STEM理念下机器人教育的启示—以Robo Cup Junior比赛为例

周 倩，郑 妍，杨 冬

陕西师范大学教育学院， 西安 710062

STEM (Science,Technology,Engineering,Mathe- matics，即科学、技术、工程、数学)教育源于美国，该理念主要是整合科学、技术、工程、数学4个学科的知识，进而有利于培养学生的创新创造能力、批判性思维等能力。同时，在学生的未来生活和工作中持续发挥积极的作用。1986年，美国国家科学委员会(NSB)发布了第一个关于STEM教育的指导性文件《本科科学、数学和工程教育》(Undergraduate Science Mathemat- ics and Engineering Education)。该报告在肯定STEM教育突出地位的基础上，提出了关于STEM教育发展的指导性意见，这成为STEM教育的战略性开端[1]。2018年3月1日，美国发布的《美国机器智能国家战略》文件中提到，机器智能可以融入日常的课堂教学，为学生提供个性化学习体验的机会，同时，也可以提升教师的教学效率和学生的学习体验。美国国家教育协会(NEA)已经将机器人技术确定为提高学生对ST- EM兴趣的一个关键技术领域[2]。由于机器人教育的两大特点：实践操作性较强和多学科的交叉融合性，因此，被认为是整合STEM教育的一条有效途径。机器人教育帮助教师将工程设计、科学的过程、技术的相关素养和数学放置在能与学生日常生活息息相关的情境中，因此，对于教育学者而言，具有较高的教育研究和实践价值[3]。

自2003年以来，我国通过借助于机器人比赛来推动机器人教育的发展，同时，积极参与并承办国际机器人的相关比赛，如2006年在南宁举行的国际机器人奥林匹克大赛，2008年在苏州、2015年在合肥所举办的机器人大赛等。在国内，面向中小学举行机器人竞赛也受到了众多学校的欢迎，例如：中国科学技术协会主办的中国青少年机器人竞赛，设立了机器人综合技能比赛、FLL机器人工程挑战赛、VEX机器人工程挑战赛、机器人创意比赛、WER工程挑战赛等比赛项目[4]。较有影响力的国际比赛有“青少年机器人世界杯—Robo Cup Junior”“国际奥林匹克机器人大赛”“Bot Ball 国际机器人大赛”“VEX 机器人世界锦标赛”“WER世界教育机器人大赛”。

文章通过对Robo Cup Junior(RCJ)比赛进行介绍，结合比赛的特点，得到关于我国在学校开展机器人比赛的四点启示，以此来更好地促进机器人教育和STEM的发展。

1 机器人教育概述

1.1 机器人教育的定义

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。该定义的英文表述为:Robot-Based Education is the Theory and Practice of Studying and Utilizing robots to Optimize the Effect of Education and the Way of Teachers' and Students' Work[5]。对上述定义的理解有两个问题需要注意：

一是机器人教育包含理论和实践两大领域。

二是机器人教育的目的包含两个方面的内容：其一优化教学效果，即在教学过程中通过较少的教育投入来获得最大的教学效果。教育投入是指教与学所投入的时间、人力、物力和财力等；教学效果主要是指学生通过学习，自身的知识获取能力、对知识的建构能力、情感态度和价值观等方面均有提升。其二优化教师和学习者的劳动方式，即在教学过程中采用教育机器人能够帮助教师有效地改善教学方式，同时减轻教师和学生的劳动强度，以此来提高劳动效率。

1.2 机器人教育的特点

1.2.1机器人教育的开展途径较为多样机器人教育可以通过开设相应的机器人课程、参与机器人竞赛、参加机器人夏令营等多种途径展开。尤其在美国，机器人教育的形式比较丰富，在中小学既可以作为机器人技术课程，也可以作为课外活动，或者作为机器人夏令营等。在高校中，机器人教育主要通过课程来开展。

1.2.2机器人教育的课程体现了多学科的交叉融合机器人技术的先进性和应用领域的广泛性，同时，机器人教育融合了数学、物理、化学、生物、艺术、工程等多学科知识，体现了多学科交叉融合的特点。

1.2.3机器人教育体现了“做中学”机器人的课程中都有实验课程，学生可以使用各种工具来组装机器人，编写和调试机器人相关程序，不断完善和改进机器人。这一过程体现了做中学，有益于学生对机器人课程的学习，从而有助于机器人教育的开展。

1.2.4机器人教育体现了学生的主体性机器人课程都是在教师的指导下，并且大部分都是以小组的形式开展。学生在学习过程中充分体现了自身的主体地位。同时，学生在团队中相互合作，编写和组装机器人，在团队成员的相互作用下完成任务。学生的主体性较强，激起学生对机器人学习的兴趣。

