機器人學的教育應用及展望

林曉峰，謝 康

（贛南師范大學 新聞與傳播學院，江西 贛州341000）

一、引言

“阿爾法狗”擊敗世界圍棋冠軍柯潔事件引發(fā)了公眾對人工智能的高度關注，關于人工智能在各個領域的應用研究也隨之迎來第四階段的高潮。[1]而機器人學是為人工智能在教育中應用的研究領域之一，[2]分析、歸納和總結(jié)機器人學的教育探索歷程和應用案例對后續(xù)開展機器人學的相關研究尤為重要。本論文將分別從我國機器人學在教育應用中的探索歷程、機器人學的教育應用以及我國機器人學在教育中應用展望三方面展開闡述。而本論文的研究成果也將進一步豐富機器人學的研究理論基礎，促進機器人學學科體系的建立，同時也對機器人學在教育中應用的相關研究具有一定的指導性作用。

二、我國機器人學在教育應用中的探索歷程

1.機器人、機器人學與機器人教育

根據(jù)1979年美國機器人研究所（Robot Institute of America，R.I.A）所給出的相關定義，機器人（Robot）是一種可以再編程序的多功能操縱器，它被用來移動材料、工件、工具或?qū)Ｓ迷O備，并通過可編程的運動來完成各種任務。[3]隨后，劉辛軍和于靖軍等[4]從學科的角度出發(fā)，認為機器人是力學、機構學、材料學、自動控制、計算機、人工智能、光電、通訊、傳感、仿生學等學科交叉和技術綜合的結(jié)合。劉相權、劉啟光[5]則認為機器人是一種自動化的，能夠通過預先編排的程序自主完成某類任務的機器裝置。

機器人學（Robotics）是研究以智能計算機為基礎的機器人的基本組織和操作，一般而言，機器人學包括基礎研究和應用研究兩個方面，主要內(nèi)容有操縱器、傳感器、程序語言、計劃系統(tǒng)和裝置與系統(tǒng)結(jié)構五個主要部分。[6]后來國內(nèi)有學者認為，機器人學是一門綜合了力學、機構學、機械設計、傳感技術、以及電氣液壓驅(qū)動、自動控制工程、人工智能和仿生學等學科領域，以研究機器人理論與制造技術為目的的綜合性學科。[7]從本質(zhì)上說，機器人學就是一門研究機器人的學科。

機器人教育（Robot-based Education）從廣義上說指的是利用智能機器人進行教育教學活動；狹義上是指在教育領域使用智能機器人來改善教學過程，優(yōu)化教學效果及完善師生工作方式的理論與實踐[8]。機器人教育是隨著對機器人的研究而發(fā)展的，機器人學是隨著機器人和機器人教育的發(fā)展而逐漸形成的，因此三者之間的形成與發(fā)展相互緊密聯(lián)系著。

2.我國機器人學教育應用探索歷程

截至2018年中期，在中國知網(wǎng)上以“機器人學”為主題進行文獻檢索，檢索結(jié)果如圖1所示。檢索結(jié)果顯示，與機器人學相關的學術文獻共有3840篇，對機器人學最早的研究是1980年劉敦畬和戴善仁在 《機械工業(yè)自動化》期刊上發(fā)表的“智能機器人略談”。[9]由于對機器人學的教育應用研究是隨機器人學的發(fā)展而發(fā)展的，因此，對全部檢索結(jié)果進行計量可視化分析，可以得出我國機器人學的教育應用探索歷程大致經(jīng)歷了如下三個階段：

（1）探索初期（1980-1999 年）

機器人學教育應用的初步探索期。該時期主要探討的內(nèi)容是：機器人技術研究、機器人相關會議、國內(nèi)外機器人技術研發(fā)與進展和機器人技術在教育中的初步應用等。

（2）探索中期（2000-2009 年）

圖1 以“機器人學”為主題的CNKI文獻檢索計量分析結(jié)果

在此期間，既是機器人學學科體系建立期，又是機器人學教育應用探索的高速期。步入2000年后，我國對機器人學的相關研究得以較快發(fā)展。2000年，由蔡自興教授編寫、清華大學出版社出版、直接以“機器人學”命名的著作《機器人學》正式出版發(fā)行，這部著作對中國機器人學學科體系的建立具有至關重要的意義。[10]同時，2000-2009年期間中國關于機器人與機器人學的研究呈指數(shù)上升狀態(tài)，進入了機器人學教育應用探索的高速發(fā)展期。該時期主要探討的內(nèi)容是機器人學的教育探索與應用、機器人學現(xiàn)狀與趨勢分析、機器人學課程教學方法研究以及多種機器人的應用研究等。

