论中小学机器人教师的知识结构和能力结构

常会玲 彭敏霞

摘要:随着科学技术的快速发展,机器人已经从科学家的实验室走进了学校的课堂。在机器人课堂教学中,教师起着主导作用。本文在对中小学机器人教育开展情况和教学内容研究的基础上,提出了机器人教师应该具备的知识结构和能力结构体系并对相关内容进行了阐述,最后对这种知识与能力的培养进行了详细阐述。

关键词:机器人教育;机器人教师;知识结构;能力结构

中图分类号:G451 文献标识码:A 文章编号:1673-8454(2009)20-0081-04

一、中小学机器人教育开展概述

从信息技术发展的角度,人们把20世纪80年代称为PC时代;把90年代飞速发展的互联网时代,称为Inter时代;有人预言21世纪将是PR(个人机器人)时代。信息技术的数字化、网络化、智能化发展趋势表明,PC可能被PR取代,Internet也可能成为PR大脑的一部分。机器人正在逐步走进我们的生活,我国的许多学校正在开展各种形式的机器人教育。

机器人教育是指学习、利用机器人,优化教育效果及师生劳动方式的理论与实践。[1] 纵观各地中小学机器人教育的方式,大体可以分为几种:

第一种,通过学校、少年宫、少科站等单位吸收机器人爱好者,组成智能机器人学习小组,以学员制进行活动,并可代表地区参加各类竞赛活动。这种形式是机器人进入中小学生视野最初、最多,也是最有效的方法。目前由于教学条件的限制,大多数学校还处于这个阶段。

第二种,把智能机器人作为信息技术课的内容之一列入中小学信息技术教育课程,这种形式正在形成期,教材的编写、课程的常规性开设正在起步。当然,这无疑会为信息技术学科带来新的活力,对目前信息技术教育重软件应用、轻编程开发的局面也会有所改善。

第三种,机器人教育以研究性课程的形式进入中学,由于研究性学习课程越来越受到重视,也由于机器人教育的长期性、个性化,决定了如果通过研究性学习形式推广,会更有利于对学生创新能力的培养。

图1是针对中小学机器人教学形式的调查,从图中我们可以看出,目前许多学校开展机器人教育的形式主要是信息技术课的一部分内容。教育机器人作为教学内容进入中小学,无论国内还是国外,目前都处于起步阶段。通常的做法是由学校购买若干套机器人器材,由信息技术课程教师或综合实践课程教师进行指导,组织学生进行机器人组装、编程的实践活动,然后参加一些相关的机器人竞赛。目前,只有极少数的地区和学校将机器人教学纳入了正规课堂教学。[2]

2000年,北京市景山学校以科研课题的形式将机器人普及教育纳入到信息技术课程中,在国内率先开展了中小学机器人课程教学。2001年,上海市西南位育中学、卢湾高级中学等学校开始以“校本课程”的形式进行机器人活动进课堂的探索和尝试。2005年,哈尔滨市正式将机器人引入课堂教学,在哈尔滨师范附小、60中、省实验中学等41所学校开设了“人工智能与机器人”课程,用必修课形式对中小学生进行机器人科学方面的教育。此外,香港在高中及高等教育新学制的改革中,在高中“设计与应用科技”课程中增设了机器人制作的课程。机器人教育成为信息技术教育的新载体,并成为信息技术教育改革的一个新的模块。教育部于2003年4月正式颁布《普通高中技术课程(实验)标准》,首次在“通用技术”科目中设立了“简易机器人制作”模块,它是基于计算机技术的学习平台、将机械传动与单片机的应用有机组合的一个选修课程模块。该模块为学生提供了运用当代先进技术和先进思想方法进行设计、制作,以解决实际问题的机会。与此同时,新的高中课程标准在“信息技术”科目中也设立了“人工智能初步”选修模块,迈出了我国高中阶段开展人工智能教育的第一步。

通过笔者进行访谈和实地调查某些小学,例如西安交通大学附属小学(南校区)已经将机器人教育独立为一门学科,并根据乐高和其他厂家的教学机器人的说明书,开发出了适合本校学生的校本教材,在学校的一到六年级都开设了机器人教学,走在了全国机器人课堂教学的前列。

二、中小学机器人教学内容

要开展机器人教育,首先必须解决的问题是有关机器人教育的教学内容。机器人学科是一门交叉性极强的综合性学科,它涉及到了机械制造、自动控制、传感器技术、计算机软件技术、计算机硬件技术等许多学科。[3] 一个机器人包括两个主要部分:机器人的身体和某种形式的人工智能系统。不同的身体部分都可以叫做机器人,如关节手臂被用于焊接和上漆,因此这就决定了机器人教学在内容上的复杂性。我国现阶段中小学开展智能机器人教学,一般包括以下四方面的知识内容:[5]

