我国机器人教育研究现状与我校校本课程建设

　　【摘要】近年来，技术课程越来越受到人们的广泛关注，培养具备实践动手能力及创新思维能力的学生正伴随着新课程改革的推行，不断地、迅速地向前发展。正因为如此，机器人教育再次进入了人们的视野。本文通过中国全数据期刊网等，在了解到国内机器人教育的发展状况以及存在的问题，对其作了总结的基础上，从培养机器人教师的校本课程出发，结合相关的教学原则、理念，介绍了我校开展的针对教育技术学免费师范生机器人教育相关课程培养方式及理念的相关信息，以期推动中小学机器人教育的发展。
　　【关键词】机器人教育；研究现状；课程设计；机器人竞赛；intel未来教育
　　
　　引言
　　
　　为了适应未来科技社会对技术型人才的需要，2003年起中小学机器人比赛被纳入全国中小学电脑制作活动中。2003年颁布的普通高中新课程标准又将“人工智能初步”与“简易机器人制作”分别列入“信息技术课程”、“通用技术课程”选修内容。教育部新制定的《普通高中物理课程标准（实验）》也提到“收集资料，了解机器人在生产、生活中的应用”的要求[1]。由此可见国家对机器人教育的重视。
　　机器人作为增强学生的动手能力，促进学生思维发展，创新能力训练的有效工具，在教育界逐渐得到认同。那么机器人教育发展的现状如何，还存在什么样的问题以及应该如何解决这些问题便成了我们需要关注的焦点。
　　
　　机器人教育的研究现状
　　
　　笔者对中国学术界所发表的相关文献做了统计，以“机器人教育”、“机器人教学”、“机器人竞赛”为关键字和索引，在“中国全数据期刊网、中国学术会议全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库”进行搜索检索，时间为1979年到2011年2月28日，通过筛选，剔除无关的条目，统计以“机器人教育”为关键字的文献共有71篇，“机器人教学”共89 篇，“机器人比赛或者机器人竞赛”共有328篇。通过上述数据对比可看出，研究人员从不同的角度对机器人教育进行了研究，但在各个研究内容的投入的力量明显不均衡，并且在中小学机器人教学在目前中小学开展的活跃性与研究人员在此方面的研究力度明显不对称。研究人员把注意力都集中在了机器人比赛上面，直接造成了机器人教育理论研究上的匮乏，最终导致机器人教学缺乏有效的理论指导，难以深入到课堂。可以说，当前“机器人教学”的发展状况明显滞后于“机器人比赛”的发展[2]。
　　同时，笔者针对有关机器人教育有关的文献做了内容分析研究，按文献的内容主旨将其分类：机器人教育的意义、阻碍机器人教育发展的因素（或者说机器人教育中存在的问题）、机器人教学的注意事项、机器人教育的现状研究、机器人教育课程开发研究、国外机器人教育研究几个方面。其中，最为重要的课程设计方面的相关文献仅有1篇。将有关机器人竞赛方面的文献按内容主旨分为机器人竞赛对大、中小学学生素质培养、创新能力、思维动手等方面的意义和机器人竞赛的现状与发展两个大的方面。
　　笔者对各个文献内容作了大致归纳，并且结合机器人教学中需要注意的教学原则、机器人教育课程研究、机器人竞赛的现状及意义等方面的信息，结合先进的教学理念——Intel未来教育理念，针对我校免费师范生教育技术学专业学生，将相关课程做了调整，以期培养出合格的技术性教师，推动中小学机器人教育的发展。
　　
　　机器人教育的意义
　　
　　通过对相关文献的整理，机器人教育的意义主要体现在下列方面。
　　1.对于智能机器人的发展
　　首先，让学生较早地接触机器人的相关知识，使学生了解到智能机器人的发展与应用的状况，了解智能机器人的概念和工作方式，破除中小学生对智能机器人的神秘感，为进一步学习智能机器人有关知识打下良好的基础[3]。其次，在学习的过程中，学生会对智能机器人的研究深感兴趣，这对他们日后从事相关领域的研究埋下了伏笔，为以后普及机器人的运用、提升机器人应用水平和研究的深入都大有裨益[4]。相信长期坚持下去，中国机器人的发展一定会走在世界的前列。
　　2.对于中小学生的发展
　　随着科学技术与时代的飞速发展，社会对具有创造性、动手能力的综合性人才的需求与日俱增，而现在大多数孩子都是独生子女，生活中根本没有什么实践动手的机会。有很多大学生在进入大学之前甚至没有洗过自己的衣服，此种现象在生活中比比皆是。所以，在现代化教育中，技术课程的重要性被提到了前所未有的高度。
　　在中小学机器人教育活动中，学生必须自己亲手设计与制作机器人，自己决定在组装机器人的过程中需要用到哪些零部件。在电脑上设计相关程序，然后再不断地进行试验，不断地修改相关设备参数，实现最优化的实施效果。在这个过程中，学生可以得到很多方面的锻炼。
