針對工科類大學(xué)生的教育機器人教學(xué)實踐探究

李映 孫令真 劉杰

摘 要： 本文介紹了教育機器人并講解了應(yīng)用教育機器人教學(xué)的意義。結(jié)合工科類大學(xué)生教學(xué)主流模式及其發(fā)展方向，分析教育機器人的結(jié)構(gòu)組成及特點，提出了八點相應(yīng)的改革措施。最后對未來教育機器人進行展望。

關(guān)鍵詞： 教育機器人;創(chuàng)新能力;STEM

中圖分類號：G40-057? 文獻標(biāo)識碼：A

1 緒論

2018年8月15日，劉鶴副總理在2018世界機器人大會上的講話強調(diào)：“機器人是當(dāng)前科技變革的最重要領(lǐng)域之一，最領(lǐng)先的國家、最活躍的投資者和最富有想象力的人們都大顯身手，這將對人類社會的生產(chǎn)模式和生活方式產(chǎn)生深刻影響。”[1]一個國家的競爭，很大程度上體現(xiàn)在人才的競爭;當(dāng)代社會的發(fā)展，對具有創(chuàng)造性解決現(xiàn)實問題能力的、能滿足社會需要的人才迫在眉睫。當(dāng)前，機器人在教育領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展發(fā)揮著無可比擬的作用。

根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，機器人可分為工業(yè)機器人和服務(wù)機器人，其中教育機器人屬于面向教育領(lǐng)域的專業(yè)服務(wù)機器人。教育機器人是一個典型的機電一體化產(chǎn)品，它融合了教育學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、機械、電力電子、傳感器、計算機軟件、硬件和人工智能等眾多領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)知識，具有突出的多學(xué)科交叉融合的特性和科學(xué)探究性特點。[2]為培養(yǎng)具有創(chuàng)造力，解決現(xiàn)實問題的能力，具有STEM素養(yǎng)（STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineer）、和數(shù)學(xué)（Math）四門學(xué)科英文首字母的組合）的人才，提供一個良好的平臺。

2 國內(nèi)外教育機器人研究現(xiàn)狀

目前，在英、美、日等發(fā)達國家，教育機器人已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。在學(xué)校，上至高等院校，下至中小學(xué)、幼兒園，教育機器人除了被用作競賽這類課外活動，還引進課堂，作為教具輔助課堂教學(xué)。Pleo、Lego等品牌的智能教育機器人，是孩童的好同伴，寓教于樂地引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)語言、生活、社交、科學(xué)等知識;網(wǎng)龍華漁的未來教師以課堂機器人助教的身份，協(xié)助教師完成課堂輔助性和重復(fù)性的工作;日本東京理科大學(xué)Saya教師，能根據(jù)不同的教學(xué)情境，獨立完成一門課程的教學(xué)，并達到良好的教學(xué)效果。在家里，Jibo、Pepper、Buddy實體化為家庭智能助理，解決家庭生活的各項問題以及提供相關(guān)服務(wù)，并可以個性化的作為學(xué)習(xí)服務(wù)的助理;Zora Bot是老人的專業(yè)陪護伴侶，具有娛樂、腦力訓(xùn)練、復(fù)健教學(xué)等功能。工業(yè)上，Baxter能培訓(xùn)企業(yè)內(nèi)專業(yè)人員，如工業(yè)制造的培訓(xùn)能滿足生產(chǎn)線的需求。公共服務(wù)上，Robotronics傳遞安全教育知識。

國內(nèi)教育機器人的開展已有近十幾年的時間，但極少用在日常課堂教學(xué)中。針對工科類大學(xué)生的機器人教學(xué)發(fā)展起步較晚、發(fā)展滯后，因此在髙校尤其是高校工科學(xué)院開展機器人教育是一個亟待解決的問題。2016年教育部出臺的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中明確指出要有效地推進STEM教育。[3]針對工科類大學(xué)生開展教育機器人教學(xué)實踐活動，將有助于培養(yǎng)學(xué)生成為具有STEM素養(yǎng)的人才。學(xué)生可以多維度地了解熟悉機器人、控制技術(shù)和人工智能等工程概念，系統(tǒng)地綜合地應(yīng)用機械、電子、傳感器和信息等工程科學(xué)技術(shù)，還能培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力、設(shè)計能力及團隊合作能力。