1.了解机器人概况

这一部分内容主要是给学生介绍机器人常识性的知识,主要包括机器人的定义、机器人本质和原理、机器人的诞生与发展以及在现实生活中的应用等内容,有条件的教师还可以利用互联网让学生搜集一些不同类型的机器人图片和资料,以此来激发学生对机器人的兴趣。

2.熟悉机器人硬件

因为每个学校所使用的教学机器人品牌和类型都不尽相同,所以在学习了机器人常识知识之后,需要给学生介绍所使用的机器人的基本知识,使学生了解、熟悉机器人的硬件结构体系,能够在脑海中形成一个机器人工作的结构示意图。

3.掌握机器人编程

这部分内容主要包括编程语言及编程环境的使用,简单程序的编写,面向实际问题(如直线行走、绕圈等)的编程设计,开发实用的机器人程序,掌握为一种智能机器人下载程序的方法,了解智能机器人的各种传感器和驱动装置的作用,理解并体会程序是智能机器人的灵魂,了解机器人是怎样在人的指挥下工作的。

4.应用机器人项目

根据机器人项目的要求,应用机器人基本知识完成任务。例如,走迷宫、灭火和循线走图形等实验项目。

三、机器人教师的知识结构和能力结构

所谓结构是指各个组成部分的搭配和排列,就知识本身而言,每个知识体系、每门学科,知识与知识之间都有特定的内在联系。知识结构指知识的搭配和排列,[4]教师的知识结构是指作为教师应掌握的相应知识,这些知识是教师进行教学工作的前提条件。教师的能力结构是指教师在全面完成教育教学工作中所应具备的综合能力,它是充分发挥教师主导作用的基础。机器人教师的知识和能力结构就是在机器人教学活动过程中所必须具备的相关教学内容知识和能力体系。

机器人教师的知识和能力是机器人教学开展的前提和必要条件,但由于机器人教育是一个新兴领域,师范院校开设这个专业目前几乎还是个空白。根据最近的调查结果显示,发现目前机器人教师的专业背景不尽相同,有76.3%的教师来自计算机专业,18%的教师是物理专业,其他专业背景很少,仅占5.7%。来自不同专业的机器人教师是否能胜任教学,这是我们普遍关注的问题。

根据机器人教学内容和实践,我们认为中小学机器人教师需要具备的知识结构和能力结构见图2。 1.基础知识和基本能力是教师开展工作的前提

中小学机器人教师和其他学科教师一样,需要具备教育学和心理学理论基础,这是进行教学工作的基础。教师要教书育人,就必须懂得教育规律,掌握教育理论,用教育学、心理学、教学法的理论来武装自己。教育实践证明:科学的教学理论,可以给教师以正确的教育观点,使教师了解教育工作的基本规律和基本方法,以指导教师进行科学的教育工作,加强工作的科学性和预见性,减少盲目性,从而取得最优化的教育效果。

机器人教学离不开信息技术,各种教学程序的编制,上传或下载等都需要教师具备娴熟的计算机能力。

2.精深的专业知识是教学活动的保障

一门学科的专业知识就是这门任课教师知识结构中的主干部分。专业知识不仅指对本学科的基本概念、基础知识了如指掌,还要熟悉这门学科的历史、现状和未来趋势,懂得这门学科的学习和研究方法。

中小学机器人教学的内容除了机器人的概念、功能、原理、结构、发展历史、应用领域等基础知识外,还包括机器人程序编写及开发机器人程序,机器人的硬件结构体系、机器人的模块化拼装、控制与维护,这就需要任课教师对教学内容有熟练的把握。程序是智能机器人的灵魂,机器人的动作是依靠程序指挥进行的。所以,C语言、LOGO语言或者BASIC语言的编程能力成为教师专业能力的核心。智能机器人制作离不开单片机的知识。单片机基本结构是将CPU、存储器、接口电路和程序集成在一片硅片上,[6]单片机程序的用途是让单片机按人们所预定的设计完成一系列动作,最终实现一个特定的功能。

3.较强的专业能力是机器人教师的必备条件

开展机器人教学活动的目标是使学生了解机器人学科前沿的发展和应用状况,了解机器人的基本概念和基本工作方式,破除青少年对机器人的神秘感;使学生掌握一种机器人下载程序的方法,了解机器人的各种传感器和驱动装置的作用;理解机器人是怎样在人的指挥下工作的。学习为一种机器人编写程序,提高逻辑思维能力、规划能力,分析问题和解决问题的能力;通过完成任务和模拟项目,使学生在为机器人扩充接口的过程中学习有关数字电路方面的知识,在组装机器人的过程中培养学生的动手能力、协作能力和创造能力。

