国内机器人教育研究综述

杨国龙

摘   要：本文运用citespace文献计量工具以及科学知识图谱，对近20年来发表在国内教育技术领域核心期刊上的32篇文章的发文作者、发文机构及主要研究内容进行了系统梳理，并与业内专家进行研讨，对相关文章进行了分类比较，归纳总结了机器人教育及其教学模式、课程标准、创客教育、教学资源及其他几个方面的成果与存在的问题，并针对性地提出了建议，以期为后期机器人教育生态体系的构建提供理论基础和实践意义。

关键词：机器人教育;可视化;机器人教育分类

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2019）07-0036-06

一、背景及意义

自步入21世纪以来，计算机技术得到了快速发展，机器人技术也逐渐成熟，并逐渐在向各个领域渗透融合，从科学理论、科学技术到社会层面都得到了很大的发展。而在彭绍东（2002）将“机器人教育”定义及其主要的类型引进教育领域后，研究者们对机器人辅助教育、机器人教育标准、机器人教学模式到机器人教育体系的探讨就从未间断，也成为不同阶段发展关注的重点内容，探索过程呈现从理论探讨到深入实践变革的转变，从关注机器人教育的“教”向机器人教育的“学”转变，从教育技术的实现向教育内容建设转变，从关注设备的供给向教育需求的满足转变，从关注教育机器人本身功能向引导学生使用机器人更好地实现学习的转变等特点。同时，伴随着MOOC、微课、STEM教育、创客教育、开源硬件等相关概念的出现，机器人教育也在上述概念中得到了一定的研究和实践，并在不同程度取得了相关成果。为了准确了解国内机器人教育研究现状及发展趋势，文章运用科学知识图谱，系统梳理了2002-2018年刊登在国内教育技术领域核心期刊上的相关文献，进而进行分类比较，归纳总结，并结合当前的时代背景，提出相关的建议和意见，以期为后期机器人教育生态体系的构建提供理论基础和实践意义。

二、研究设计

1.研究数据来源

在中国知网中以“机器人教育”搜索，发现从2006年开始，刊登在《中国电化教育》杂志上的相关文章为12篇;从2007年开始，刊登在《现代教育技术》杂志上的相关文章为12篇;从2002年开始，刊登在《电化教育研究》杂志上的相关文章为8篇。最终得到的样本文献为32篇，按照软件对数据的格式要求，在获取数据的时候，文献存储格式为“Refworks”。

2.研究工具与方法

研究采用知识图谱分析、聚类分析等方法对国内机器人教育的文献进行定量分析。科學知识图谱可以把复杂的知识领域通过数据挖掘、信息处理、知识计量和图形绘制将其展示出来。通过可视化展示机器人教育的核心结构、发展历史、前沿领域以及整体知识框架，来揭示国内机器人教育领域的动态发展规律。研究过程主要采用超美教授基于Java语言开发的“Citespace”软件，版本是“CiteSpace.5.3.R6.SE（64-bit）”。本研究对32篇文献进行了可视化分析，以期能够对国内机器人教育的关键词、发展历程、前沿研究及研究热点进行深入解析。

三、国内机器人教育研究分析

1.国内机器人教育研究趋势

采用“citespace5.3.R6”对32篇文章的基本信息进行聚类分析，预处理过程中，按照相似性可发现文章的年份分布如表1所示。

从表1中的分布可以看出，首先，自2002年被提出至2006年这段时间，机器人教育被有所搁置，新技术被引入教育领域，需要一个漫长的融合阶段，因此，这也是较为正常的研究反映。再者不同年份的成果数量基本保持一致，一方面说明机器人教育一直受到国内学术研究者的关注，另一方面也从侧面反映出国内有关机器人教育学术研究的严谨性，研究成果的质量得到了保证。最后我们会发现相比较2013年以前，自2014年开始，研究整体呈现上升的趋势，尤其是在2017年，出现了近20年来的峰值，而这也是符合时代发展的背景，2017年被称为“AI元年”。

2.机器人教育研究发文作者及机构分析

运用“citespace”软件对机器人教育研究发文作者与研究机构进行了统计分析。

按照发文的频率和中心度来看，钟柏昌为6篇，王益为4篇，张剑平为4篇，张国民为3篇，王同聚、王小根及彭绍东各2篇，但观察中心度可以发现，这些作者中，张剑平的中心度最大，为0.13.而且作者与作者之间联结分散，并没有形成紧密的合作关系。

按照研究机构来看，湖南师范大学教育技术系、浙江师范大学教育信息技术系、广州市教育信息中心、南京师范大学教育科学学院等单位成为该领域研究的核心基地。但仍然存在各单位各自研究，中心度均为0，互不影响，未形成紧密的联结。

