K-12机器人教育实训室的设计与实现*

杨伟杰

摘   要：在社会全面走进人工智能时代的背景下，K-12階段机器人教育师资的培养成为中小学阶段人工智能及机器人教学课程实施的关键因素。建设好机器人教育实训室，才能为师范院校实施中小学机器人教育专业课程、实训课程和培训课程提供产学一体的环境。在分析国内外机器人教育实训室建设相关研究的基础上，文章系统地阐述了面向K-12阶段师资培养的机器人教育实训室的服务课程、设计理念、功能布局与体系结构、教具软件与设备选型、文化设计与规范管理，解决了以往机器人教育师资培养缺乏实践条件的问题，为学生提供了一个可实现教育机器人教学实践和仿真演练的环境，为国内院校相关专业实训室的建设提供了一个有效解决方案。

关键词：K-12;机器人教育;人工智能教育;实训室;设计

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2020）17-0046-05

机器人教育，通常是指学习有关机器人的基本知识与基本技能，或利用教育机器人优化教育教学效果的理论与实践。[1]机器人教育课程是一种典型的多学科交叉融合的课程，涉及机械、电子、计算机、材料与结构设计、传感器及测试技术、自动控制、软件编程等学科知识和技能。在中小学阶段，机器人教育课程是人工智能、STEAM和创客课程的重要载体。[2]2017年国务院颁布的《新一代人工智能发展规划》中强调，要完善人工智能教育体系，促进机器智能在教育领域的深度应用，全面打造智能教育生态。[3]中小学生在校内参加机器人社团、校外培训机构参加机器人教育和少儿编程教育课程方兴未艾，形成了巨大的教育培训市场和智慧教具产业。在机器人教育行业发展前景看好的同时，伴随产生了专业师资有效供给不足的问题。专业师资紧缺的问题，已成为制约我国K-12机器人教育产业发展和全面实施中小学阶段人工智能教育的主要因素。加强源头培养、强化教师培训是解决师资不足的有效手段。[2]机器人教育师资的培养涉及人才培养方案中课程体系设计与实施、教师专业知识与技能水平、理论教学与实践教学条件等因素。其中，建设理念先进、功能完善的机器人教育实训室是机器人教育师资培养体系中关键的基础条件。

一、概念的界定

1.机器人教育实训室

机器人教育实训室是利用机器人及相关设备开展机器人教育理论和实践教学的重要场所，是提升相关专业学生综合素质及实践技能水平的主要基地，在本研究中指面向K-12阶段机器人教育课程师资培养的机器人教育实训室。机器人教育实训室作为一种基础教学环境，为师生开展机器人课程教学、掌握职业技能，提供了所需的场所、教学设备、软件平台、教学指导人员和教学计划，是实现培养高素质技能型机器人教育师资的重要条件。

2.机器人教育实训室建设相关研究

截至2019年12月，在CNKI中以“机器人教育实训室”为关键词进行检索，共找到密切相关文献31篇。分析结果表明，国内机器人教育实训室相关研究主要集中在高校和中职学校的工业机器人实训室建设方面，未涉及K-12阶段机器人教育师资的培养。工业机器人作为“工业4.0时代”智能制造行业中的典型领域，受到了前所未有的重视。[4]工业机器人实训室及实训基地的建设主要集中在机电工程、自动控制、物流管理（自动化仓储）、汽车制造、航务和医药自动化工程等专业领域，不同学者分别从智慧化设计、软件环境、辅助教学机器人、实训项目设置、校企合作等方面对工业机器人实训室的建设和利用提出了相应对策。[5]例如，任洪锋等人提出利用云计算、物联网感知技术等，打造具有“互联网+”时代特色的机器人智慧实训室;[6]杨秀文对工业机器人应用技术实验实训室的建设目标、软硬件建设与实验实训项目体系、项目体系工作流程做了解读。[7]工业机器人实训室的建设对本研究有一定的借鉴作用，但从现有文献分析来看，面向师范院校的K-12阶段机器人教育师资培养所需的机器人教育实训室建设相关研究比较缺乏。

