人形機器人校本課程的教學實踐*

馬才平

（廣東省佛山市順德區(qū)杏聯初級中學，廣東佛山 528325）

一、人形機器人教育現狀與問題

人類一直在追求制造高仿真的人形機器人的原因是什么？不是執(zhí)著于人形，是執(zhí)著于替代人可以完成的事情，并且做得更好是其中的情結之一[1]。人形機器人的研究也隨著人工智能的水平有了更高的發(fā)展。人形機器人涉及的技術層面可以在一定程度上代表了一個國家人工智能科技的發(fā)展水平。

（一）開設人形機器人校本課程的重要性

輪式機器人在中小學的校本課程已經得到初步普及，這為人形機器人的學習奠定了基礎。相比于輪式機器人，人形機器人的靈活度更大，創(chuàng)意可以更多，并且更容易激發(fā)學生的學習興趣。人形機器人是關節(jié)型機器人，可以拼裝成各種需要的外形以實現各種目的，可以做成一個機械臂完成各種動作，更可以模仿工廠的人工智能流水線來拼裝成一個微人工智能流水線。如果說輪式機器人是為了提高學習編程的興趣，那么人形機器人就是為了用編程去改變生活，用編程去創(chuàng)作，把創(chuàng)作成為現實[2]。中小學開展人形機器人教學可以讓人工智能從娃娃抓起，為人形機器人技術的沉淀產生一個良性的循環(huán)，為國家輸送更多從事人工智能的優(yōu)質人才[3]。

（二）存在的主要問題

人形機器人的技術研究難度偏大，目前我國人形機器人教育方面的教學資源不多，以致從事人形機器人教育的教師也是少之更少[4]。學校雖然開設了人形機器人課程，但教師缺乏有效的課程開設經驗，沒有完整的課程學習框架，容易形成“放養(yǎng)式”教學，不利于學校對課程后續(xù)的資金投入和發(fā)展，更不利于對尖端人才的培養(yǎng)以及發(fā)現。

二、教學實踐

（一）師資隊伍建設

師資是課程開設的基礎條件，人形機器人教師需要具備以下的專業(yè)素養(yǎng)：

1.熟悉一門編程語言。編程是一切機器人培訓的基礎，是讓機器人“聽話”的基礎，編程語言是相通的，只要學會其中一種就一通百通。

2.具備良好的硬件知識基礎和原理分析能力。教師不只是會使用硬件，而且還要大致知道這些硬件運行的原理。例如只會編程使用超聲波傳感器是不夠的，作為教師還要清楚它是根據蝙蝠的原理制作的，以便在給學生傳遞知識的時候不只是知識本身，還有知識的靈魂。

3.掌握基本的電工技能。人形機器人線路比較多，焊接是教師必備的一個重要的技能。

（二）教學條件建設

筆者購置的是Robotis GP 人形機器人，該機器人入門簡單，交互性友好。雖然前期資金投入會比較大，但是只要正常的使用，損壞率比較低，相比與其他的機器人的使用壽命更長。從長遠考慮是節(jié)約成本。

（三）人形機器人課程教學環(huán)節(jié)

本課程教學分五個階段，是根據課程進行的深度而改變的，其中通過師徒制多類型小組教學貫穿第三、第四和第五環(huán)節(jié)。（如表1）

表1 人形機器人課程教學環(huán)節(jié)

第一階段：人形機器人入門

由于學生對機器人的了解不多，筆者主要通過講授法和演示法對人形機器人的動作編程以及運行原理作出基本介紹。講授法與演示法結合可以更快更好地讓學生對人形機器人的認識有比較全面的了解，節(jié)約成本和時間。

第二階段：微課自學編程

在有了第一階段的認識，學生迫切需要學習編程來提升自己對機器人的控制能力，如果這時候再采用講授法或者演示法會顯得枯燥并且“拖累”了拔尖學生的學習進度。因此，這一階段會通過差異式教學進行分層教學，進行基本的分組，以適應后面的培訓內容。

校本課程的目的不是學習基礎，而是發(fā)現人才和培養(yǎng)人才。在這個階段，筆者采用微課自學的方式，讓學生學習使用數組、if 語句、while 語句和函數等基本語句的使用方法。這些都是編程的入門知識，并不需要深入學習什么是面向過程、面向對象或者設計模式這些知識。然而單憑校本課程培養(yǎng)學生的編程意識是不行的，所以筆者都會建議學生周末在家多練習編程，并通過布置一個小項目的作業(yè)來了解學生學習進度，以及對微課內容的鞏固。