3.机器人教育研究关键词及主题词可视化分析

在“Citespace”软件中对摘要中的主要内容进行提取和分析，包括“Term”和“Keyword”，文献网络共呈现节点15个，形成了21个条联结，图1是近20年来机器人教育研究中主要关注内容的可视化结果，按照节点在所有文献中出现的频率高低排序，表2中依次为机器人教育（19）、机器人（5）、教育机器人（4）、人工智能（4）、中小学机器人教育（3）、创客教育（2）、任务驱动（2）、创新教育（2）、微课（2）、机器人技术（2）、虚拟机器人（2）、逆向工程（2）、教学模式（2）、类型（2）及课程标准（2）。

另外，按照年份进行内容的划分，可以发现：2002-2008年更多关注的是机器人教育、机器人、机器人技术及虚拟机器人，可以说，这一阶段的机器人教育处于起步阶段，更重视机器人教育的基础服务，包括软硬件等方面内容;2012年开始，开始走向标准化、规范化、科学化，也反映了机器人教育已逐步成为教育的主要内容之一;2014年提出微课，2015年出现中小学机器人教育，开始探索教学模式，2016年与创客教育相融合，2017年步入逆向工程等，可以推测，这一时期机器人技术已经成熟，如何与其他技术相互结合为中小学教育提供支撑成为重点的研究内容，同时相关的教学模式及教学法开始渗透。

4.机器人教育分类研究

综合以上三部分内容，在与多名专家讨论后，依据分析结果，对32篇文章逐篇研读，按照其主要研究内容进行了分类，以“机器人教育+”进行逐一的解读，主要分为：机器人教育与教学模式、机器人教育与课程标准、机器人教育与创客教育、机器人教育与教学资源等4种（如表3所示）。

（1）机器人教育与教学模式

机器人教育类型在彭绍东（2002）的文章中已经做了明确的界定：机器人学科教学、机器人辅助教学、机器人管理教学、机器人代理（师生）事物及机器人主持教学.而在以钟柏昌（2016）为主要研究者的有关于机器人教学模式探索过程中，在“知识内容维度”和“物化成果维度”的二维分析中，又出现了新的分类，分别为实验模拟型教学、趣味交互型教学、科学探究型教学和发明创造型教学四种。这里强调对教学模式的分类，后文中涉及到相关教学资源的内容将不在这里出现。

（2）机器人教育与课程标准

课程标准是以《基础教育教育信息技术课程标准（2012版）》为核心进行相关研究。郑立新（2012）对机器人模块内容進行了解析，主要涵盖的学习内容为机器人的初步认识、基本结构、硬件知识及软件知识等，也对《标准》的基本特征做了一定总结，比如理论与实践并重与符合学生认知特点。与此同时，吴良辉（2012）对机器人教育的重要意义做了明确定位：机器人教育将走向普及、机器人教育能够促进信息技术课程的发展以及机器人教育有利于创新型人才的培养。

（3）机器人教育与创客教育

王小根（2016）对面向创客教育的中小学机器人教学进行了相关探索，并设计探讨了相关的教学模型实施案例，而学生创新能力和设计能力的启发和提升是创客教育有效开展的重要依据。因此，该文章可溯源至孙世杰（2006）对开展机器人教学的目标定位：培养学生创新精神。同期，刘淑云（2016）探究了创客理念下师范生的机器人教学模式，并从教学目标、操作程序、实现手段、反馈与评价及成果转换5个方面做了相关设计研究。

（4）机器人教育与教学资源

教学资源的分类来自于张家华（2008）对我国中学人工智能与机器人课程教学资源的介绍与分析，包括教材、教学平台和专题学习网站等，无独有偶的是，王益等（2008）对该阶段现有的教育机器人资源网站进行了分类和比较分析，为后期的研究提供了相关意见和建议，本文将后期相关资源的开发与设计也都纳入至该分类，如王同聚（2014）对微课制作与应用的研究、王小根（2012）对基于“任务驱动”的小学机器人教育校本课程开发研究等。

综上可以发现，机器人教育发展至现在，首先，已经探索出了一系列较为成熟的教学模式，并在中小学教学中取得了不错的效果，以培养学生创新能力和动手实践能力为核心出发，提倡师生能够在机器人教育教学过程中能够重视跨学科教学，并能联系学生的学习和生活实际，在掌握机器人基础知识和技能的基础上，经过相关的程序设计和模拟开发，进而对自己或团体的机器人创新型项目进行相关的研发工作。其次，已有研究并不局限于对上述内容的关注，对机器人教育政策的研究以及对机器人教育设计、管理、评价与应用等过程的效果研究也成为促进机器人教育更好发展的基础，而大部分的研究成果也说明国内机器人教育和相关竞赛确实提高了学生的协作交流能力、问题解决能力及跨学科思考的能力。再者，国内机器人教育立足于国际化水平，并在不同的时期，选择向美国（王益，2007）和日本（王凯，2017）进行借鉴，发现国外早先就在大学研发并使用机器人学习平台并对产学研与跨学科十分重视，这给对我国的机器人教育带来很大启发。但不容置否的是：在机器人教育探索的过程中也存在不同的问题，这将在下文进行详细阐述。