二、承载的课程

机器人教育实训室中承载的课程是实训室设计的基本逻辑起点，它主要服务的课程包括专业课程、实训课程与培训课程三种类型。其中，专业课程主要有机器人教育概论、电子趣味制作、可视化少儿编程、机器人教学与趣味编程，此类课程的目标是让学生系统地学习和掌握机器人教育的专业理论知识和操作技能，了解机器人教育的前沿科技和产业发展趋势，培养分析解决专业范围内实际问题的能力。实训课程主要有机器人教育教学技能实训、机器人教育教学资源设计和工作室综合项目，此类课程的课程目标是通过开展机器人教育相关的教学技能和教学资源设计实训项目，让学生掌握开展机器人课程教学设计与实施、教研活动、竞赛组织、门店运营、客户沟通管理等典型工作和任务过程的方法，发展学生开展机器人教育的实务能力和职业素养。培训课程包括面向学生的企业培训（行业宣讲与公益实训课）、考证辅导（全国青少年机器人技术等级考试、中国机器人教育师资实训技能资格证书），面向企业员工的培训（行业发展、教学技能、课程设计），以及面向中小学学科教师的省培项目（小学信息技术教师教学技能培训、创客师资培训、“人工智能+教育师资”培训等），此类课程的目标是以校企合作形式，通过面向学生、企业员工、中小学教师开展机器人教育培训类课程，开展社会技术服务和师资培训工作，服务产业发展，提升专业的社会影响力。

三、整体设计理念

1.结合专业行业发展，体现职业和岗位需求

结合专业和行业的发展，充分体现一线职业和岗位需求是机器人实训室设计的首要考虑因素。在实训室中营造机器人教育教学、机构运营、管理和服务的仿真职业环境，目的是为了最大程度上让学生适应从学校培养到就业环境的无缝对接。因此，要从设备、流程、管理、文化上接近一线工作环境，形成“企业文化”和“教学氛围”，重视职业素养培养，强化学生的安全意识和质量意识。市场调研结果表明，目前K-12阶段机器人教育师资主要工作岗位分为中小学学校教学和企业培训机构教学两类需求。中小学类岗位需求集中了信息技术教师岗位和机器人社团课程教师，主要开展少儿编程、机器人和人工智能类课程的教学，以及指导学生参加各级科技协会、电教馆组织的机器人比赛、科技创新竞赛及STEAM创客比赛。企业类岗位需求则相对宽泛，具体包括机器人教师、少儿编程教师、机器人教研员、课程开发师、区域主管和执行校长等，其学生包含学前学员和学龄段学员，一般结合企业品牌教具（如乐博乐博、能力风暴）或选用乐高系列教具开设课程，同时也有不少机器人培训机构企业到学校、少年宫、科技馆等地，开展合作教学、代理授课和指导比赛的活动。在设计机器人实训室的环境时要充分体现这两类行业的工作场景，让学生通过沉浸式的课程学习和完成典型工作任务，真实立体地体验与感知机器人教育行业的内涵和需求。

2.注重专业核心技能训练，沉浸STEAM创客文化

在設计机器人实训室的环境时，要满足专业课程教学和校内实训课程教学两种核心功能需求，重视核心专业技能训练与STEAM创客文化的沉淀和浸染。根据前期调研和毕业生反馈，无论在中小学从事机器人教育工作，还是在企业培训机构，具备扎实的机器人教育专业理论知识、过硬的教学技能与教学研究能力，是学生在行业中初次成功就业和寻求职业发展的必要前提条件。机器人教育课程作为STEAM教育、创客文化、人工智能课程落地的有效载体之一，要在课程实施和环境氛围中重视和强化对学生的信息素养、团队协作、创新思维、批判性思维、工程教育等专业核心素养的培育、体验和浸染，从而有效培养学生从事机器人教育的行业兴趣和职业忠诚度。

3.多元化功能资源复用，提高使用率和开放性

实训室的逻辑功能设计上注重多元化，提高实训室的整体使用率;除了常规课程教学和实训教学，还要具有机器人教育相关教学资源设计开发、专业竞赛团队培养、师资培训和考证培训的复合功能，减少实训设备闲置。通过三至五年建设，将机器人教育实训室打造成机器人教育产业实训基地，并向社会开放，通过开展“校政行企”多方参与的“产学研”合作，为社会提供多方位的服务，包括提供社会培训、推广新产品和技术，或者承担企业的真实技术服务项目。例如，笔者所在单位承担广东省小学教师发展中心主办的教师培训项目，因此实训室设计必须满足省内小学教师开展信息化教学、小学信息技术教师开展机器人教育和人工智能课程教学的师资培训，机器人教师进行资格考证的实际需求。此外，通过与东软睿道、广州能力风暴、乐博乐博等企业合作，承担部分课程资源设计和员工培训项目，在保证专业教学的前提下，创造一定的经济效益。

