育的健康發(fā)展。
③具有很強(qiáng)的柔順性和容錯(cuò)性,便于構(gòu)造不同類(lèi)型的機(jī)器人。如通過(guò)對(duì)模塊的增減,可構(gòu)造出足式、履帶式、蠕動(dòng)式等不同類(lèi)型的機(jī)器人,能滿足機(jī)器人教學(xué)和機(jī)器人比賽的需要,并滿足機(jī)器人教育多樣化的需求。
④可迅速培養(yǎng)起一批能夠勝任中小學(xué)機(jī)器人教育的師資。學(xué)習(xí)并應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)對(duì)于師范院校學(xué)生來(lái)說(shuō)比較困難,但采用模塊化機(jī)器人,可將課程的難易程度與機(jī)器人的智能化程度相對(duì)應(yīng),并可設(shè)置成螺旋上升式課程,從而降低了師資的培養(yǎng)難度。
⑤由于模塊化機(jī)器人的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性,使得基于模塊化機(jī)器人來(lái)構(gòu)建符合認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的可持續(xù)發(fā)展機(jī)器人教育體系成為可能??梢灶A(yù)測(cè),模塊化機(jī)器人將能適應(yīng)嬰幼兒階段、中小學(xué)階段乃至高等教育階段的機(jī)器人教育。
模塊化機(jī)器人作為一類(lèi)特殊的機(jī)器人,其教育課程需要具有科學(xué)性和系統(tǒng)性;同時(shí),機(jī)器人教育應(yīng)該以學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律為基礎(chǔ)[14],在不同的學(xué)習(xí)階段做好內(nèi)容的銜接,形成可持續(xù)發(fā)展的機(jī)器人教育體系。為此,本研究在提出中小學(xué)機(jī)器人教育的推進(jìn)策略——模塊化機(jī)器人的基礎(chǔ)上,結(jié)合認(rèn)知發(fā)展規(guī)律,構(gòu)建了模塊化機(jī)器人教育課程體系,如圖3所示。
圖3 模塊化機(jī)器人教育課程體系
①嬰幼兒階段(0~6歲):認(rèn)知發(fā)展主要表現(xiàn)為由感知運(yùn)動(dòng)階段發(fā)展到前運(yùn)算階段,嬰幼兒通過(guò)觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)等建立起對(duì)客觀物體大小、形狀、顏色、方位、運(yùn)動(dòng)等的認(rèn)知,并逐步發(fā)展語(yǔ)言能力和社會(huì)性交往能力。嬰幼兒階段的機(jī)器人教育主要以象征性游戲?yàn)橹?,通過(guò)購(gòu)買(mǎi)已完成組裝或家長(zhǎng)自行組裝的模塊化機(jī)器人供孩子玩耍,以促進(jìn)其動(dòng)作和語(yǔ)言發(fā)展;或通過(guò)同伴間的機(jī)器人游戲互動(dòng),發(fā)展其同伴關(guān)系。
②小學(xué)階段(6~12歲):認(rèn)知發(fā)展處于具體運(yùn)算階段,以具體形象思維為主,兒童心理處于快速、協(xié)調(diào)發(fā)展時(shí)期,對(duì)客觀世界具有強(qiáng)烈的好奇心和探究欲望,是促進(jìn)智力發(fā)展和培養(yǎng)良好個(gè)性的好時(shí)機(jī)。小學(xué)階段的機(jī)器人教育以培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣為主,教師在具體教學(xué)上宜充分發(fā)揮模塊化機(jī)器人積木式和即插即用的優(yōu)勢(shì),讓學(xué)生自己動(dòng)手搭建模塊化機(jī)器人模型,并以任務(wù)(如機(jī)器人越障、爬坡、搬運(yùn)物體等)為驅(qū)動(dòng),利用手柄、遙控器等完成小組協(xié)作和比賽,以在團(tuán)隊(duì)協(xié)作與比賽中發(fā)展智力,培養(yǎng)同伴關(guān)系。
③初中階段(12~15歲):認(rèn)知發(fā)展處于形式運(yùn)算階段,抽象邏輯思維快速發(fā)展,以形式邏輯思維為主導(dǎo)。初中階段的機(jī)器人教育要求學(xué)生能夠運(yùn)用機(jī)械裝置、電子裝置、傳感器裝置等,自主增減傳感器模塊,完成信息的采集;能夠采用圖形化的編程軟件完成機(jī)器人程序的編寫(xiě),理解程序的基本結(jié)構(gòu),鍛煉邏輯思維能力。
④高中階段(15~18歲):辯證邏輯思維開(kāi)始快速發(fā)展,但水平仍低于形式邏輯思維。高中階段的機(jī)器人教育要求學(xué)生了解機(jī)械傳動(dòng)與單片機(jī)基本知識(shí),能制作簡(jiǎn)易機(jī)器人,具體包括:在硬件上,要充分利用模塊化機(jī)器人可擴(kuò)展性的特點(diǎn),通過(guò)對(duì)模塊的不同組合,學(xué)習(xí)機(jī)械傳動(dòng)的相關(guān)原理;在軟件上,要利用模塊化機(jī)器人開(kāi)放性的特點(diǎn),充分利用網(wǎng)絡(luò)共享資源,學(xué)習(xí)機(jī)器人編程知識(shí),并運(yùn)用C、C++、MATLAB等語(yǔ)言完成簡(jiǎn)易程序的編寫(xiě)與燒錄。
⑤高等教育階段(18歲后):以辯證邏輯思維為主導(dǎo),認(rèn)知發(fā)展水平逐漸趨于穩(wěn)定。在高等教育階段(主要指大學(xué)和研究生階段),機(jī)器人教育的主要目的是應(yīng)用與開(kāi)發(fā)機(jī)器人系統(tǒng),為此,學(xué)生要基于模塊化機(jī)器人學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、控制、機(jī)器視覺(jué)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、人機(jī)共融等多方面的知識(shí),為開(kāi)發(fā)服務(wù)機(jī)器人、醫(yī)療與康復(fù)機(jī)器人、仿生機(jī)器人、生物機(jī)器人等新型的機(jī)器人做好知識(shí)儲(chǔ)備。