1.2.5机器人教育的评价方式不再单一，注重评价的多样性机器人课程的评价更为多样化，这能够帮助教师全面了解学生知识的掌握情况，以及是否能够对知识进行灵活的运用。评价不仅仅只靠学生最终的成绩，也依赖于学生项目的完成情况。同时，评价要注重学生自身的反思，让学生能够在学习过程中，不断思考自身获得了哪些知识和学习过程中的不足之处，不断地发展完善自己各方面的能力。

2 STEM视野下开展机器人教育的必要性

2.1 满足了STEM教育的需求

STEM的本质即多学科交叉融合的教育，其对推进教育教学改革具有重要作用。STEM教育的特点：第一，关注的是跨学科之间的相互融合；第二，关注现实生活与学习之间的联系；第三，评价的方式主要是学生的学习过程，而不是最终的考试成绩。STEM提倡学生采用“做中学”的方式，即学习者通过亲自动手实践，学习课程的相关知识。而机器人教育中包含了数学、物理、化学、工程、技术、艺术等多门学科的内容，符合STEM的多学科交叉融合的教育教学理念。项目式学习作为STEM教育的主要学习方式之一，在机器人教育中可以更好地应用。

2.2 机器人教育与STEM教育的结合是必然

当前国内的应试教育，在教师、家长和学生看来仍是十分重要的。他们认为机器人教育就是一项课外娱乐活动，并不是一门独立的学科。此外，他们普遍认为学生更应该学习书本上的知识，而不应该过多地参与这种课外娱乐活动。这种想法也导致了机器人教育的开展较为困难，无法使学生能够按照自己的兴趣参与活动，从而无法激发学生的创新思维和创造能力。STEM教育在教学中，强调将科学、技术、工程和数学多学科进行融合，同时，十分注重学生的主体地位。当然在机器人教育中，教师通过运用多方面的教学内容进行教学，在教学过程中，学生不仅仅能够学习关于机器人的相关技术，同时可以通过团队协作，培养沟通协调能力、团队意识。在实际操作中培养自身的动手能力和创造力。教育机器人属于信息技术的前沿领域，机器人教育可以与STEM教育的理念契合，能够充分将STEM教育的思想体现出来。因此，对于机器人课程的教学并不是简简单单地传授知识，而是能够将科学、技术、工程、数学等科目有机地进行整合，将实际生活中的问题和所设计的机器人相联系。在STEM视野下开展机器人教学，能够培养学生多方面的能力。通过STEM和机器人教学的结合来打破上述的局面。通过这种方式帮助教师、家长和学生更好地意识到机器人教育的重要作用，利用机器人更好地解决教育中存在的问题。

3 RCJ比赛介绍

3.1 RCJ比赛

RCJ是一项国际教育机器人计划。在2000年首次举办，旨在通过教育机器人竞赛促进参赛学生对于STEM内容以及相关技能的学习[6]。RCJ提供三种类型的比赛：足球、救援和舞蹈(如图1、图2、图3所示)。RCJ足球联赛是在Robo Cup Major Soccer联赛之后创建的，作为大联盟足球联赛的入门级别。机器人的大小类似于小型联盟机器人的大小。然而，RCJ足球通常会吸引男孩。近年来，世界锦标赛中有几支女子团体参加比赛。RCJ Rescue联盟受到主要救援联盟的启发，也被认为是Major Rescue联盟的入门级别。虽然最初RCJ救援一般吸引男孩，但近年来有更多女孩参与初级救援。相反，RCJ舞蹈联盟，将艺术融入STEM，旨在吸引女孩进入STEM。2013年，RCJ CoSpace机器人技术将虚拟模拟机器人技术与真实机器人技术相结合，作为救援和舞蹈的子联盟被引入。

