K-12機器人教育實訓室的設計與實現(xiàn)*

楊偉杰

摘? ?要：在社會全面走進人工智能時代的背景下，K-12階段機器人教育師資的培養(yǎng)成為中小學階段人工智能及機器人教學課程實施的關鍵因素。建設好機器人教育實訓室，才能為師范院校實施中小學機器人教育專業(yè)課程、實訓課程和培訓課程提供產學一體的環(huán)境。在分析國內外機器人教育實訓室建設相關研究的基礎上，文章系統(tǒng)地闡述了面向K-12階段師資培養(yǎng)的機器人教育實訓室的服務課程、設計理念、功能布局與體系結構、教具軟件與設備選型、文化設計與規(guī)范管理，解決了以往機器人教育師資培養(yǎng)缺乏實踐條件的問題，為學生提供了一個可實現(xiàn)教育機器人教學實踐和仿真演練的環(huán)境，為國內院校相關專業(yè)實訓室的建設提供了一個有效解決方案。

關鍵詞：K-12;機器人教育;人工智能教育;實訓室;設計

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2020）17-0046-05

機器人教育，通常是指學習有關機器人的基本知識與基本技能，或利用教育機器人優(yōu)化教育教學效果的理論與實踐。[1]機器人教育課程是一種典型的多學科交叉融合的課程，涉及機械、電子、計算機、材料與結構設計、傳感器及測試技術、自動控制、軟件編程等學科知識和技能。在中小學階段，機器人教育課程是人工智能、STEAM和創(chuàng)客課程的重要載體。[2]2017年國務院頒布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中強調，要完善人工智能教育體系，促進機器智能在教育領域的深度應用，全面打造智能教育生態(tài)。[3]中小學生在校內參加機器人社團、校外培訓機構參加機器人教育和少兒編程教育課程方興未艾，形成了巨大的教育培訓市場和智慧教具產業(yè)。在機器人教育行業(yè)發(fā)展前景看好的同時，伴隨產生了專業(yè)師資有效供給不足的問題。專業(yè)師資緊缺的問題，已成為制約我國K-12機器人教育產業(yè)發(fā)展和全面實施中小學階段人工智能教育的主要因素。加強源頭培養(yǎng)、強化教師培訓是解決師資不足的有效手段。[2]機器人教育師資的培養(yǎng)涉及人才培養(yǎng)方案中課程體系設計與實施、教師專業(yè)知識與技能水平、理論教學與實踐教學條件等因素。其中，建設理念先進、功能完善的機器人教育實訓室是機器人教育師資培養(yǎng)體系中關鍵的基礎條件。

一、概念的界定

1.機器人教育實訓室

機器人教育實訓室是利用機器人及相關設備開展機器人教育理論和實踐教學的重要場所，是提升相關專業(yè)學生綜合素質及實踐技能水平的主要基地，在本研究中指面向K-12階段機器人教育課程師資培養(yǎng)的機器人教育實訓室。機器人教育實訓室作為一種基礎教學環(huán)境，為師生開展機器人課程教學、掌握職業(yè)技能，提供了所需的場所、教學設備、軟件平臺、教學指導人員和教學計劃，是實現(xiàn)培養(yǎng)高素質技能型機器人教育師資的重要條件。

2.機器人教育實訓室建設相關研究

截至2019年12月，在CNKI中以“機器人教育實訓室”為關鍵詞進行檢索，共找到密切相關文獻31篇。分析結果表明，國內機器人教育實訓室相關研究主要集中在高校和中職學校的工業(yè)機器人實訓室建設方面，未涉及K-12階段機器人教育師資的培養(yǎng)。工業(yè)機器人作為“工業(yè)4.0時代”智能制造行業(yè)中的典型領域，受到了前所未有的重視。[4]工業(yè)機器人實訓室及實訓基地的建設主要集中在機電工程、自動控制、物流管理（自動化倉儲）、汽車制造、航務和醫(yī)藥自動化工程等專業(yè)領域，不同學者分別從智慧化設計、軟件環(huán)境、輔助教學機器人、實訓項目設置、校企合作等方面對工業(yè)機器人實訓室的建設和利用提出了相應對策。[5]例如，任洪鋒等人提出利用云計算、物聯(lián)網感知技術等，打造具有“互聯(lián)網+”時代特色的機器人智慧實訓室;[6]楊秀文對工業(yè)機器人應用技術實驗實訓室的建設目標、軟硬件建設與實驗實訓項目體系、項目體系工作流程做了解讀。[7]工業(yè)機器人實訓室的建設對本研究有一定的借鑒作用，但從現(xiàn)有文獻分析來看，面向師范院校的K-12階段機器人教育師資培養(yǎng)所需的機器人教育實訓室建設相關研究比較缺乏。