（3）平穩(wěn)期（2010 年至今）

從2010年至今，中國對機器人學的研究趨于平穩(wěn)狀態(tài)，平均每年發(fā)表的文獻保持在230篇左右。但從另一方面，也說明學界對于機器人學的研究步入了一個“高原區(qū)”，需要進一步探索和反思機器人學學科的發(fā)展方向。該時期主要探討的內(nèi)容是：機器人學課程或教學改革與實踐、機器人學的教育應用、機器人的技術倫理和關于各類機器人的設計開發(fā)研究等。

3.中國機器人學及機器人教育發(fā)展現(xiàn)狀和特點

幾十年來，在“863計劃”和“國家自然科學基金”等政策的大力資助下，中國的機器人學和機器人技術無論是在基礎理論方面，還是關鍵技術方面都取得了顯著的進步。就當前來說，在國內(nèi)機器人領域內(nèi)已經(jīng)形成了一支較高水平的研究隊伍，其中就包括兩院院士、國家杰青、“長江學者”特聘教授等高端人才。他們廣泛分布在高等院校、中科院及研究所，建立了多個機器人研究基地。2017年8月21日，在中國舉行的“機器人技術國際工程科技發(fā)展戰(zhàn)略研究高端論壇”上，IEEE機器人與自動化學會前主席拉賈·夏蒂拉認為：目前，中國機器人發(fā)展無論是從規(guī)模還是應用領域，都是前所未有的。[11]但是，國內(nèi)學者在《IEEE Trans.on Robotics》、《Int.J.of Robotics Research》等機器人領域國際期刊上所發(fā)表的論文數(shù)量偏少，跟歐美發(fā)達國家仍存在較大的差距。而且在國際權威期刊和機器人專業(yè)期刊上ESI高被引論文中也少見國內(nèi)學者身影。[12]從側(cè)面反映出國內(nèi)機器人學領域原創(chuàng)性成果還是比較少、關鍵核心的技術瓶頸還亟需突破、機器人學學科交叉活力不足等特點。

目前我國機器人教育仍屬于起步階段，在我國高校專業(yè)設置上還沒有獨立開設機器人學專業(yè)。當前機器人教育主要還是在智能科學與技術專業(yè)、機械設計制造及其自動化專業(yè)以及公共選修課等課程上開展。[13]其教學內(nèi)容一般包括機器人概述、硬件結(jié)構、編程、比賽以及教學五部分。[14]同時，我國的機器人教育還是以專業(yè)教育和科研為主，重在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神與實操能力。但由于高校機器人學相關專業(yè)入門門檻較高，只能針對部分人員進行培養(yǎng)，進而非專業(yè)背景學生接觸機器人教育的機會少之又少。因此，當前我國高校機器人教育呈現(xiàn)出發(fā)展不均衡的特點。[15]

三、機器人學的教育應用

目前機器人學仍處于教育應用探索的階段，總結(jié)和歸納機器人學的各種探索和應用案例為機器人學的教育應用起到了關鍵性作用。為此，本論文在大量文獻調(diào)查研究的基礎上，認為機器人學的教育應用可以分為機器人學教育以及教育機器人兩方面。

1.機器人學教育

經(jīng)濟社會需求是機器人學和機器人技術形成的催化劑和原動力，而機器人學教育是機器人學學科和機器人技術賴以發(fā)展的強化劑和推動力。[16]機器人學教育又包含機器人學學科的專業(yè)與課程教育、機器人學知識的普及教育兩點：

（1）機器人學學科的專業(yè)與課程教育。機器人學教育是隨著機器人學的發(fā)展而發(fā)展的，國內(nèi)外機器人學已經(jīng)建立了較為完善的學科與課程體系?，F(xiàn)階段，中國的高等院校在機械類、自動化類、智能科學技術等專業(yè)均有開設機器人學課程，甚至一些師范院校理學類專業(yè)也因中小學越發(fā)重視機器人教育而將機器人列為專業(yè)選修課程，如：教育技術學專業(yè)。