　　首先，学生的知识得到巩固与扩充。我们知道机器人教育是一门集成了数学、物理、化学、生物、机械、电子、材料、能源、计算机硬件和软件、人工智能等众多领域的科学与技术知识，可以说，智能机器人是一种高度综合的技术平台[5][6]。在学习的过程中，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；通过为机器人编写程序，不但学到了计算机编程语言、算法等显性知识，更有意义的是通过为机器人编写程序学到了科学而高效的思维方式、逻辑判断思维、系统思维等隐性知识。此过程不但对物理学科、计算机学科的教学起到促进作用，同时也扩大和加深了学生的科学知识[7]。
　　其次，学生分析问题的能力得到了提升。在完成机器人比赛的过程中，调试是非常重要的环节。由于中小学生正处于思维（智力水平）迅速发展的阶段，还不能够较全面地分析问题[8]。在比赛项目完成的过程中，肯定会出现很多的失误，这就要求学生能够由现实情况分析，检查程序或者组装机器人机构的不合理之处，从而进一步修改完善，直到达到比赛的要求。在为机器人编写适当的程序过程中形成高效的思维方式，提高学生的规划能力，提高学生分析问题的能力[9]。
　　第三，提高学生思维创造性和动手能力。在机器人比赛的过程中，学生分析问题的能力会得到不断的提升，同时，在好奇心的驱使下，学生往往会产生一些出人意料的想法。例如，在我们实验室进行灭火实验的开展过程中，学生的有些想法就特别好。我们的灭火场地是由四个大小不同独立的小房子构成的，每次开始时，我们的想法是让小车按照一定的顺序依次进入每一个小房间，然后探测火源。如果有火源则灭火返回。但是这样做就有一个弊端，那就是无论如何我们必须浪费大量的时间去到四个房间探索该房间是否有火源。有一个学生的想法就很好：“老师，我们能不能在小车启动的时刻就告诉它，去几号房间灭火，这样可以节省很多的时间。”经过不断的推敲，我们把一个声音传感器作为小车的启动装置。命令分别设置为数字1、2、3、4，当小车辨别出发出的指令是“1”时，就直接跑到一号房间灭火，当听到命令为“2”时，就直接跑向二号房间。这样就可以缩短原来不必要的探测时间了。由此可见机器人教育是培养学生创新能力的有效途径，它不仅能提高学生科技创新的兴趣，而且能够增强学生科技创新的意识，能够培养学生科技创新的能力[10][11]。
　　在组装机器人的过程中学生不断地通过尝试完成心中所想的机器人，在这个过程中学生的动手能力得到了提升。例如，在西安市我们对一家机器人培训班作了解时（乐博机器人俱乐部），我们发现那里的小学生络绎不绝。我们顺便对一些孩子的父母做了访谈，他们说：“是孩子要求来的，而且我们觉得有时候孩子搭出来的东西，简直出人意料，感觉自己对孩子的了解还是太少。”之后我们又参观了孩子们的作品，里面有直升飞机、圣诞老人和他的驯鹿、投石车、不倒翁等。
　　
　　第四，学生团队意识的培养[12]。在科学迅速发展的今天，可能短短的几天时间产生的新知识就是过去知识的好几倍，在这样一个背景下。我们每个人都不可能独自完成一项巨大的工程。对于中小学生来说，让他们独自完成机器人某项比赛也是很难的。这就需要学生通过团队的形式合作学习。虽然一段程序、想制作的模块、想加工的零件、想设计的模型等，学生可以自己通过独立看书、钻研动手解决，但大多数情况下，由于学生个人条件、环境、能力的制约，独立完成起来是有困难的。为解决问题，他可以通过团队学习的方式与同学交流，在团队学习中学习者团结协作， 包容小组其他成员的缺点和不足， 能够与他人进行有效沟通与交流，在实践锻炼中培养学生的团队协作精神和宽容为怀的品格[13]。
　　第五，其他非技术能力的培养。主要体现在学生的交流能力和社会适应能力两方面。在团队学习的过程中，学习者必须不断地与队友分享自己的想法、问题，而且在观点出现分歧时，甚至要试图去说服对方。在这个过程中学生逐渐地不再以自我为中心，交流能力、思维能力都会得到明显的提升。并且在学习的过程中，学生总会遇到各种各样的困难，不免要面对失败，然后重新开始。在这个过程中学生的毅力也会得到培养，为未来面对社会中的挫折或压力时能够正确稳妥地处理打下基础，提高学生的社会适应能力。
　　
　　机器人教育存在的问题
　　
　　目前，机器人教育已经越来越被人们所关注，机器人教育的各项活动也在学校中得到了一定程度的开展，但是所存在的问题也不容忽视。
　　1.机器人教育的教学目标尚欠科学
　　小学、初中、高中机器人教学的分阶段目标的划分不够明确与合理，导致相关教材的区分度低、特色不强。
　　2.缺乏科学规划与教学设计，教学过程缺乏教育理念支持[14]
　　目前，机器人教学的“教材”质量不高，大多属于“产品说明书”或“用户指南”式的，缺少课程与教学专家的参与和指导，并且国内还没有统一的教材，适合中小学教学的教材也不多[15]。
　　3.教育机器人产品缺少规范
　　目前，教育机器人的品牌十分繁杂，并且大多是自成体系，互不兼容，开放度低。另一方面，适应于不同学段的性能价格比高的教育机器人产品却很少。