图1 足球比赛 图2 救援比赛 图3 舞蹈比赛

3.2 RCJ比赛的发展

第一届RCJ比赛是在2000年墨尔本Robo Cup期间举办的，有来自3个国家的25支参赛队伍，有3个挑战(联赛)—舞蹈、相扑和足球。第一届RCJ比赛的成功促成了随后的年度RCJ世界锦标赛。2001年，RCJ世界锦标赛在美国西雅图举行，来自4个国家(澳大利亚、德国、英国和美国)的25个团队，104名学生和导师参加了会议。2001年，救援联盟被引入取代相扑挑战，形成目前的3个联赛—足球、救援和舞蹈。自2000年以来，RCJ已成为世界各地许多国家学龄儿童的热门教育活动。近年来，有大约二三百支队伍参加年度RCJ世界锦标赛。2011年，年度RCJ世界锦标赛在土耳其伊斯坦布尔举行，共有251支队伍，来自30个国家的955名学生参赛。2012年，自启动十年后，年度RCJ世界锦标赛在墨西哥首都墨西哥城举行。共有209支队伍，来自27个国家的796名学生参赛。由于比赛场地的规模，参赛队伍的数量每年都会随RCJ而变化。但参与RCJ活动的全球人口正在增长，越来越多的国家愿意启动RCJ计划。2013年，RCJ世界锦标赛在荷兰埃因霍温举行，共有206支队伍，来自29个国家的907名学生参加。2014年，RCJ世界锦标赛在巴西JoãoPessoa举行，共有197支队伍，来自26个国家的778名学生参赛。目前，约有40个国家报告其参与RCJ比赛，比赛一直延续至今。

3.3 RCJ比赛的特色

RCJ有几个关键因素，使其与其他教育机器人计划不同：

①RCJ的游戏从上一年到下一年保持大致相同的目标，提供一个支架式学习环境，学生在成长、扩展技能和知识时不断开发和完善他们的解决方案。

②相比竞争而言RCJ更注重教育。虽然每年的比赛保持不变，但每年都会通过技术委员会成员之间的密集讨论来改进规则，不仅可以改善比赛本身，还可以提高参赛学生的学习体验。

③RCJ挑战称为联赛，使用学生熟悉的主题(足球、救援和舞蹈)以吸引和激励他们进入STEM，尤其是机器人技术。同时，RCJ对学生用于创建机器人项目的任何机器人平台开放。

4 RCJ比赛的意义

4.1 提高学生对STEM的兴趣

RCJ比赛提供三种联赛：足球、救援、舞蹈，对机器人进行搭建的过程中体现了工程学、数学等学科的结合，同时融入了舞蹈项目的比赛，体现了艺术的特色。2012年，Benitti F B V认为可以通过使用机器人来帮助学生理解STEM领域相关的概念[7]。2015年，Eguchi和Amy对该比赛进行调查，结果表明教育机器人可以提高STEM学生的兴趣。参赛学生在经过比赛后对工程学的兴趣大大提高。教育机器人竞赛提供的实践、基于项目和目标导向的学习体验，对学生在STEM或STEM相关领域进行进一步探索的学习和动机有着持久的影响，RCJ比赛致力于通过教育机器人技术在世界各地的学生中促进STEM学习[6]。机器人在STEM教育中占据举足轻重的地位，通过RCJ比赛有助于学生认识STEM,在比赛过程中培养对STEM的兴趣。

4.2 培养学生的创新思维、创造能力和动手能力

RCJ比赛采用基于项目的学习(project-based lea- rning，PBL)学习方法[8]。通过PBL使学生发展成为21世纪有效劳动力所必需的能力，包括解决问题、批判性思维[9]。在比赛的过程中，由学生决定使用什么来开发他们的机器人创作，从机器人套件到最好的微控制器，电机，传感器和其他部件，甚至是3D打印或激光切割的某些部件，均由学生自己来选择。在这一过程中学生进行大胆的构想，通过运用自己所学的知识和技术设计机器人，能够培养学生的创新思维和创造能力。创作机器人的过程中，需要对机器人进行组装和测试，在该过程中，需要学生实际动手操作，从而锻炼了学生的动手操作能力。

4.3 培养学生的团队协作意识

RCJ比赛强调团队的协作[10]。学生都是以团队的方式参加比赛，学生不是一个孤立的个体存在，需要他们在小组合作中不断完成挑战。在比赛过程中，不断地更新接收同伴特有的观点，培养了自身宽容、虚心接收他人观点的能力。发挥团队精神、互补互助以达到团队最大工作效率的能力。对于团队的成员来说，不仅要有个人能力，更需要有在不同的位置上各尽所能，与其他成员协调合作的能力。通过比赛的形式使得参赛学生能够高度集中，与成员相互协作，通过不断地与他人沟通交流，最终完成任务。

4.4 促进学生文化之间的交流碰撞

RCJ比赛中，每个团队展示了将技术与艺术、音乐和文化相结合的独特和创造性方式。有些团队遵循老故事，许多团队通过这种方式分享他们国家的文化[11]。在比赛的过程中也增加了趣味性，了解了不同国家的风俗习惯、文化特点。通过分享各自国家的文化，有助于学生增强文化自信，也有利于了解不同国家的文化，使学生对文化差异形成一定的认识。

