可重构模块化机器人与教育产业的融合发展探索

周杰 孙可儿 江源 罗汉杰 沈桂英 倪虹

[摘 要]近几年国家大力提倡素质教育，机器人教育作为素质教育的重要载体，在各大高校与中小学教育领域应用愈加广泛。杭州市作为浙江省省会，其机器人教育产业发展迅猛，但与此同时行业内也存在一些问题，导致机器人教育无法在全市普及，而模块化机器人相较于传统教育机器人有独特优势。文章基于可重构模块化机器人，为提高机器人教育质量、扩大机器人市场、促进产业发展提出解决思路。

[关键词]教育产业;科教融合;素质教育;可重构模块化机器人

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2020.31.071

1 引言

随着我国的教育改革，教育部将素质教育写入《教育信息化“十三五” 规划》，在6～16岁少年群体中出现了许多“少年编程班”“少年机器人班” 等机构。素质教育作为未来中小学基础教育的发展方针，使得机器人教育这一素质教育的载体越来越得到社会广大教育者的支持。目前教育市场广阔[1]，如果小孩拥有一个可以互动的实体玩具，他们在5～6岁的时候就有可能理解编程的概念。如今机器人教育的起步年龄偏小，拼搭类机器人教育对象在3～6岁，编程类的在7～8岁。智能机器人将会成为未来制造的奠基，会为未来的战略性发展提供必不可少的帮助。正因如此，促进机器人教育产业健康发展，对未来的发展起着重要作用。

2 机器人教育发展现状

2008年，日本内阁府发布了“机器人领域研讨会报告”，指出机器人技术融合数学、物理、机械、电子、信息等诸多领域，有助于培养跨领域的综合型人才。同年出台的“i-Japan战略2015”表明应在中小学各学科课堂上利用信息技术，提高学生的学习能力和信息活用能力[2]。美国中小学中课程技术、课外活动、机器人辅助课程等多种方式为机器人技术课程开展提供了强劲动力。而在高校中，机器人教育可以通过课程和学习平台进行[3]。

我国作为全球市场上机器人需求和应用大国，相关产业的发展速度和潜力十分惊人。但是，由于机器人教育起步较晚，杭州市这一拥有69.9万名中小学学生的省会城市，机器人教育及市场都存在问题。

2.1 传统教育机器人无法满足需求

目前，市场上的人形、轮动、飞行、爬行类教育机器人限于其构形限制，仅能完成单种教学任务，但对于机器人教学目标的不同，适合于低年级的拼装搭建型机器人，面对高年级学生对机器人系统组成、编程控制、功能实现、传感器技术等较深层次的了解与实验需求无法满足。这意味着学校或培训机构需要收集、比对、实验寻找多种机器人用于教学，需要耗费大量时间、精力，这也导致机器人教育难以成为学校主干课程，普及度不高。

2.2 机器人教育师资短缺

由于机器人教育起步较晚，需要学校在课程设计开发、教学模式改革、资源建设等方面投入大量专业师资，導致杭州市多数中小学更重视传统的升学考试科目，不会过于重视机器人课程，只有少数学生为参加重点高中自主招生选拔才会系统学习，使得机器人教育成为一种“小众文化”。目前中小学教育中也鲜少有专业机器人教育方向的老师，缺少科学化、专业化、创新化的教师队伍[4]，培养方向的准确性不足。在杭州以外的偏远地区仅仅依靠一两位兼职老师，难以为继。

2.3 机器人价格高昂

虽然国家早已颁布素质教育课程的标准，但各地的实施状况大有不同。杭州作为新一线城市，学生能够时刻接触互联网，了解机器人相关知识，但机器人教育作为培养学生动手能力的学科，需要实物训练。对于多数居民来说，素质教育的效果未显现。面对孩子基础教育的机器人需求变化，其动辄上万的价格、课外培训与产品更新换代，犹豫不决者不在少数。而学校仅靠公办经费无法满足不同年龄段学生的需求与机器人的高损耗，器材与零件的缺乏已成为普遍现象。对偏远地区来说，更是如此，难以普及。

2.4 机器人教育课程体系不完善

目前学校大部分均以兴趣班或社团为主的教学形式，并没有专门针对机器人的实践课程，缺少专业教材。根据目前杭州市机器人教育广告的情况来看，比较有名的机器人教育机构有乐高、乐博乐博、达内童程童美等，课程主要针对低龄孩童以搭建模型为主，教学深度不够。学校与培训机构培养目标的脱节与教学体系的不完善，造成大部分学生无论在课内还是课外外都难以系统接触机器人知识。造成学生创新思维搭造上的不完善，不利于学生从小学习并且慢慢形成这方面的知识体系。

3 可重构模块化机器人介绍

可重构模块机器人由一套按分类设置的零件库，模块化控制系统库组成，通过这些模块能在短时间内按照需求组装出最适用于给定任务的机器人[5]。其具备以下三方面特点：

第一，本机器人利用模块之间的联断操作和相互运动来自动改变整体构形，扩展运动形式，可以完成多种运动及任务需要，充分满足客户需求。

第二，零件库可独立组装，也可与控制系统库组合完成任务，两者相互独立，一套组件可供多个用户使用。

第三，维修方便，发生故障时，相较于传统机器人的专业人员维修不可擅自拆卸，本机器人只需将损坏模块进行更换即可重新开始工作。

4 模块化机器人的科教融合

在国家提倡素质教育的大背景下，机器人教育作为其中一环，发挥着重要作用。但杭州市由传统教育机器人为主流的产品已无法满足市场需求。因此，如何利用可重构模块化机器人与其衍生产物，对杭州市机器人教育产业的改革创新有着重要意义。

