國內機器人教育研究綜述

楊國龍

（北京郵電大學 教育技術研究所，北京100876）

一、背景及意義

自步入21世紀以來，計算機技術得到了快速發(fā)展，機器人技術也逐漸成熟，并逐漸在向各個領域滲透融合，從科學理論、科學技術到社會層面都得到了很大的發(fā)展。而在彭紹東（2002）將“機器人教育”定義及其主要的類型引進教育領域后，研究者們對機器人輔助教育、機器人教育標準、機器人教學模式到機器人教育體系的探討就從未間斷，也成為不同階段發(fā)展關注的重點內容，探索過程呈現(xiàn)從理論探討到深入實踐變革的轉變，從關注機器人教育的“教”向機器人教育的“學”轉變，從教育技術的實現(xiàn)向教育內容建設轉變，從關注設備的供給向教育需求的滿足轉變，從關注教育機器人本身功能向引導學生使用機器人更好地實現(xiàn)學習的轉變等特點。同時，伴隨著MOOC、微課、STEM教育、創(chuàng)客教育、開源硬件等相關概念的出現(xiàn)，機器人教育也在上述概念中得到了一定的研究和實踐，并在不同程度取得了相關成果。為了準確了解國內機器人教育研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，文章運用科學知識圖譜，系統(tǒng)梳理了2002-2018年刊登在國內教育技術領域核心期刊上的相關文獻，進而進行分類比較，歸納總結，并結合當前的時代背景，提出相關的建議和意見，以期為后期機器人教育生態(tài)體系的構建提供理論基礎和實踐意義。

二、研究設計

1.研究數(shù)據(jù)來源

在中國知網(wǎng)中以“機器人教育”搜索，發(fā)現(xiàn)從2006年開始，刊登在《中國電化教育》雜志上的相關文章為12篇；從2007年開始，刊登在《現(xiàn)代教育技術》雜志上的相關文章為12篇；從2002年開始，刊登在《電化教育研究》雜志上的相關文章為8篇。最終得到的樣本文獻為32篇，按照軟件對數(shù)據(jù)的格式要求，在獲取數(shù)據(jù)的時候，文獻存儲格式為“Refworks”。

2.研究工具與方法

研究采用知識圖譜分析、聚類分析等方法對國內機器人教育的文獻進行定量分析?？茖W知識圖譜可以把復雜的知識領域通過數(shù)據(jù)挖掘、信息處理、知識計量和圖形繪制將其展示出來。通過可視化展示機器人教育的核心結構、發(fā)展歷史、前沿領域以及整體知識框架，來揭示國內機器人教育領域的動態(tài)發(fā)展規(guī)律。研究過程主要采用超美教授基于Java語言開發(fā)的“Citespace”軟件，版本是“CiteSpace.5.3.R6.SE（64-bit）”。本研究對 32 篇文獻進行了可視化分析，以期能夠對國內機器人教育的關鍵詞、發(fā)展歷程、前沿研究及研究熱點進行深入解析。

三、國內機器人教育研究分析

1.國內機器人教育研究趨勢

采用“citespace5.3.R6”對32篇文章的基本信息進行聚類分析，預處理過程中，按照相似性可發(fā)現(xiàn)文章的年份分布如表1所示。

表1 機器人教育研究文獻一覽表

從表1中的分布可以看出，首先，自2002年被提出至2006年這段時間，機器人教育被有所擱置，新技術被引入教育領域，需要一個漫長的融合階段，因此，這也是較為正常的研究反映。再者不同年份的成果數(shù)量基本保持一致，一方面說明機器人教育一直受到國內學術研究者的關注，另一方面也從側面反映出國內有關機器人教育學術研究的嚴謹性，研究成果的質量得到了保證。最后我們會發(fā)現(xiàn)相比較2013年以前，自2014年開始，研究整體呈現(xiàn)上升的趨勢，尤其是在2017年，出現(xiàn)了近20年來的峰值，而這也是符合時代發(fā)展的背景，2017年被稱為“AI元年”。