3 教育機器人的組成及特點

教育機器人主要包括執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動-傳動裝置、檢測與監(jiān)控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)四部分組成。執(zhí)行機構(gòu)是完成工作任務(wù)的實體，通常由桿件和關(guān)節(jié)組成。驅(qū)動-傳動裝置與機器人執(zhí)行機構(gòu)連成機械本體，為機械本體運動提供能量。檢測與監(jiān)控系統(tǒng)通過各種檢測器、傳感器，檢測機械本體的運動狀況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)相當(dāng)于人的大腦，對驅(qū)動-傳動裝置進行控制，使執(zhí)行機構(gòu)按照要求進行工作?？刂葡到y(tǒng)一般由控制計算機和伺服控制器組成?？刂朴嬎銠C發(fā)出指令，協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)的運動，同時還要完成編程、示教-再現(xiàn)以及各設(shè)備間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作。[4]教育機器人分為可編程與不可編程機器人，其中可編程又分為示教再現(xiàn)編程和離線編程。

教育機器人主要應(yīng)用在教育領(lǐng)域，具有跨多學(xué)科、多領(lǐng)域研究的特點，是為培養(yǎng)綜合性，能對現(xiàn)實問題進行分析、解決的人才而專門研發(fā)的。一般具有教學(xué)適用性、易教益學(xué)、良好的性價比、可擴展性和開放性等特點。模塊化教育機器人還可以根據(jù)實際需要方便的增、減功能模塊，學(xué)生還可以進行自主創(chuàng)新。[5]教育機器人未來的發(fā)展方向是如同真人一樣，能與人交流互動、能學(xué)習(xí)思考和靈活動作。語音識別技術(shù)、人工智能和仿生技術(shù)是未來發(fā)展教育機器人的關(guān)鍵技術(shù)。

4 工科類大學(xué)生教學(xué)現(xiàn)狀與應(yīng)對措施

工科類大學(xué)生是適應(yīng)時代的發(fā)展，滿足社會的需求的人才，是綜合性的、寬口徑的復(fù)合型人才。工科類大學(xué)生應(yīng)該能系統(tǒng)地綜合地應(yīng)用所學(xué)專業(yè)科學(xué)知識和技能來解決問題。工科類大學(xué)生所學(xué)課程是跨眾多領(lǐng)域的，如機械工程、電力電子技術(shù)、軟件工程和信息技術(shù)。這些學(xué)科要求學(xué)生能將理論知識應(yīng)用于實踐過程當(dāng)中，培養(yǎng)的人才是技能型人才，通常學(xué)生需要通過實際訓(xùn)練等方式來鞏固所學(xué)知識，提高學(xué)生的專業(yè)技能水平和團隊協(xié)作能力。

然而，工科類大學(xué)的教學(xué)方式更多是以老師課堂講解為主，而很多技術(shù)知識是比較抽象的，沒有相應(yīng)的模型學(xué)生難以理解和掌握。將教育機器人作為模型教具引進課堂，教師現(xiàn)場演示講解機械原理、機械設(shè)計、與傳感器檢測與控制等專業(yè)基礎(chǔ)知識，學(xué)生會更好的理解和熟悉掌握工科類基礎(chǔ)知識。[6]機器人教具組裝套裝，激發(fā)學(xué)生對機械、電力、信息技術(shù)等相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣和動力，如：機械原理、機械設(shè)計、機械傳動、自動控制原理、傳感器與檢測裝置等工科類課程，不僅讓學(xué)生系統(tǒng)的理解所學(xué)知識，還可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新意識。機器人的控制，為大學(xué)生提供一個集成的編程平臺，更好的學(xué)習(xí)程序語言設(shè)計、面向?qū)ο蟪绦蛘Z言編程等課程。

針對工科類大學(xué)生教育機器人教學(xué)實踐活動可以采用以下措施：

（1）構(gòu)建完善的教學(xué)研體系，應(yīng)該研發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)化體系化的教學(xué)模式，打磨出優(yōu)質(zhì)的教育機器人產(chǎn)品。