模塊化機(jī)器人具有成本低、入門(mén)難度低、開(kāi)放度高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、智能化程度可持續(xù)升級(jí)等優(yōu)點(diǎn),而且集娛樂(lè)、比賽、課堂教學(xué)于一體,是解決目前我國(guó)中小學(xué)機(jī)器人教育困境的有效途徑。將模塊化機(jī)器人作為中小學(xué)乃至大學(xué)、研究生階段機(jī)器人教育的載體,對(duì)于推動(dòng)我國(guó)機(jī)器人教育的健康、規(guī)范、可持續(xù)發(fā)展有著積極的作用。在本研究構(gòu)建的模塊化機(jī)器人教育課程體系中,教學(xué)內(nèi)容從易到難,循序漸進(jìn),既有動(dòng)手實(shí)踐內(nèi)容,又強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)的學(xué)習(xí),注重學(xué)生的全面發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展;同時(shí),該體系將教學(xué)內(nèi)容按照機(jī)器人的智能化程度進(jìn)行等級(jí)劃分,使教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生各個(gè)階段的認(rèn)知水平緊密結(jié)合,符合最近發(fā)展區(qū)理論,促使學(xué)生在教師的指引下或小組的合作中激發(fā)創(chuàng)造潛能,培養(yǎng)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。
本研究通過(guò)對(duì)中小學(xué)機(jī)器人教育的現(xiàn)狀進(jìn)行分析,基于TRIZ理論提出了機(jī)器人教育困境的解決策略,即采用模塊化機(jī)器人作為我國(guó)機(jī)器人教育的載體。在此基礎(chǔ)上,本研究結(jié)合認(rèn)知發(fā)展規(guī)律,構(gòu)建了可持續(xù)發(fā)展的模塊化機(jī)器人教育課程體系。在當(dāng)下國(guó)家創(chuàng)新教育改革中,創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是關(guān)鍵,但創(chuàng)新人才的培養(yǎng)并非一朝一夕之事,而是需要巨大的經(jīng)費(fèi)投入和廣大教育工作者堅(jiān)持不懈的努力與積累。而模塊化機(jī)器人教育可以縮短創(chuàng)新人才培養(yǎng)的周期、減少教育經(jīng)費(fèi)的投入、加速師資培養(yǎng)、促進(jìn)農(nóng)村地區(qū)機(jī)器人教育的公平,是創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系的重要組成部分。需要指出的是,本研究構(gòu)建的模塊化機(jī)器人課程體系還不夠完善,有待教育工作者不斷豐富其內(nèi)容,并在教育實(shí)踐中去檢驗(yàn)。此外,我國(guó)中小學(xué)機(jī)器人教育在推進(jìn)的過(guò)程中也不可避免地會(huì)遇到很多挫折,這需要廣大科研工作者與一線中小學(xué)機(jī)器人教師緊密合作,積極應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn),從理論和實(shí)踐層面推動(dòng)中小學(xué)機(jī)器人教育研究的不斷深入。
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Research on the Modular Robot Education in Primary and Middle Schools
HUANG Qin1TAO Yun1[Corresponding Author]WANG Yu-jin2WU Chang-lin2
To solve the problems of imperfectly theoretical system, weak teacher resources, unbalanced development between urban and rural areas, inconsistent standards of educational robots, this paper established the problem-solving model of the robot education in primary and middle schools based on the Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch (TRIZ) theory. In addition, the strategy of using modular robots to promote the robot education in primary and middle schools was proposed. Based on this strategy and combined with the law of cognitive development, the curriculum system of the modular robot education was constructed. Using the modular robot as the supporter of the robot education could be an effective method to solve the predicament of the robot education in primary and middle schools and motivate to the healthy, normative and sustainable development of the robot education.
robot education; modular robots; TRIZ theory; primary and middle schools
G40-057
A
1009—8097(2018)07—0113—07
10.3969/j.issn.1009-8097.2018.07.016
本文受?chē)?guó)家自然科學(xué)基金“基于閉鏈弓形五連桿的四足機(jī)器人動(dòng)態(tài)翻滾機(jī)理研究”(項(xiàng)目編號(hào):51275363)、自然科學(xué)基金“民族雙語(yǔ)者的認(rèn)知控制”(項(xiàng)目編號(hào):31660282)、云南師范大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金“感知可用性評(píng)價(jià)中的情感狀態(tài)研究”(項(xiàng)目編號(hào):2017019)資助。
黃芹,在讀碩士,研究方向?yàn)榻逃睦韺W(xué)、認(rèn)知心理學(xué),郵箱為husthuang2019@163.com。
2017年11月11日
編輯:小米