二、承載的課程

機器人教育實訓室中承載的課程是實訓室設計的基本邏輯起點，它主要服務的課程包括專業(yè)課程、實訓課程與培訓課程三種類型。其中，專業(yè)課程主要有機器人教育概論、電子趣味制作、可視化少兒編程、機器人教學與趣味編程，此類課程的目標是讓學生系統(tǒng)地學習和掌握機器人教育的專業(yè)理論知識和操作技能，了解機器人教育的前沿科技和產業(yè)發(fā)展趨勢，培養(yǎng)分析解決專業(yè)范圍內實際問題的能力。實訓課程主要有機器人教育教學技能實訓、機器人教育教學資源設計和工作室綜合項目，此類課程的課程目標是通過開展機器人教育相關的教學技能和教學資源設計實訓項目，讓學生掌握開展機器人課程教學設計與實施、教研活動、競賽組織、門店運營、客戶溝通管理等典型工作和任務過程的方法，發(fā)展學生開展機器人教育的實務能力和職業(yè)素養(yǎng)。培訓課程包括面向學生的企業(yè)培訓（行業(yè)宣講與公益實訓課）、考證輔導（全國青少年機器人技術等級考試、中國機器人教育師資實訓技能資格證書），面向企業(yè)員工的培訓（行業(yè)發(fā)展、教學技能、課程設計），以及面向中小學學科教師的省培項目（小學信息技術教師教學技能培訓、創(chuàng)客師資培訓、“人工智能+教育師資”培訓等），此類課程的目標是以校企合作形式，通過面向學生、企業(yè)員工、中小學教師開展機器人教育培訓類課程，開展社會技術服務和師資培訓工作，服務產業(yè)發(fā)展，提升專業(yè)的社會影響力。

三、整體設計理念

1.結合專業(yè)行業(yè)發(fā)展，體現(xiàn)職業(yè)和崗位需求

結合專業(yè)和行業(yè)的發(fā)展，充分體現(xiàn)一線職業(yè)和崗位需求是機器人實訓室設計的首要考慮因素。在實訓室中營造機器人教育教學、機構運營、管理和服務的仿真職業(yè)環(huán)境，目的是為了最大程度上讓學生適應從學校培養(yǎng)到就業(yè)環(huán)境的無縫對接。因此，要從設備、流程、管理、文化上接近一線工作環(huán)境，形成“企業(yè)文化”和“教學氛圍”，重視職業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)，強化學生的安全意識和質量意識。市場調研結果表明，目前K-12階段機器人教育師資主要工作崗位分為中小學學校教學和企業(yè)培訓機構教學兩類需求。中小學類崗位需求集中了信息技術教師崗位和機器人社團課程教師，主要開展少兒編程、機器人和人工智能類課程的教學，以及指導學生參加各級科技協(xié)會、電教館組織的機器人比賽、科技創(chuàng)新競賽及STEAM創(chuàng)客比賽。企業(yè)類崗位需求則相對寬泛，具體包括機器人教師、少兒編程教師、機器人教研員、課程開發(fā)師、區(qū)域主管和執(zhí)行校長等，其學生包含學前學員和學齡段學員，一般結合企業(yè)品牌教具（如樂博樂博、能力風暴）或選用樂高系列教具開設課程，同時也有不少機器人培訓機構企業(yè)到學校、少年宮、科技館等地，開展合作教學、代理授課和指導比賽的活動。在設計機器人實訓室的環(huán)境時要充分體現(xiàn)這兩類行業(yè)的工作場景，讓學生通過沉浸式的課程學習和完成典型工作任務，真實立體地體驗與感知機器人教育行業(yè)的內涵和需求。