5 对我国学校开展机器人比赛的启示

2014年，CJ Chan Jin Chung通过全球机器人艺术节(global robot art festival，GRAF)对参赛学生进行调查，发现将艺术与机器人技术结合起来是一种有效的实践范例，在学习STEM课程和计算时，甚至可以带来美丽、欢乐、乐趣和创造力。GRAF的目标是让学生通过对艺术的普遍兴趣来追求他们对科学、技术、工程和数学的兴趣[12]。结合“青少年机器人世界杯—Robo Cup Junior”比赛，可以发现机器人比赛对促进STME教育具有重要意义。同时，国外正在尝试将机器人应用于STEM教育中，例如开展机器人音乐营[13]，将舞蹈机器人应用于幼儿教育中[14]，以课外活动的形式进行机器人歌剧项目[15]等。笔者认为，可以将机器人以机器人比赛的形式融入学校教育中。

学校可以鼓励教师带领学生积极参与机器人比赛。查阅相关机器人比赛的外文文献发现，学生通过比赛对STEM的兴趣逐步增高，尤其是工程学方面。同时，在比赛过程中学生的一系列能力得到了提升，比如同伴之间的交流互助、创新能力、动手操作能力等。因此，学校开展机器人比赛对于机器人教育无疑是一条有益途径，通过结合RCJ比赛自身的特色，可以对我国学校开展机器人比赛提供相应的指导，从而有助于我国STEM教育的发展。

5.1 比赛主题需贴合学生日常生活，以吸引和激励他们进入STEM

RCJ比赛选择足球、救援和舞蹈3个主题，可以看出这些主题都和日常生活息息相关，只有从日常生活出发，才能激起学习者的兴趣。国外学者通过对RCJ比赛调查研究，发现该比赛的主题能够吸引和激励学生进入STEM学习。选择好的比赛项目是比赛成功的前提，对激发学生的兴趣有着重要意义。因此，对我国而言，在学校进行机器人比赛也要充分考虑主题的选取是否与日常生活相关，同时，结合学校的实际情况选择符合学校自身特色的比赛项目。

5.2 比赛主题要考虑学生的性别差异

主题的选择也要考虑参赛学生的性别差异。RCJ比赛在前期并没有“舞蹈”这一主题，导致进行参赛者学生男生居多，女生偏少。考虑到女生可能对于足球不感兴趣，于是将“舞蹈”这一主题纳入该比赛以吸引女生的兴趣，之后参赛的女生数量逐渐增多。由此可以发现，主题选取要适宜于所有学生，照顾到每一位参赛学生。不仅要考虑男生的兴趣爱好，也要明确了解女生的兴趣爱好。学校开展机器人比赛的目的在于提升学生对STEM的兴趣，要考虑大多数人的需求，尊重性别的差异。在此基础上选择比赛的主题。

5.3 每年的比赛保持大致相同的目标，但需不断修改和完善比赛的规则

RCJ比赛虽然每年的比赛目标大致相同，但是比赛的规则却在不断地改进。大致相同的目标可以使得之前参与比赛的学生有充足的时间不断改进参赛作品，不断地学习和总结；同时，在比赛的推动力下，学生的机器人技术水平进一步提升。学生能够在下一年比赛中，借助已有的学习经验和技能，展示一个更加优秀的作品。同时，比赛的规则需要相关负责人不断进行修改，使得整个机器人比赛项目不断地完善。比赛的规则变化也极大地提高了学生的应变能力，能够使学生更加灵活地创作自己的参赛作品。当然，最终的比赛作品是很重要的，而更加重要的是学生在完善作品的过程中能力得到提升。

5.4 建立关于机器人比赛的资源学习平台

RCJ比赛对学生用于创建机器人项目的任何机器人平台开放。如果在学校开展机器人比赛，想要达到学生在创建机器人项目时，任何机器人平台都能够开放这一水平有较大的困难。但是，学校可以建立一个内部关于机器人学习的网站，在网站中提供比较全面的资源供学生自主学习。当学生遇到困难时，可以及时地解决自己的问题，也可以及时与教师或其他学习者分享学习心得，促进学习者自主探究的能力以及和同伴交流互动的能力。丰富的资源能够激发学生的求知欲，是学生在解决问题的脚手架。

学校的机器人比赛在机器人教育中发挥着重要的作用。从2003年起，我国以机器人竞赛的形式推动机器人教育的发展,虽然取得一定的成绩，但是也存在一些问题。该文主要根据RCJ比赛，得出在我国校园中开展机器人比赛的几点启示，目的在于促进机器人比赛在校园中更好的发展。同时，在学校开展机器人教育可以通过开设教育机器人课程和机器人竞赛结合的方式进行，采用课堂授课和比赛的方式更能激发学生对机器人相关内容学习的兴趣，以更好地促进机器人教育和STEM的发展。