2.機器人教育研究發(fā)文作者及機構分析

運用“citespace”軟件對機器人教育研究發(fā)文作者與研究機構進行了統(tǒng)計分析。

按照發(fā)文的頻率和中心度來看，鐘柏昌為6篇，王益為4篇，張劍平為4篇，張國民為3篇，王同聚、王小根及彭紹東各2篇，但觀察中心度可以發(fā)現(xiàn)，這些作者中，張劍平的中心度最大，為0.13.而且作者與作者之間聯(lián)結分散，并沒有形成緊密的合作關系。

按照研究機構來看，湖南師范大學教育技術系、浙江師范大學教育信息技術系、廣州市教育信息中心、南京師范大學教育科學學院等單位成為該領域研究的核心基地。但仍然存在各單位各自研究，中心度均為0，互不影響，未形成緊密的聯(lián)結。

3.機器人教育研究關鍵詞及主題詞可視化分析

在“Citespace”軟件中對摘要中的主要內容進行提取和分析，包括“Term”和“Keyword”，文獻網(wǎng)絡共呈現(xiàn)節(jié)點15個，形成了21個條聯(lián)結，圖1是近20年來機器人教育研究中主要關注內容的可視化結果，按照節(jié)點在所有文獻中出現(xiàn)的頻率高低排序，表2中依次為機器人教育（19）、機器人（5）、教育機器人（4）、人工智能（4）、中小學機器人教育（3）、創(chuàng)客教育（2）、任務驅動（2）、創(chuàng)新教育（2）、微課（2）、機器人技術（2）、虛擬機器人（2）、逆向工程（2）、教學模式（2）、類型（2）及課程標準（2）。

另外，按照年份進行內容的劃分，可以發(fā)現(xiàn)：2002-2008年更多關注的是機器人教育、機器人、機器人技術及虛擬機器人，可以說，這一階段的機器人教育處于起步階段，更重視機器人教育的基礎服務，包括軟硬件等方面內容；2012年開始，開始走向標準化、規(guī)范化、科學化，也反映了機器人教育已逐步成為教育的主要內容之一；2014年提出微課，2015年出現(xiàn)中小學機器人教育，開始探索教學模式，2016年與創(chuàng)客教育相融合，2017年步入逆向工程等，可以推測，這一時期機器人技術已經(jīng)成熟，如何與其他技術相互結合為中小學教育提供支撐成為重點的研究內容，同時相關的教學模式及教學法開始滲透。

4.機器人教育分類研究

圖1 國內機器人教育近20年研究內容的可視化結果

表2 國內機器人教育主要關注內容頻率及中心度統(tǒng)計

綜合以上三部分內容，在與多名專家討論后，依據(jù)分析結果，對32篇文章逐篇研讀，按照其主要研究內容進行了分類，以“機器人教育+”進行逐一的解讀，主要分為：機器人教育與教學模式、機器人教育與課程標準、機器人教育與創(chuàng)客教育、機器人教育與教學資源等4種（如表3所示）。

（1）機器人教育與教學模式

機器人教育類型在彭紹東（2002）的文章中已經(jīng)做了明確的界定：機器人學科教學、機器人輔助教學、機器人管理教學、機器人代理（師生）事物及機器人主持教學.而在以鐘柏昌（2016）為主要研究者的有關于機器人教學模式探索過程中，在“知識內容維度”和“物化成果維度”的二維分析中，又出現(xiàn)了新的分類，分別為實驗模擬型教學、趣味交互型教學、科學探究型教學和發(fā)明創(chuàng)造型教學四種。這里強調對教學模式的分類，后文中涉及到相關教學資源的內容將不在這里出現(xiàn)。

（2）機器人教育與課程標準

課程標準是以 《基礎教育教育信息技術課程標準（2012版）》為核心進行相關研究。鄭立新（2012）對機器人模塊內容進行了解析，主要涵蓋的學習內容為機器人的初步認識、基本結構、硬件知識及軟件知識等，也對《標準》的基本特征做了一定總結，比如理論與實踐并重與符合學生認知特點。與此同時，吳良輝（2012）對機器人教育的重要意義做了明確定位：機器人教育將走向普及、機器人教育能夠促進信息技術課程的發(fā)展以及機器人教育有利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