4.高起点高水平建设，兼顾发展性和协作性

机器人教育的技术变化发展很快，行业对师资的要求也越来越高。机器人实训室的设计必须做到起点先进，与市场一线充分对接。机器人的编程语言经历了从C到Scratch，再到Python的演变，教具主机也经历了从单片机和Mind Storm的 Linux主机向Rospberry Pi、Arduino、Micro：bit、物联网主机、无人机和人型机器人等多种主机并存的演变。只有实训设备和设施做到高技术新起点，实训教学内容反映行业前沿的最先进技术与教学理念方法，才能培养出适应机器人教育产业发展需要、满足社会需求的高素质技能型机器人教育师资人才。要发挥实训室的教学科研和社会服务平台作用，引入机器人教育行业骨干企业，通过合作办学、共建专业课程、师资互聘等形式提高机器人教学的整体水平，通过共同承担省培项目、接受企业设备捐赠、开设企业课程培训等形式，将政府、学校、行业和企业的优质资源引入学校，保障实训室的持续发展，进而打造机器人教育产业协同育人平台和发展联盟，提高实训室的投资效益和社会服务影响力。

四、功能布局与系统结构

目前实训室的布局通常有按工艺流程、生产流程、实务流程和技术模块布局的四种常规模式，[8]而机器人教育实训室的布局要以实务流程为主，形成具有教学、器具、竞技、展示、创作和研讨功能的综合性实务环境，旨在为学生提供真实的职业环境和实训教学条件。

1.功能的区域划分

机器人教育实训室在功能上包含了互动教学区、教具工具区、专业竞技区、综合展示区、自主创作区、研讨发展区。

（1）互动教学区。互动教学区为师生提供了交互式电子白板一体机、投影仪、移动平板电脑和学生台式机，采用TCP/IP标准协议网络或无线网络连接，将多媒体设备、服务器、网络交换机、无线网络等设备联接起来，用于师生开展机器人教育课程示范和互动教学。教师和学生可以通过移动智能终端软件及控屏软件进行教学内容传送、实时教学反馈、在线调研、学生演示、课堂监控等功能。互动教学区的桌子为订制的显示器机箱折叠一体电脑桌，可将显示器收入桌子内部，形成面积较大的平面，用于开展机器人拼装和编程实操。

（2）教具工具区。教具工具区提供机器人教具和电子制作工具存储和管理功能，对贵重的机器人主机和教学套件、平板电脑、电子制作工具、电子元器件、激光切割设备等上锁存放。

（3）专业竞技区。提供综合机器人比赛场地和LEGO FLL比赛场地，机器人比赛场地配有专业比赛图纸（WRO常规赛、FLL工程挑战赛等）以及常规的巡线、关卡等实训图纸。综合机器人比赛场地由木质板材构成，支持不同结构赛台拼装，形成锥台、陷阱、坡度等结构，方便学生体验和实施比赛的组织。LEGO的FLL比赛场地则根据比赛场地要求定制。

（4）综合展示区。提供空间展示学生的机器人作品实物、企业主流教育机器人教具与介绍资料、学生实训相片、获奖成果展示，让学生感受专业制作水平和企业实际需求，激发学生努力学习的拼劲和参与比赛的积极性。

（5）自主创作区。提供高清摄像和辅助器材，方便师生录制机器人教学微课资源及制作网络课程，用于开展云端教学或基于翻转课堂的混合教学。此外，提供了激光雕刻切割设备、扫描仪、手绘板、彩色喷墨打印机等，用于设计制作教育机器人作品以及相关多媒体课件作品，为学生参加全国教育教学信息化交流展示活动、全国大学生计算机设计大赛及机器人类比赛提供工作环境和训练场地。

（6）研讨发展区。研讨发展区给学生提供开展自由讨论、头脑风暴活动等交换智慧与灵感的空间，由可自由移动的椅子构成一个非正式学习和自我反思的学习场所。

2.空间布局

机器人教育实训室的空间布局如图1所示。

3.系统集成结构

系统集成结构主要由网络通讯系统和智能系统集成控制系统两个体系组成，其中网络通讯系统完成网络接入和连接，接入网络的有线终端包括教师主机、学生主机、智能中控主机和无线AP，无线终端则包括学生平板电脑和电子白板一体机，主要使用WIFI连接。而智能系统集成控制系统则主要由智能中控主机完成对终端控制，使用有线连接到多媒体控制器和智能充电柜，由多媒体控制器来控制电子白板一体机、音响系统、实物投影仪和投影仪，使用Zibee无线通信连接灯光控制器、窗帘控制器和空调控制器来分别控制灯光、窗帘和空调。系统集成结构如图2所示。

五、教具设备与软件选型

机器人教育的教具与软件选型要坚持适宜教学、功能安全、具有发展性和经济性等原则，在实训室建设过程中，核心教具和拓展教具以集中批量采购为主，展示性教具以合作企业赞助和少量采购为主。国内机器人教育的教具与设备供应商主要包括机器人硬件供应商、机器人教育培训机构以及兼具机器人设备与培训的综合体三类公司。硬件供应商的主要商业模式以B2C销售机器人教具为主，如大疆、优必选、韩端科技等;机器人教育培训公司则主要通过采购硬件和配套课程，加上部分自研课程形式开展教学，目前大部分的机器人培训机构均属于这种类型;而设备和培养综合体公司则兼具机器人硬件供应和教育培训服务商角色，例如深圳西觅亚、乐博乐博等。对于教具的选择，钟柏昌等人[2]在2014年开展的一项研究表明，目前一线机器人教学中市场占有率较高的品牌主要有乐高、中鸣、纳英特和Arduino，也有紫光、诺宝萝卜圈仿真机器人和其它品牌。综合上述选型思路和企业分析，结合一线教学和开展教师省培项目实施的需求，最终采用的主要教具设备和软件如表1所示。