四、问题与建议

1.国内机器人教育问题分析

研究还发现，国内机器人教育还是有很多地方需要进一步改进，比如高中Arduino机器人课程学习效果显示，侧重学科本位，重技术轻整合，与学生的实际生活问题有一定的距离，参与度与任务完成度都一般，学习的持续度有欠缺（金书辉，2017）; 专业化师资队伍缺乏，课程内容体系不完善，缺乏有效的监管评价体系，家庭参与性差等（徐多，2017）。而在当前的文献支撑下，还发现缺少高校机器人教育的课程体系和标准。另外，机器人教育立足于对学生创新能力的培养，但从现有的研究来看，创新能力的评测还有待进一步去完善。而且研究者和研究机构之间也并未形成紧密的合作关系，研究缺少系统性，综上，研究对现有问题做了以下的总结：

（1）多单位参与致使机器人教育无对标研究

经调研，机器人教育的设计与开展主要来自教育培训机构、学校教育及高支小等模式，参与机构多元，没有统一的课程体系和较成熟的师资，也没有相关的行业标准，合作研究机制缺乏;另外，从研究结果来看，各机构之间研究分散，合作研究极少，研究系统性不足，也缺少成熟的评价体系，致使课程内容不同，授课人员多类型，也难以开展有效的评价。

（2）跨学科能力要求较高，学习者多停留在模拟学习阶段，创新学习阶段投入不足

机器人教育多集中在硬件组合及程序开发和模块化编程内容的学习上，对物理、数学及计算机知识的要求比较高，学习者需要有较强的跨学科能力，相对于小学和初中生来说，高中生相对在这一块会有较好的表现，但高中学习任务繁重，投入明显不足，同时也容易造成小学和初中生对相关知识技能学习的兴趣，在创新性学习阶段显得力不从心。

（3）市场引力大于学校教育，游戏化、娱乐化凸显

调研发现，参与家长和儿童对机器人辅助学习的期待比较高，对学习者本人最终学习成果的认识过高估计，在付出大量金钱与精力的同时，购置的机器人闲置，购买的课程成为未完成的任务，学习者学习过程活跃度一降再降等问题层出不穷。学习者的定位受市场机制的牵动，致使教育目的显得不再单纯是育人为主。机器人教育的娱乐性、游戏性在无形中增强。

（4）实证研究缺乏，难以有效衡量学习者综合能力的提升度

国外有大量实证研究对“机器人教育对学习者计算思维（引文）的影响因素”进行了探索，细化出相关研究的不足，有针对性地提出了相关意见和建议。国内机器人教育倡导培养学习者的设计思维、计算思维及创新性思维，但由于多种原因，还未有相关实证研究为上述思维的发展提供证据，这对衡量学习者的综合能力造成了一定障碍。

2.对机器人教育的建议

针对上述相关问题，研究本身对相关内容提出意见和建议：

一是按照不同区域范围，制定区域化的机器人教育标准，同时设计较为完善的课程体系，可将已有的教本课程进行规范性和科学性的论证，进行资源整合。

二是在大学设置机器人教育课程，一定程度上，可以让计算机科学与技术、网络工程、电子工程及自动化等专业的教师和学生共同参与，培养跨学科机器人教育师资力量。

三是以“干中学”理念为指导，提倡以项目式学习为主要学习模式的机器人教育， 并建议同时能够在各MOOC网站添加机器人教育模块内容，一方面为专业学习者提供相关学习资源，另外作为社会学习者的资源，引领对机器人教育的全民学习意识。

四是坚持技术理性，提倡个性化教育以及兴趣为导向的课程选择和项目参与，学习内容更重视综合能力的提升，不可本末倒置，机器人教育不在于學会模仿，更重要的是培养问题解决能力、创新思维及系统思考的能力。

五是当基础的软硬件极大地丰富之后，更重要的是在学习过程中让学习者找到自己的兴趣点，沉浸在项目开展的兴奋中，充分体验学习过程带给自己的快乐和收获。

五、结束语

未来机器人教育将会从使能和赋能两个层面，为各行各业注入新鲜血液，提供更智能化、智慧化的开放机制。发展以机器人教育为核心的教育生态，可以从在线机器人教育、智能化机器人教育以及智慧化机器人教育三个层面逐步发展，层层突破。同时期待机器人教育可以立足专业知识本位，以培养学习者综合能力为目标，并能保持对国际化机器人教育的敏感，结合国内本土文化，形成具有中国特色的专家学者、师资和学习者。

参考文献：

[1]王同聚.“微课导学”教学模式构建与实践——以中小学机器人教学为例[J].中国电化教育，2015（2）：112-117.