所以,要实现和完成机器人教育的教学目标,教师必须首先具备教学目标要求的能力,才能在教学活动中有针对性地去培养学生要求的能力,完成教学工作。目前,中小学生参与了各种形式的机器人比赛,机器人教师往往成为参赛小组的领队或者教练。要想在各种激烈的比赛中取得佳绩,对机器人教师的能力提出了更高的要求。

4.渊博的文化素养和创新能力是保证师生顺利交流的前提

机器人行业是一个发展迅速的行业,教师一定要及时准确地掌握最新的信息。当今社会信息更新速度惊人,就需要教师对信息有特殊敏感,这样与学生的交流和沟通才能顺畅。

21世纪,创新能力成为衡量综合素质人才的重要指标。机器人教育是创新教育的平台,机器人教育是培养学生创新能力的有效途径。机器人的设计从方案制定到具体实施,全部过程由学生独立完成,使学生的学习从被动转向主动,独立分析问题和解决问题,学生自主选择知识,结合理论知识进行实践操作。学生通过研究分析,可以用各种方式去设计机器人,通过不同算法去编程,极大地发挥个人潜能,培养了学生的设计能力、实践动手能力和跨专业学习的综合创新能力,为创新教育的开展提供了良好的教材。但是,中小学生的年龄和知识能力方面的限制,在实践的过程中,容易异想天开或者固步自封,这就需要教师具有创新能力,对学生的想法和创意给予耐心的引导,必要时给予帮助。只有这样,机器人教师才能完成教学任务,达到教学目标。

四、机器人教师的知识结构和能力结构的构建

机器人教育的开展离不开机器人教师,机器人教师完善的知识结构和能力结构是机器人教育开展的有力保障。在我国的教育培养体制中,教师都是从师范院校学习期满合格后,才能走上工作岗位,从事与本专业对口的教学工作。在师范院校中开设机器人课程(有的学校是《人工智能》)的一个重要目的就是:为中小学校培养优秀的机器人教师;同时更新学生的教学观念,促进学生的全面发展。[7]与工科院校培养机器人的学科专家的教育目标不同,根据机器人教育的教学内容和机器人教育培养目标,师范院校应该合理设置机器人教育有关的课程体系,具体设置怎么样的课程需要进一步的研究。所以,师范院校承担着培养中小学机器人教师的责任。

机器人教师自我提高和完善专业技能。由于机器人技术综合了多学科的发展成果,代表了高新技术的发展前沿,机器人涉及信息技术的多个领域,它融合了多种先进技术,没有一种技术平台会比机器人具有更为强大的综合性。所以,机器人教师应该比其他学科教师更具有自我发展的能力。因为一方面教师的发展是教育成功和学生发展的前提;另一方面,自我发展不仅是教师的义务,而且是教师的权利,是丰富教师生命内涵的重要途径。每位教师都具有自我发展的能力,自我专业发展意识是教师发展的最主要动力。教师应重视反思和自我修养,在教师的专业发展中,提倡“自我更新”的价值取向。[8]

参加机器人教育的相关培训。北京景山中学2000年5月派教师到上海参加了智能机器人培训后,就在初中和高中开设了智能机器人小组活动。目前,许多智能机器人公司或者培训机构看到机器人教育前景繁荣,纷纷开展相关的机器人培训。学校和当地教育行政机构应该支持机器人教师参与这样的培训,不断提高和完善教师的知识和能力结构体系。

另外,参加机器人比赛时教师应该抓住机会,与其他学校的教师或者智能机器人厂家的专家、高校人工智能的研究人员进行交流和学习。以此来提高自己的知识水平,拓展视野。

参考文献:

[1]彭绍东.论机器人教育(上)[J].电化教育研究,2002,6.

[2]张剑平,王益.机器人教育:现状、问题与推进策略[J].中国电化教育,2006,12.

[3](美)Saeed B.Niku.机器人学导论:分析、系统及应用分析、系统及应用[M].北京:电子工业出版社, 2004.

[4]林崇德,王炳照.中国中学教学大百科全书(教育卷)[M].沈阳:沈阳出版社,1990.

[5]陆承景.对机器人学科教学目标和内容的实践与思考[J].中国电化教育,2006,12.

[6]刘瑞新.单片机原理及应用教程[M].北京:机械工业出版社,2004.

[7]吴洁.师范院校机器人课程开发与研究[DB/OL].http://lsg.cnki.net/grid20/detail.aspx?QueryID=293&CurRec=1.

[8]李梦丽,张月琪.加强教师专业能力培养的思考[J].天津师范大学学报(基础教育版),2003,6.

(编辑:隗爽)