2.注重專業(yè)核心技能訓練，沉浸STEAM創(chuàng)客文化

在設計機器人實訓室的環(huán)境時，要滿足專業(yè)課程教學和校內實訓課程教學兩種核心功能需求，重視核心專業(yè)技能訓練與STEAM創(chuàng)客文化的沉淀和浸染。根據(jù)前期調研和畢業(yè)生反饋，無論在中小學從事機器人教育工作，還是在企業(yè)培訓機構，具備扎實的機器人教育專業(yè)理論知識、過硬的教學技能與教學研究能力，是學生在行業(yè)中初次成功就業(yè)和尋求職業(yè)發(fā)展的必要前提條件。機器人教育課程作為STEAM教育、創(chuàng)客文化、人工智能課程落地的有效載體之一，要在課程實施和環(huán)境氛圍中重視和強化對學生的信息素養(yǎng)、團隊協(xié)作、創(chuàng)新思維、批判性思維、工程教育等專業(yè)核心素養(yǎng)的培育、體驗和浸染，從而有效培養(yǎng)學生從事機器人教育的行業(yè)興趣和職業(yè)忠誠度。

3.多元化功能資源復用，提高使用率和開放性

實訓室的邏輯功能設計上注重多元化，提高實訓室的整體使用率;除了常規(guī)課程教學和實訓教學，還要具有機器人教育相關教學資源設計開發(fā)、專業(yè)競賽團隊培養(yǎng)、師資培訓和考證培訓的復合功能，減少實訓設備閑置。通過三至五年建設，將機器人教育實訓室打造成機器人教育產業(yè)實訓基地，并向社會開放，通過開展“校政行企”多方參與的“產學研”合作，為社會提供多方位的服務，包括提供社會培訓、推廣新產品和技術，或者承擔企業(yè)的真實技術服務項目。例如，筆者所在單位承擔廣東省小學教師發(fā)展中心主辦的教師培訓項目，因此實訓室設計必須滿足省內小學教師開展信息化教學、小學信息技術教師開展機器人教育和人工智能課程教學的師資培訓，機器人教師進行資格考證的實際需求。此外，通過與東軟睿道、廣州能力風暴、樂博樂博等企業(yè)合作，承擔部分課程資源設計和員工培訓項目，在保證專業(yè)教學的前提下，創(chuàng)造一定的經濟效益。

4.高起點高水平建設，兼顧發(fā)展性和協(xié)作性

機器人教育的技術變化發(fā)展很快，行業(yè)對師資的要求也越來越高。機器人實訓室的設計必須做到起點先進，與市場一線充分對接。機器人的編程語言經歷了從C到Scratch，再到Python的演變，教具主機也經歷了從單片機和Mind Storm的 Linux主機向Rospberry Pi、Arduino、Micro：bit、物聯(lián)網主機、無人機和人型機器人等多種主機并存的演變。只有實訓設備和設施做到高技術新起點，實訓教學內容反映行業(yè)前沿的最先進技術與教學理念方法，才能培養(yǎng)出適應機器人教育產業(yè)發(fā)展需要、滿足社會需求的高素質技能型機器人教育師資人才。要發(fā)揮實訓室的教學科研和社會服務平臺作用，引入機器人教育行業(yè)骨干企業(yè)，通過合作辦學、共建專業(yè)課程、師資互聘等形式提高機器人教學的整體水平，通過共同承擔省培項目、接受企業(yè)設備捐贈、開設企業(yè)課程培訓等形式，將政府、學校、行業(yè)和企業(yè)的優(yōu)質資源引入學校，保障實訓室的持續(xù)發(fā)展，進而打造機器人教育產業(yè)協(xié)同育人平臺和發(fā)展聯(lián)盟，提高實訓室的投資效益和社會服務影響力。

四、功能布局與系統(tǒng)結構

目前實訓室的布局通常有按工藝流程、生產流程、實務流程和技術模塊布局的四種常規(guī)模式，[8]而機器人教育實訓室的布局要以實務流程為主，形成具有教學、器具、競技、展示、創(chuàng)作和研討功能的綜合性實務環(huán)境，旨在為學生提供真實的職業(yè)環(huán)境和實訓教學條件。

1.功能的區(qū)域劃分

機器人教育實訓室在功能上包含了互動教學區(qū)、教具工具區(qū)、專業(yè)競技區(qū)、綜合展示區(qū)、自主創(chuàng)作區(qū)、研討發(fā)展區(qū)。