[2]钟柏昌，张禄.我国中小学机器人教育的现状调查与分析[J].中国电化教育，2015（7）：101-107.

[3]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）：65-68.

[4]孙世杰.开展机器人教学 培养学生创新精神[J].中国电化教育，2006（12）：69-70.

[5]王益，张剑平.美国机器人教育的特点及其启示[J].现代教育技术，2007（11）：108-112.

[6]李鸣华.机器人教育的教学设计[J].中国电化教育，2007（8）：98-101.

[7]王同聚.中小学机器人教学中“微课”的制作与应用研究[J].中国电化教育，2014（6）：107-110，126.

[8]郑立新，王振强.义务教育阶段机器人模块内容标准解读[J].中国电化教育，2012（11）：28-30.

[9]吴良辉，杨青.深圳市初中机器人课程的探索与实践——兼谈《标准》的学习体会[J].中国电化教育，2012（11）：31-35.

[10]张家华，张国民.人工智能与机器人课程的教学资源分析[J].中国电化教育，2008（10）：99-102.

[11]王益，张剑平.教育机器人资源网站的比较分析及开发建议[J].现代教育技术，2008（1）：70-73.

[12]张国民，张剑平.我国基础教育中机器人教育的现状与对策研究[J].现代教育技术，2008（5）：92-94.

[13]张鹏.智能机器人辅助教育及其应用[J].中国电化教育，2009（2）：84-86.

[14]王益.融入STS教育理念的机器人教学探索[J].中国电化教育，2009（3）：90-92.

[15]金书辉，郑燕林，张晓.高中Arduino机器人课程学习现状调查与分析[J].中国电化教育，2017（12）：115-120.

[16]闫妮，钟柏昌.中小学机器人教育的核心理论研究——论发明创造型教学模式[J].电化教育研究，2018，39（4）：66-72.

[17]黄芹，陶云，王玉金，吴昌林.中小学模块化机器人教育探究[J].现代教育技术，2018，28（7）：113-119.

[18]钟柏昌，韩蕾.中小学机器人教育的核心理论研究——论趣味交互型教学模式[J].电化教育研究，2018，39（9）：88-95.

[19]刘淑云，马燕，范文翔.创客理念下师范院校的机器人教学模式探究[J].现代教育技术，2016，26（7）：120-126.

[20]王小根，张爽.面向创客教育的中小学机器人教学研究[J].现代教育技术，2016，26（8）：116-121.

[21]钟柏昌.中小学机器人教育的核心理论研究——机器人教学模式的新分类[J].电化教育研究，2016，37（12）：87-92.

[22]黄荣怀，刘德建，徐晶晶，陈年兴，樊磊，曾海军.教育机器人的发展现状与趋势[J].现代教育技术，2017，27（1）：13-20.

[23]王娟，胡来林，安丽达.国外整合STEM的教育机器人课程案例研究——以卡耐基梅隆大学机器人学院ROBOTC课程为例[J].现代教育技术，2017，27（4）：33-38.

[24]王凯，孙帙，西森年寿，李哲.日本机器人教育的发展现状和趋势[J].现代教育技术，2017，27（4）：5-11.

[25]张敬云，钟柏昌.中小学机器人教育的核心理论研究——论科学探究型教学模式[J].电化教育研究，2017，38（10）：106-111.

[26]李婷婷，钟柏昌.中小学机器人教育的核心理论研究——论实验模拟型教学模式[J].电化教育研究，2017，38（9）：96-101.

[27]徐多，胡卫星，赵苗苗.困境与破局：我国机器人教育的研究与发展[J].现代教育技术，2017，27（10）：94-99.

[28]方波，曹其新.IDC ROBOCON比赛与机器人教育的探讨[J].现代教育技术，2011，21（3）：140-144.

[29]王小根，胡兵华，何少莎.基于“任务驱动”的小学机器人教育校本课程开发[J].电化教育研究，2010（6）：100-102，106.

[30]张国民.运用虚拟机器人于初中程序设计教学模块的实证研究[J]. 现代教育技术，2010，20（12）：137-140.

[31]彭绍东.论机器人教育（上）[J].电化教育研究，2002（6）：3-7.

[32]彭绍东.论机器人教育（下）[J].电化教育研究，2002（7）：16-19.

（编辑：王晓明）