（2）機器人學知識的普及教育。近年來，隨著機器人教育、創(chuàng)客教育在教育領域中不斷升溫，中國每年都在各個地區(qū)或高等院校中舉辦機器人比賽、機器人影片展示和機器人學科普講座等機器人學比賽和普及教育活動，這些比賽和活動不僅提高了學生們對機器人學和機器人技術的興趣，也培養(yǎng)了廣大青少年的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維；同時，國外有不少以機器人為題材的影視作品在中國上映，如：《黑客帝國》、《變形金剛》、《機器公敵》等等，這些題材的電影每次上映都吸引了大量觀眾前去觀影，在宣傳高科技的同時，也對觀眾進行了機器人學知識的普及教育。

2.教育機器人

教育機器人是指在教育領域中所采用的機器人，其最終目的是要培養(yǎng)學生的學習分析能力、創(chuàng)造能力和實踐能力，具備教學適用性、開放性、可擴展性和人機交互界面友好等特點。[17][18]教育機器人為當前教育教學提供豐富教學資源的同時，隨著機器人技術的不斷發(fā)展以及廣大學生對智能技術學習興趣的不斷提升，在教育領域中的應用將越來越普遍。按教育機器人的用途來分類，大致可分為8類，如表1所示。

（1）娛樂玩具機器人

這是一種針對兒童開發(fā)設計的教育機器人，既可以滿足孩子們的玩樂需求，又有助于兒童智力開發(fā)和語言文字學習。如：美國UGOBE公司研發(fā)的Pleo電子寵物、Wonder Workshop（奇幻工房）公司研發(fā)的Dash-Dot兒童教育機器人等。

（2）智能助理機器人

這類機器人可以成為學習者個性化學習服務的助理。典型案例有：麻省理工研發(fā)的Jibo機器人、藍蛙機器人公司生產(chǎn)的Buddy智能機器人、日本軟銀集團和法國Aldebaran Robotics共同研發(fā)的Pepper等。

（3）遠程控制機器人

使用者可以遠程控制機器人，打破了時空的界限，異地參與教和學活動。典型案例有：韓國科學技術研究院研發(fā)的可遠程控制教學機器人“Engkey”、Cambridge公司為提升企業(yè)溝通效率而研發(fā)的遠程機器人Vgo等。

（4）STEAM 教具

STEAM是一種新的基于學科背景的綜合教學方法。而STEAM教具是指那些為適應STEAM教育而開發(fā)設計出的教學工具，其中就包括有：makeblock公司開發(fā)的Mbot機器人、樂高公司和美國麻省理工學院共同開發(fā)的Mindstorms機器人等。

（5）特殊教育機器人

特殊教育機器人是一種應用于特殊教育，為特殊癥狀使用者而設計開發(fā)的教學機器人。如Aldebaran Bobotics公司打造的人形機器人Ask Nao，其內(nèi)含特別編制的游戲和應用程序有助于自閉癥孩子學習、發(fā)展和融入社會；還有Robokind公司生產(chǎn)的仿生機器人Milo。

（6）培訓類機器人

針對為企業(yè)內(nèi)專業(yè)人員和醫(yī)療專業(yè)人員培訓而開發(fā)的一類機器人。如：美國再思考機器人（Rethink Robotics）公司推出的Baxter機器人、美國直覺手術公司研發(fā)的達芬奇手術機器人系統(tǒng)。

（7）康復保健機器人

為老年人專門設計使用的，具備娛樂、腦力訓練、復健教學等復健照護功能的機器人。如：養(yǎng)老院服務機器人Zora Bot、韓國科學技術研究所推出的為老年人服務的Sil-bot機器人、卡內(nèi)基梅隆大學研發(fā)的為老年人或殘疾人提供護理幫助的Ballbot機器人。