（1）互動教學區(qū)?；咏虒W區(qū)為師生提供了交互式電子白板一體機、投影儀、移動平板電腦和學生臺式機，采用TCP/IP標準協(xié)議網絡或無線網絡連接，將多媒體設備、服務器、網絡交換機、無線網絡等設備聯(lián)接起來，用于師生開展機器人教育課程示范和互動教學。教師和學生可以通過移動智能終端軟件及控屏軟件進行教學內容傳送、實時教學反饋、在線調研、學生演示、課堂監(jiān)控等功能?；咏虒W區(qū)的桌子為訂制的顯示器機箱折疊一體電腦桌，可將顯示器收入桌子內部，形成面積較大的平面，用于開展機器人拼裝和編程實操。

（2）教具工具區(qū)。教具工具區(qū)提供機器人教具和電子制作工具存儲和管理功能，對貴重的機器人主機和教學套件、平板電腦、電子制作工具、電子元器件、激光切割設備等上鎖存放。

（3）專業(yè)競技區(qū)。提供綜合機器人比賽場地和LEGO FLL比賽場地，機器人比賽場地配有專業(yè)比賽圖紙（WRO常規(guī)賽、FLL工程挑戰(zhàn)賽等）以及常規(guī)的巡線、關卡等實訓圖紙。綜合機器人比賽場地由木質板材構成，支持不同結構賽臺拼裝，形成錐臺、陷阱、坡度等結構，方便學生體驗和實施比賽的組織。LEGO的FLL比賽場地則根據(jù)比賽場地要求定制。

（4）綜合展示區(qū)。提供空間展示學生的機器人作品實物、企業(yè)主流教育機器人教具與介紹資料、學生實訓相片、獲獎成果展示，讓學生感受專業(yè)制作水平和企業(yè)實際需求，激發(fā)學生努力學習的拼勁和參與比賽的積極性。

（5）自主創(chuàng)作區(qū)。提供高清攝像和輔助器材，方便師生錄制機器人教學微課資源及制作網絡課程，用于開展云端教學或基于翻轉課堂的混合教學。此外，提供了激光雕刻切割設備、掃描儀、手繪板、彩色噴墨打印機等，用于設計制作教育機器人作品以及相關多媒體課件作品，為學生參加全國教育教學信息化交流展示活動、全國大學生計算機設計大賽及機器人類比賽提供工作環(huán)境和訓練場地。

（6）研討發(fā)展區(qū)。研討發(fā)展區(qū)給學生提供開展自由討論、頭腦風暴活動等交換智慧與靈感的空間，由可自由移動的椅子構成一個非正式學習和自我反思的學習場所。

2.空間布局

機器人教育實訓室的空間布局如圖1所示。

3.系統(tǒng)集成結構

系統(tǒng)集成結構主要由網絡通訊系統(tǒng)和智能系統(tǒng)集成控制系統(tǒng)兩個體系組成，其中網絡通訊系統(tǒng)完成網絡接入和連接，接入網絡的有線終端包括教師主機、學生主機、智能中控主機和無線AP，無線終端則包括學生平板電腦和電子白板一體機，主要使用WIFI連接。而智能系統(tǒng)集成控制系統(tǒng)則主要由智能中控主機完成對終端控制，使用有線連接到多媒體控制器和智能充電柜，由多媒體控制器來控制電子白板一體機、音響系統(tǒng)、實物投影儀和投影儀，使用Zibee無線通信連接燈光控制器、窗簾控制器和空調控制器來分別控制燈光、窗簾和空調。系統(tǒng)集成結構如圖2所示。

五、教具設備與軟件選型

機器人教育的教具與軟件選型要堅持適宜教學、功能安全、具有發(fā)展性和經濟性等原則，在實訓室建設過程中，核心教具和拓展教具以集中批量采購為主，展示性教具以合作企業(yè)贊助和少量采購為主。國內機器人教育的教具與設備供應商主要包括機器人硬件供應商、機器人教育培訓機構以及兼具機器人設備與培訓的綜合體三類公司。硬件供應商的主要商業(yè)模式以B2C銷售機器人教具為主，如大疆、優(yōu)必選、韓端科技等;機器人教育培訓公司則主要通過采購硬件和配套課程，加上部分自研課程形式開展教學，目前大部分的機器人培訓機構均屬于這種類型;而設備和培養(yǎng)綜合體公司則兼具機器人硬件供應和教育培訓服務商角色，例如深圳西覓亞、樂博樂博等。對于教具的選擇，鐘柏昌等人[2]在2014年開展的一項研究表明，目前一線機器人教學中市場占有率較高的品牌主要有樂高、中鳴、納英特和Arduino，也有紫光、諾寶蘿卜圈仿真機器人和其它品牌。綜合上述選型思路和企業(yè)分析，結合一線教學和開展教師省培項目實施的需求，最終采用的主要教具設備和軟件如表1所示。