4.1 可重构模块化机器人助力需求与发展

充分发挥本机器人按分类设置的零件库，模块化控制系统库的优势。低年级学生使用零件库搭建多形状机器人，通过搭建培养学生的思维能力。高年级学生根据可重构性，通过多模块应用与机器人编程，加深了解。有利于实现教学效果的最优化，对促进新教学模式构建起推动作用。另外，通过本机器人强大的环境适应性，解决学校多层次、多种类、多目标的机器人需求，为普及机器人教育提供了契机。

4.2 分地域、分手段、分情况助力师资建设

西湖区通过推广虚拟机器人项目搭建平台，减少了成本，有效促进各校交流。[6]由于各地学校与经济实力的差异，通过这种经验，在经济发达地区，利用科研团队专业知识，线下组织老师教学培训班，线上通过建立慕课资源为各学校师资培养助力。在偏远地区，存在机器人学科与师资建设困境情况[4]，可通过网络平台、虚拟机器人等项目加强学校间、区域间的合作。对信息技术、劳技等具有一定专业知识的教师进行培训，缓解师资短缺。

4.3 分层次机器人系列助力多元发展

利用模块化的优势研发针对性机器人系列，对靠分阶段教学包配合使用。在家庭方面推出家庭包，模块少，价格低，适合学生自学，根据需要可升级添加模块，解决家长因产品换代快、花销大造成的尴尬。培训机构自己选择适量模块化组件，降低机构基础成本。各学校根据教学方案，定制模块，满足多年级学生的需求，将利用率最大化，降低学校因教学的不同需求造成办学经费上的负担。面对因机器人数量少造成的高损耗率时，易重构的特性也可缓解学生与教具数量不对等的现象。

4.4 分阶段课程包助力课程体系建设

由政府牵头提供政策支持，科研团队与知名机器人教育公司合作，结合学校情况，利用社会资本的积极性，研发成体系的阶段化教学方案与成熟的实践平台。学前教育及小学阶段，通过教学视频学习图像化编程。初高中阶段，以搭建与编程相结合，基于Arduino这类易学语言，学习机器人控制。既可应对素质教育需要，也可用于新高考课程建设。将该体系推广，列装于学校，鼓励培训机构采用，解决各学校、机构与学校间因培养方案不同而造成交流上的障碍与脱节。

4.5 机器人教育体系

以培训构建学校与机构师资，以产品推动课程教育反馈意见，以意见完成产品迭代升级，建立独有可重构模块化机器人教育体系流程，促进机器人教育的良性发展。

5 结语

虽然目前机器人教育市场存在诸多不完善，但随着我国因人口红利消失、多领域机器人的推广以及迫切面临由“中国制造”到“中国创造”的產业转型需要，未来的人才需求也将偏向创造、思维型，而机器人教育培养学生创造与动手能力的特点，也将得到国家更大的支持。相信在不久的将来，伴随人工智能与其他先进科技的应用，教育机器人也将更加智能化，市场也将更加规范化、合理化和普及化。

参考文献：

[1]MICHELLE，GOODMAN， 鲁行云. Play-i：教儿童编程的机器人[J].创业邦，2014（11）：49.

[2]王凯， 孙帙， 西森年寿，等. 日本机器人教育的发展现状和趋势[J].现代教育技术， 2017（4）：6-12.

[3]王益， 张剑平. The Features of Robotics Education in USA and Its Inspiration to China[J].现代教育技术， 2007， 17（11）：108-112.

[4]上菲菲， 刘凤娟. 欠发达地区中小学机器人教育研究——以汉中市为例[J].中国现代教育装备， 2018， 296（16）：67-70.

[5] 刘明尧， 谈大龙， 李斌. 可重构模块化机器人现状和发展[J].机器人， 2001， 23（3）：275-279.

[6]许海燕. 杭州市西湖区区域推进机器人教育实践探索[J].实验教学与仪器， 2015， 32（2）：63-65.

[7]谷明信. 机器人教育在应用型本科院校的实践与探究——以重庆文理学院为例 [J].教育教学论坛， 2017（31）：121-122.

[基金项目]2019 年浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划立项项目（项目编号：2019R426048）;杭州师范大学钱江学院院级科研项目（师生共研专项项目，项目编号：2020QJXS71）。

[作者简介]周杰 （1999—），男，浙江宁波人，本科，研究方向：自动化机器人;罗汉杰（1999—），男，浙江衢州人，本科，研究方向：自动化机器人;孙可儿（2000—），女，浙江衢州人，本科，研究方向：财务会计理论和方法;江源（2000—），女，安徽芜湖人，本科，研究方向：财务会计理论和方法;通讯作者：倪虹（1982—），女，湖北天门人，研究生，讲师，研究方向;仿生机器人。