六、文化设计与规范管理

1.机器人文化氛围

沉浸式实训教学强调给学生提供真实的工作环境和文化氛围，要发挥文化的引导、美化、激励和约束作用，引导师生进入机器人教育实践训练的状态和氛围，提高学生对机器人教育的兴趣和职业认同。具体做法包括利用机器人教学场景、学生相片墙、荣誉奖状、课程介绍、作品展示等图形元素及作品实物展示来美化实习环境、营造氛围，通过专业元素和案例向学生传递专业文化，形成机器人教育专业素养的沉浸式培育环境，激励学生投身机器人教育与少儿编程事业。让学生在实训室中体验一线企业和学校的教学环境，感知企业文化和体验职场纪律的约束，从而最大程度上实现实训教学与顶岗工作的无缝对接。

2.实训室管理制度与规范

制度建设是实训室环境文化建设不可或缺的一部分。[9]机器人专业实训室的制度建设包括了人员安全规范、实训室管理规范、设备使用规范、设备维护规范等。在人员安全规范方面，形成实训人身安全教育制度;在实训室管理规范方面，重点形成实训室使用规范、预约制度、卫生清洁要求。设备使用规范方面，要形成设备借用签领和归还制度，让学生形成机器人主机、核心部件等贵重器械的保管责任意识;形成教具分区管理与使用制度，让学生明白教具本身不仅要符合安全标准，还要做好区域划分和独立管理，例如幼儿段与学龄段教学区域要分开，大小颗粒积木和电子原器件的管理要分开。在设备维护规范方面，强调学生的团队合作和主动参与，分组定期在课后清洁实训室卫生，对积木教具进行消毒和清洁。

3.安全规范教育与管理措施

安全规范教育与管理措施是保障机器人教学正常开展的前提和常规工作，尤其在培训机构要特别引起重视。在企业培训机构中机器人学员主要有学前的幼儿和学龄阶段的中小学学生，幼儿的特点是认识能力尚在启蒙阶段，对自我和社会认知水平低，动作协调性差，自我保护能力较弱，而中小学生则活泼好动，动手能力强，但自控能力有限，有时会出现打架情况，两种人群的安全管理风险都比较高，因此有必要通过安全规范教育提高学生的预防意识。安全规范教育与管理措施的主要工作包括设施安全、防疫工作和人身安全三个方面，要在机器人教育实训环境设计中得到体现。在设施安全方面，在实训室内提供课室布局和楼层走火通道示意图，在门口放置防火面罩和灭火器材，让学生清楚安全通道和防火逃生指引，提示学生设施和消防安全是防止伤害事故的重要措施;在用电插頭旁边贴上用电安全提示，提示学生要避免幼儿靠近;在靠近空调的墙面上贴有空气检测报告，提示学生注意课室内空气质量和安全标准（如甲醛等）要求;在防疫工作方面，在实训室门口放置免洗消毒液和红外温度探测器，提示学生理解幼儿防疫和健康管理;在实训室配有药箱，让学生了解简单的防护和医护知识。在人身安全方面，在桌角贴上软质防撞条，在实训室门缝装上防夹条，提示学生理解要避免学员摔倒、划伤、磕碰和夹伤，造成人身伤害事故。

参考文献：

[1]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.

[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]国发[2017]35号.国务院关于印发《新一代人工智能发展规划》的通知[Z].

[4]张梦妍.校企合作背景下中职工业机器人专业实训体系构建[D].贵阳：贵州师范大学，2019.

[5]赵凤申，李爱芹.高职院校工业机器人实训室建设初探[J].电气电子教学学报，2010（4）：115-116.

[6]任洪锋，叶方便等.“互联网 +”背景下的机器人智慧实训室设计[J].中国教育信息化，2018（9）：74-78.

[7]杨秀文.工业机器人应用技术实验实训室建设与研究[J].机电工程技术，2015（6）：21-23.

[8]周国烛.高等职业学院校内实训基地建设内涵的探究[J].实验技术与管理，2010（11）：367-369.

[9]邓果丽.多维度视角下的实训室环境文化建设与探索[J].教育与职业，2016（16）：112-114.

（编辑：王天鹏）