六、文化設計與規(guī)范管理

1.機器人文化氛圍

沉浸式實訓教學強調給學生提供真實的工作環(huán)境和文化氛圍，要發(fā)揮文化的引導、美化、激勵和約束作用，引導師生進入機器人教育實踐訓練的狀態(tài)和氛圍，提高學生對機器人教育的興趣和職業(yè)認同。具體做法包括利用機器人教學場景、學生相片墻、榮譽獎狀、課程介紹、作品展示等圖形元素及作品實物展示來美化實習環(huán)境、營造氛圍，通過專業(yè)元素和案例向學生傳遞專業(yè)文化，形成機器人教育專業(yè)素養(yǎng)的沉浸式培育環(huán)境，激勵學生投身機器人教育與少兒編程事業(yè)。讓學生在實訓室中體驗一線企業(yè)和學校的教學環(huán)境，感知企業(yè)文化和體驗職場紀律的約束，從而最大程度上實現(xiàn)實訓教學與頂崗工作的無縫對接。

2.實訓室管理制度與規(guī)范

制度建設是實訓室環(huán)境文化建設不可或缺的一部分。[9]機器人專業(yè)實訓室的制度建設包括了人員安全規(guī)范、實訓室管理規(guī)范、設備使用規(guī)范、設備維護規(guī)范等。在人員安全規(guī)范方面，形成實訓人身安全教育制度;在實訓室管理規(guī)范方面，重點形成實訓室使用規(guī)范、預約制度、衛(wèi)生清潔要求。設備使用規(guī)范方面，要形成設備借用簽領和歸還制度，讓學生形成機器人主機、核心部件等貴重器械的保管責任意識;形成教具分區(qū)管理與使用制度，讓學生明白教具本身不僅要符合安全標準，還要做好區(qū)域劃分和獨立管理，例如幼兒段與學齡段教學區(qū)域要分開，大小顆粒積木和電子原器件的管理要分開。在設備維護規(guī)范方面，強調學生的團隊合作和主動參與，分組定期在課后清潔實訓室衛(wèi)生，對積木教具進行消毒和清潔。

3.安全規(guī)范教育與管理措施

安全規(guī)范教育與管理措施是保障機器人教學正常開展的前提和常規(guī)工作，尤其在培訓機構要特別引起重視。在企業(yè)培訓機構中機器人學員主要有學前的幼兒和學齡階段的中小學學生，幼兒的特點是認識能力尚在啟蒙階段，對自我和社會認知水平低，動作協(xié)調性差，自我保護能力較弱，而中小學生則活潑好動，動手能力強，但自控能力有限，有時會出現(xiàn)打架情況，兩種人群的安全管理風險都比較高，因此有必要通過安全規(guī)范教育提高學生的預防意識。安全規(guī)范教育與管理措施的主要工作包括設施安全、防疫工作和人身安全三個方面，要在機器人教育實訓環(huán)境設計中得到體現(xiàn)。在設施安全方面，在實訓室內提供課室布局和樓層走火通道示意圖，在門口放置防火面罩和滅火器材，讓學生清楚安全通道和防火逃生指引，提示學生設施和消防安全是防止傷害事故的重要措施;在用電插頭旁邊貼上用電安全提示，提示學生要避免幼兒靠近;在靠近空調的墻面上貼有空氣檢測報告，提示學生注意課室內空氣質量和安全標準（如甲醛等）要求;在防疫工作方面，在實訓室門口放置免洗消毒液和紅外溫度探測器，提示學生理解幼兒防疫和健康管理;在實訓室配有藥箱，讓學生了解簡單的防護和醫(yī)護知識。在人身安全方面，在桌角貼上軟質防撞條，在實訓室門縫裝上防夾條，提示學生理解要避免學員摔倒、劃傷、磕碰和夾傷，造成人身傷害事故。

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（編輯：王天鵬）