（2）線上線下課程結(jié)合，線下互動學(xué)習(xí)，激發(fā)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新思維;線上練習(xí)，強化訓(xùn)練，提升邏輯思維。除了將教育機器人引進線下課堂，以其作為教具，系統(tǒng)講解機器人技術(shù)的基礎(chǔ)知識以及發(fā)展歷程、軟硬件組成、不同領(lǐng)域的應(yīng)用、未來的發(fā)展趨勢和展望等，讓學(xué)生更加直觀的了解機器人的重要組成部分，掌握機械、傳感器、控制等相關(guān)知識。同樣要將線上課程垂直化，重點在直播課、錄播課垂直內(nèi)容的打磨，以趣味性、吸引力和互動性扭轉(zhuǎn)用戶習(xí)慣，優(yōu)化線上體驗。

（3）具有整套打包解決方案，教育機器人教學(xué)實踐的需求不僅僅是教育機器人系統(tǒng)平臺和課件，還應(yīng)該在師資培養(yǎng)、師資教學(xué)等方面有一整套的打包解決方案。

（4）讓學(xué)生初步了解機器人技術(shù)的內(nèi)涵，由“淺到深”、“點到面”、“少數(shù)帶動多數(shù)”地去探究機器人的奧秘及其具有前瞻性的關(guān)鍵技術(shù)?？梢耘e行不同主題的系列講座、開設(shè)相關(guān)的選修課程。

（5）根據(jù)相關(guān)專業(yè)課程特點，增加課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在做項目中學(xué)習(xí)。

（6）組織大學(xué)生、專業(yè)科研人員以及機器人愛好者參加各類科技創(chuàng)新活動和機器人比賽。在研制中學(xué)習(xí)并提高。

（7）搭建教育機器人創(chuàng)新教學(xué)平臺：

通過基于創(chuàng)新教學(xué)平臺，對教育機器人零部件進行裝配、調(diào)試來熟練掌握機械系統(tǒng)的設(shè)計與制作。模塊化教育機器人由不同的套件組合而成，不同模塊可以方便地、自由地、創(chuàng)意地組合。學(xué)生可以發(fā)揮想象力和創(chuàng)新精神，對教育機器人進行結(jié)構(gòu)設(shè)計;

通過基于創(chuàng)新教學(xué)平臺，學(xué)生可以通過單片機或者嵌入式等形式進行電路控制系統(tǒng)設(shè)計，鞏固學(xué)生控制方面的知識，提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新思維能力;

通過基于創(chuàng)新教學(xué)平臺，學(xué)生可以通過圖形化編程語言或者程序語言進行控制系統(tǒng)設(shè)計，鞏固學(xué)生軟件方面知識，培養(yǎng)學(xué)生的算法與程序設(shè)計能力。提高學(xué)生邏輯思維能力。

另外，可以通過傳感器技術(shù)、以及可拓展模塊，來改善機器人功能，提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

（8）開發(fā)教育機器人虛擬平臺，通過計算機圖形技術(shù)，在計算機上構(gòu)建教育機器人系統(tǒng)的物理模型，并可以對其進行編程和、仿真、校驗和優(yōu)化等操作。學(xué)生可以不占用現(xiàn)實的教育機器人學(xué)習(xí)。

5 總結(jié)與展望

針對工科類大學(xué)生，培養(yǎng)有知識、有能力、有素養(yǎng)的創(chuàng)新型、實踐型人才，是時代發(fā)展的需求，是教育改革的方向。教育機器人活動知識覆蓋面廣、能力鍛煉多樣、情感體驗豐富，應(yīng)用教育機器人教學(xué)將適合新時期的要求，必將為我國的素質(zhì)教育做出應(yīng)有的貢獻。教育機器人的前途是光明的。目前，教育機器人得到越來越多的人的關(guān)注，盡管市場上出現(xiàn)了不少產(chǎn)品，但還只是拉開了教育機器人大發(fā)展的序幕，依然還有很大的發(fā)展空間。

參考文獻：

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