　　4.教育行政部门不够重视，缺少从教育视角进行的研究
　　当前中小学机器人教育的开展，在一定程度上是由教育机器人企业在推动。虽然企业在初期为此做出的贡献应当予以肯定，但是随着机器人教育的逐渐深入与普及，目前亟需教育行政部门、教学研究机构给予充分的关注、协调与引导。其次，学校及时开设的相关课程都是为机器人比赛开设的，这样只有少部分学生接触到了机器人教育[16]。
　　5.教育研究欠缺，教学活动随意性强
　　目前，机器人教育进入课程或者参与学科整合的经验还很少，教育研究成果非常缺乏。尤其对中小学教师而言，它是一种全新的事物，课程内容，教学方法，学业检测等都很欠缺。虽然在高中技术新的课程标准增加了人工智能初步与简易机器人制作，但由于受到课程地位和科室的局限，目前效果尚不明显，而且即使有些教育发达的地区作为地方课程或者校本课程开设，但教学内容与活动的随意性都较强[17]。
　　6.师资队伍的建设
　　在机器人教育产业化的发展过程中，只有不断培养大量懂得多学科知识的优秀人才，才能跟上机器人时代的发展步伐。这就有赖于机器人教学的专业化发展，需要提高全社会对机器人教育的认识，为机器人教育的发展提供一个良好的环境[18]。
　　
　　我校校本课程的开设理念
　　
　　作为教育部直属的六所免费师范类院校之一，我校对中小学机器人教育的研究十分关注。在了解到国内机器人教育的发展状况以及存在的问题并对其作了总结的基础上，从培养机器人教师的校本课程出发，结合相关的教学原则、理念，我们的教学思路主要如下。
　　1.相关课程的整合
　　众所周知，“人工智能初步”是信息技术课程的选修部分，教育技术学的本科生培养目标就是胜任该学科的日常教学。“简易机器人制作”是通用技术课程的选修课，教育技术学专业在培养通用技术课程教师方面有着得天独厚的优势[19]。同时，简易机器人制作可以看作是人工智能初步研究的基础，所以在开设课程的过程中我们大胆将两门课程进行了整合，融为一门课程进行学习。
　　2.结合机器人竞赛项目[20]
　　笔者通过对文献及一线教师的了解发现，比赛项目的种类非常多，而且很多项目的创新性非常好。高中院校对机器人比赛十分的关注，我们将竞赛项目分解到日常教学中，可有效提高学生竞赛的水平，同时也可反作用于竞赛，推进机器人竞赛向更尖端发展。所以，在对相关机器人教师培养的过程中，可以将相关的比赛项目进行分解成为较容易实现的小项目单元供学生学习。这样做一方面可以激起学生的学习兴趣，另一方面，机器人教师未来在工作中带领团队参加机器人比赛是必不可少的，通过这样的活动，学生可以较快地适应相应的教学，教师也能够更好地指导机器人比赛，并且具备相关领域研究的能力。
　　3.结合英特尔®未来教育教学理念
　　英特尔®未来教育项目是一个行之有效的全球专业化发展计划，它帮助全世界无论是职前还是在职的教育工作者学习如何更好地将信息技术和资源融入到他们的课堂教学中。英特尔®未来教育核心课程项目于2006年正式纳入中国教育部“中小学教师教育技术能力建设计划”。而且根据英特尔（中国）有限公司和教育部在2006年11月启动的“共创未来教育计划”，英特尔®未来教育项目将在中国继续培训100万名中小学教师和师范生[21]。我们在教学过程中结合英特尔®未来教育的理念和相关核心的课程，欲以此促进免费师范生教师技能的培养，帮助学生实现从学生思维的角度到教师教学过程思维角度的转型。
　　4.结合团队学习的理念
　　在这样一个科学技术飞速发展的社会，人与人的合作变得越来越重要。团队学习变成了研究领域研究方式的主流。所以，在此课程开设的过程中，在考虑到实验室的情况和未来社会对学生合作能力要求的基础上，本课程所有的实验将以小组学习的方式呈现。
　　
　　结束语
　　
　　机器人教育对学生的发展十分重要，它是高中技术课程“人工智能初步”、“简易机器人制作”的整合课程。中小学机器人比赛是培育学生的实际动手能力、综合创新能力的有效工具。如果能适当地将机器人比赛分解，使其逐渐地深入到中小学机器人教学中，相信定能使中小学机器人教育的教学效果得到有效的提升，同时也对机器人相关领域人才的培养和提升机器人应用水平与研究的深入大有裨益。笔者欲将此教学方法分享给大家，供广大教育研究者与一线工作者参考，以推动机器人教育的发展。
　　
　　参考文献：
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　　[17]陈浩，邹文博.浅议智能机器人教育.实验教学与仪器，2009年第3期.57
　　[19]崔鑫治，秦健，夏维.通用技术教师的培养的优势——从教育技术学的来看.现代教育技术，2010.11，76
　　[21]英特尔®未来教育核心课程中文7.1版.
　　2008英特尔公司