表3 機器人教育研究分類

（接上表）

（3）機器人教育與創(chuàng)客教育

王小根（2016）對面向創(chuàng)客教育的中小學機器人教學進行了相關探索，并設計探討了相關的教學模型實施案例，而學生創(chuàng)新能力和設計能力的啟發(fā)和提升是創(chuàng)客教育有效開展的重要依據(jù)。因此，該文章可溯源至孫世杰（2006）對開展機器人教學的目標定位：培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神。同期，劉淑云（2016）探究了創(chuàng)客理念下師范生的機器人教學模式，并從教學目標、操作程序、實現(xiàn)手段、反饋與評價及成果轉換5個方面做了相關設計研究。

（4）機器人教育與教學資源

教學資源的分類來自于張家華（2008）對我國中學人工智能與機器人課程教學資源的介紹與分析，包括教材、教學平臺和專題學習網(wǎng)站等，無獨有偶的是，王益等（2008）對該階段現(xiàn)有的教育機器人資源網(wǎng)站進行了分類和比較分析，為后期的研究提供了相關意見和建議，本文將后期相關資源的開發(fā)與設計也都納入至該分類，如王同聚（2014）對微課制作與應用的研究、王小根（2012）對基于“任務驅動”的小學機器人教育校本課程開發(fā)研究等。

綜上可以發(fā)現(xiàn)，機器人教育發(fā)展至現(xiàn)在，首先，已經(jīng)探索出了一系列較為成熟的教學模式，并在中小學教學中取得了不錯的效果，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和動手實踐能力為核心出發(fā)，提倡師生能夠在機器人教育教學過程中能夠重視跨學科教學，并能聯(lián)系學生的學習和生活實際，在掌握機器人基礎知識和技能的基礎上，經(jīng)過相關的程序設計和模擬開發(fā)，進而對自己或團體的機器人創(chuàng)新型項目進行相關的研發(fā)工作。其次，已有研究并不局限于對上述內容的關注，對機器人教育政策的研究以及對機器人教育設計、管理、評價與應用等過程的效果研究也成為促進機器人教育更好發(fā)展的基礎，而大部分的研究成果也說明國內機器人教育和相關競賽確實提高了學生的協(xié)作交流能力、問題解決能力及跨學科思考的能力。再者，國內機器人教育立足于國際化水平，并在不同的時期，選擇向美國（王益，2007）和日本（王凱，2017）進行借鑒，發(fā)現(xiàn)國外早先就在大學研發(fā)并使用機器人學習平臺并對產(chǎn)學研與跨學科十分重視，這給對我國的機器人教育帶來很大啟發(fā)。但不容置否的是：在機器人教育探索的過程中也存在不同的問題，這將在下文進行詳細闡述。

四、問題與建議

1.國內機器人教育問題分析

研究還發(fā)現(xiàn)，國內機器人教育還是有很多地方需要進一步改進，比如高中Arduino機器人課程學習效果顯示，側重學科本位，重技術輕整合，與學生的實際生活問題有一定的距離，參與度與任務完成度都一般，學習的持續(xù)度有欠缺 （金書輝，2017）；專業(yè)化師資隊伍缺乏，課程內容體系不完善，缺乏有效的監(jiān)管評價體系，家庭參與性差等（徐多，2017）。而在當前的文獻支撐下，還發(fā)現(xiàn)缺少高校機器人教育的課程體系和標準。另外，機器人教育立足于對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，但從現(xiàn)有的研究來看，創(chuàng)新能力的評測還有待進一步去完善。而且研究者和研究機構之間也并未形成緊密的合作關系，研究缺少系統(tǒng)性，綜上，研究對現(xiàn)有問題做了以下的總結：