（8）安全教育機器人

安全教育機器人通過角色扮演，利用機器人向群眾普及安全教育知識。該類機器人應用在各個群體和情境中，具有十分良好的空間。如：安全教育機器人Robotronics。

表1 教育機器人的應用案例及研發(fā)機構一覽表

四、我國機器人學在教育中應用展望

目前，世界各國紛紛將機器人的發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，如美國國家科學基金會2017年發(fā)布的“國家機器人計劃2.0”戰(zhàn)略、德國聯(lián)邦政府2015年公布“升級版工業(yè)4.0”、日本的“機器人新戰(zhàn)略”等。[19]而我國也把握世界潮流、抓住發(fā)展機遇，在《中國制造2025》中明確將機器人列入重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)。

因此，隨著如今國家對機器人領域的重視、機器人學的迅速發(fā)展和機器人學教育的實際應用需要，預計我國機器人學的教育應用可能在以下幾方面會有所突破：

1.機器人學教學改革

目前，機器人學課程在教學開展過程中，表現(xiàn)出傳統(tǒng)機器人學課程的教學內(nèi)容繁雜、教學內(nèi)容單一以及重理論輕實踐等不足，從而嚴重影響學生的學習積極性。[20]為改變這一現(xiàn)狀，勢必要針對機器人學學科教學過程中所存在的不足進行教學改革，以適應國家對機器人學創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需要。

因此，在務實機器人學理論基礎的前提下，做好學科課程頂層設計，對機器人學理論教學內(nèi)容進一步優(yōu)化尤為重要。各個院校應結(jié)合教學的實際情況，兼顧機器人學學科知識的深度和廣度，對機器人學學科的理論知識進行組織與再組織，將教學內(nèi)容與實踐有機地結(jié)合起來；同時，也要注重對教學方法的改進，增加現(xiàn)場教學的環(huán)節(jié)，提高課堂的積極性；另外，要規(guī)范器材配置，建立相應的教學實驗平臺，進一步拓展實踐教學內(nèi)容；最后，要強化對教學相關人員（教師和實驗員等）的培訓，改進對學生的考核方式。

2.機器人學高素質(zhì)人才培養(yǎng)

人才是第一資源，機器人學學科的發(fā)展規(guī)劃與技術推廣都離不開高素質(zhì)人才的培養(yǎng)。對于機器人學高素質(zhì)人才的培養(yǎng)，建立完善的學科人才培養(yǎng)制度和總方針是首要，規(guī)范各級機器人學教育是關鍵，“產(chǎn)學研結(jié)合”是培養(yǎng)機器人學高素質(zhì)人才的重要方法。同時，可以加大技術裝備的投入和機器人平臺（如：虛擬仿真教學平臺和智慧工廠微型實訓平臺等）的構建，充分利用網(wǎng)絡技術和多媒體技術為機器人學人才培養(yǎng)營造一個良好的發(fā)展環(huán)境。

3.中國機器人產(chǎn)業(yè)

機器人產(chǎn)業(yè)為機器人學學科和機器人技術形成和發(fā)展提供了源源不斷的動力。據(jù)相關研究，當前制約我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的因素有以下八點[21]：①制度不完善；②低端技術存在鎖定隱憂；③機器人成本高；④沒形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈；⑤企業(yè)定位盲目、無龍頭；⑥國外品牌產(chǎn)品有絕對的市場優(yōu)勢；⑦產(chǎn)業(yè)園重復建設嚴重；⑧人才系統(tǒng)建設沒有得到足夠的重視。

中國機器人產(chǎn)業(yè)要得到長足發(fā)展，筆者認為需要做到以下四點：①政府部門要出臺相應的產(chǎn)業(yè)制度，引領產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時也要加大對機器人產(chǎn)業(yè)相關項目的扶持力度；②設立相應的機器人協(xié)會，匯聚高端人才；③相關企業(yè)和研發(fā)機構要加強對核心技術的研發(fā)力度；④國內(nèi)企業(yè)也要不斷探索錯位競爭的機會，不斷發(fā)展壯大中國機器人產(chǎn)業(yè)集群。

五、結(jié)束語

本文在查閱大量文獻以及與機器人學教育應用相關案例研究的基礎上認為，我國機器人學在教育應用中的探索歷程主要有探索初期、中期和平穩(wěn)期三個階段，且我國機器人學呈現(xiàn)出學科交叉活力不足、高校機器人教育發(fā)展不均衡的特點。