第三階段：講練結合扎根基礎

在有了編程基礎后，就是結合硬件編程，對電機，傳感器的控制，通過講練結合的方式可以降低學習的難度，到這個階段以后學生練習過程中會產生很多的問題，筆者表示如果都要親自一一解決的話，根本忙不過來，并且課堂效率大打折扣。這時候筆者會安排正在進行第六個階段（自主研發(fā)）的初二學生，指定每個人帶兩個徒弟，負責幫助他們分析問題解決問題。針對師徒制有對應的評價體系。

第四階段：項目式訓練，總結與反思

經過了第三階段，學生已經能熟練操控機器人，接下來就是情景實踐。

以最新一屆全國中小學電腦制作活動中人形機器人全能挑戰(zhàn)賽的規(guī)則和場地為例，首先給出一個場地任務，讓學生自己分析，思考解決方案；接著跟小師傅討論方案可行性，研究方案并進行現場測試。在這之前小師傅不能把去年的解決方案拿出來，只能給徒弟思考出來的方案提供指導意見；緊接著可以把徒弟的方案跟去年的方案結合，討論方案之間的優(yōu)缺點，或者可以發(fā)現一個新的解決方案。師徒一起把方案優(yōu)化好，教師組織一次對單個任務的比賽，根據師徒評價制度進行評分。在最后階段按照全國人形機器人全能挑戰(zhàn)賽的方案進行模擬比賽，當有各級賽事時就挑選名列前茅者代表學校參賽；并對一個學年的學習進行總結，選出繼續(xù)在初二留在人形機器人校本課程的學生。

在這個階段，學生已經熟練操控人形機器人去解決問題。并且經過幾年的方案積累和優(yōu)化，參加各級賽事的獲獎率都能穩(wěn)居前列。

第五階段：回歸生活，解決問題

這個階段針對的是經過初一全學年的培訓后，根據評價方案評選出留下來學生，他們要做的就是回歸生活去實戰(zhàn)。機器人代人的時代正在進行著，很多流水線其實都是通過傳感器識別后通過控制機械臂來操作完成?；谶@一原理，可以把人形機器人拆分成各種組合，配合3D 打印機可以實現更多的創(chuàng)意，例如機器狗、車輛停泊系統(tǒng)或者螃蟹等。為了讓學生帶著人形機器人走近生活，筆者首先拜訪有流水線工件外包的工廠，選擇具備所需條件的工廠，在周末帶領學生到現場研學，申請些外包工件回校用所學的知識去解決，師生一起研究方案。這是整個人形機器人校本課程的最終目的，也是對學生生涯教育的一個最重要的影響。

三、教學內容評價

（一）過程性評價

首先是師徒制的評價方式。徒弟完成任務，師傅加3分，徒弟加3分，徒弟任務失敗，徒弟扣1分，師傅扣2分；師徒任何一個違反紀律，其余連帶者扣作案者所扣的50%分值。在師徒積分制的基礎上再把若干的師徒組成小組，假若師傅為A，徒弟為b,那么有三種小組的分法，分別為師傅組（AAAAAA）、徒弟組（bbbbbb）和師徒組（AbAbAb）,針對任務的難易度組成不同的組來評價。

筆者還會根據學生每次在課堂過程中表現出來的團結意識，任務分析能力，學習效率，應變能力和心理素質等各個綜合方面的考量進行評價，并通過學校教育分析系統(tǒng)進行記錄，在期末求出各個學生各個能力值匯總，幫助分析學生類型并進行匯總評價。該分值滿分為10分。

(二）結果性評價

通過針對全國中小學電腦制作活動的人形機器人全能挑戰(zhàn)賽的比賽方案模擬比賽統(tǒng)計成績，過程性評價占總成績40%，結果性評價占60%。最后推選總成績名列前茅的學生參加全國中小學電腦制作活動的人形機器人全能挑戰(zhàn)賽。

通過這種評價方式推送出去參加比賽的學生，五年中有四年奪得全國中小學電腦制作活動人形機器人全能挑戰(zhàn)賽的冠軍。并且在過程性評價中也發(fā)現相比于單純的小組積分制，加入師徒捆綁積分制的方式產生了很多意想不到的收獲（如表2）。

表2 傳統(tǒng)小組教學評價與結合師徒制的多類型小組教學評價實踐對比

四、結語

由于前期資金投入大和師資缺乏等原因，目前人形機器人教育在初中的普及率還不高。初中學生學習人形機器人除了理解編程、應用物理知識和模擬人解決情景問題之外，更重要的是可以使學生產生更多的思維碰撞，引導他們將來深入研究“機器人替代人”，服務于社會。希望通過本文能讓更多的青少年接觸人形機器人，更多的學校參與進來，共同研究人形機器人教育，讓人形機器人在中小學教育中得到普及，盡早播下希望的種子。