（1）多單位參與致使機器人教育無對標研究

經(jīng)調研，機器人教育的設計與開展主要來自教育培訓機構、學校教育及高支小等模式，參與機構多元，沒有統(tǒng)一的課程體系和較成熟的師資，也沒有相關的行業(yè)標準，合作研究機制缺乏；另外，從研究結果來看，各機構之間研究分散，合作研究極少，研究系統(tǒng)性不足，也缺少成熟的評價體系，致使課程內容不同，授課人員多類型，也難以開展有效的評價。

（2）跨學科能力要求較高，學習者多停留在模擬學習階段，創(chuàng)新學習階段投入不足

機器人教育多集中在硬件組合及程序開發(fā)和模塊化編程內容的學習上，對物理、數(shù)學及計算機知識的要求比較高，學習者需要有較強的跨學科能力，相對于小學和初中生來說，高中生相對在這一塊會有較好的表現(xiàn)，但高中學習任務繁重，投入明顯不足，同時也容易造成小學和初中生對相關知識技能學習的興趣，在創(chuàng)新性學習階段顯得力不從心。

（3）市場引力大于學校教育，游戲化、娛樂化凸顯

調研發(fā)現(xiàn)，參與家長和兒童對機器人輔助學習的期待比較高，對學習者本人最終學習成果的認識過高估計，在付出大量金錢與精力的同時，購置的機器人閑置，購買的課程成為未完成的任務，學習者學習過程活躍度一降再降等問題層出不窮。學習者的定位受市場機制的牽動，致使教育目的顯得不再單純是育人為主。機器人教育的娛樂性、游戲性在無形中增強。

（4）實證研究缺乏，難以有效衡量學習者綜合能力的提升度

國外有大量實證研究對 “機器人教育對學習者計算思維（引文）的影響因素”進行了探索，細化出相關研究的不足，有針對性地提出了相關意見和建議。國內機器人教育倡導培養(yǎng)學習者的設計思維、計算思維及創(chuàng)新性思維，但由于多種原因，還未有相關實證研究為上述思維的發(fā)展提供證據(jù)，這對衡量學習者的綜合能力造成了一定障礙。

2.對機器人教育的建議

針對上述相關問題，研究本身對相關內容提出意見和建議：

一是按照不同區(qū)域范圍，制定區(qū)域化的機器人教育標準，同時設計較為完善的課程體系，可將已有的教本課程進行規(guī)范性和科學性的論證，進行資源整合。

二是在大學設置機器人教育課程，一定程度上，可以讓計算機科學與技術、網(wǎng)絡工程、電子工程及自動化等專業(yè)的教師和學生共同參與，培養(yǎng)跨學科機器人教育師資力量。

三是以“干中學”理念為指導，提倡以項目式學習為主要學習模式的機器人教育，并建議同時能夠在各MOOC網(wǎng)站添加機器人教育模塊內容，一方面為專業(yè)學習者提供相關學習資源，另外作為社會學習者的資源，引領對機器人教育的全民學習意識。

四是堅持技術理性，提倡個性化教育以及興趣為導向的課程選擇和項目參與，學習內容更重視綜合能力的提升，不可本末倒置，機器人教育不在于學會模仿，更重要的是培養(yǎng)問題解決能力、創(chuàng)新思維及系統(tǒng)思考的能力。

五是當基礎的軟硬件極大地豐富之后，更重要的是在學習過程中讓學習者找到自己的興趣點，沉浸在項目開展的興奮中，充分體驗學習過程帶給自己的快樂和收獲。

五、結束語

未來機器人教育將會從使能和賦能兩個層面，為各行各業(yè)注入新鮮血液，提供更智能化、智慧化的開放機制。發(fā)展以機器人教育為核心的教育生態(tài)，可以從在線機器人教育、智能化機器人教育以及智慧化機器人教育三個層面逐步發(fā)展，層層突破。同時期待機器人教育可以立足專業(yè)知識本位，以培養(yǎng)學習者綜合能力為目標，并能保持對國際化機器人教育的敏感，結合國內本土文化，形成具有中國特色的專家學者、師資和學習者。