机器人教育

机器人教育研究报告

所谓的机器人教育，则通常指学习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。机器人教育走进中小学，开发机器人教育功能和教育价值，对推进素质教育，培养中小学生的信息素养和技术素养，提高中小学生的创新和实践能力，具有重要的现实意义和战略意义。“学生们通过设计、组装各种机器人，不仅加深了对电学、力学、机械原理等知识的了解，还能掌握日常生活所需要的各种技能，这将使孩子们受益终生。”教育部信息技术课程标准专家组组长李艺说。

（一）机器人教育可以培养学生信息素养和技术素养

在现代信息社会，培养学生的信息素养和技术素养已经成为国家教育改革的主流取向，而中小学的机器人教育综合了计算机、机械、电子、通讯、控制、声、光、电、磁等多个学科领域的知识和技能，学生通过查阅并学习机器人知识、亲手组装机器人、调试传感器、设计并编写程序、完成任务等活动，可以进行大量的信息活动和技术锻炼，从而有效的提高了信息素养和技术素养。

1、机器人知识的教学可以培养学生的信息素养

所谓信息素养，是指利用利用信息技术手段（如Internet，计算机等）积极主动地开展收集信息、判断信息、处理加工信息、表现信息、创造信息、合情合理地发送或传播信息能力的培养。[2]

集计算机和计算机语言、通信、网络、传感技术、自动化技术、人工智能等为一体的教育智能机器人的出现，为中小学信息科技教育提供了一个生态学习环境。从智能机器人系统的结构和功能要素看，由于智能机器人的信息获取模块、信息加工、处理模块、信息应用模块的功能与人类的感觉器官、大脑、四肢是一一对应的，以此作为中小学生全面接触、学习信息科技，理解信息科技内涵的智能化学习平台，有利于中小学生信息素养、想象力、创造力的全面提高。通过机器人知识的学习，学生需要不断的去查阅各类资料，整理并分析出有效材料，这个过程学生就掌握了更多的获取信息的手段和方法，当然也就可能了解和掌握更多的信息加工和处理的知识、方法和能力，逐渐的培养和提高学生的信息素养。

2、机器人技术的教学可以培养学生的技术素养

技术素养是指的是使用、管理、评价和理解技术的能力。[3]技术素养首先要求学生具有一定的基本技能，同时对于技术与设计的原则要有明确的思想认识；在情感上要乐意学习技术、掌握技术、从事技术活动；技术素养还表现在学生具有一定的技术创新能力和创造才能；技术素养还表现在学生能在学习、掌握技术的同时，感悟到技术的文化内涵等人文因素。

在机器人技术的教育中，学生需要将具体的活动抽象为编程的思想，再用图形化编程语言或代码程序语言在计算机上编成程序，然后通过计算机和机器人的通讯，将程序下载到机器人的微处理器，通过观察机器人的运行情况来调试、验证、反思、改进程序。并且在机器人的组装调试过程中，学生需要不断熟悉操作技术，反复动脑动手尝试，这个过程可以加深学生对技术的认识和理解，有效提高技术的设计和创造能力，从而提升了技术能力和技术素养。（二）机器人教育可以培养学生创新能力

在多数情况下，学生表现出的创新，是他们想出了解决问题的办法或策略，尽管这些方法或策略对老师来说是早已熟悉的，但对学习者本人来说却是新鲜的独特的，是有意义或具有社会价值的，这就是学生的创新。

学生通过亲手组装机器人、调试传感器、编写程序、完成任务等活动，可以使动手能力、逻辑思维能力、综合应用能力、创新能力等都得到全方位的训练和提升。机器人活动还能激发学生充分发挥想像力、创造力，有利于培养学生的开放性思维。在开展机器人活动时，所设定的机器人活动主题不但具有一定的挑战性和趣味性，而且对其问题的解决方案不限定，都是开放性的，对机器人的组装和编程也不规定统一的模式、统一的答案，可以用不同的方法达到同一个目标，完全靠学生运用自己的聪明才智去创造。同样的模块组装成不同的样式，相同的机器人采用不同的编程方式，也使得机器人有了异样的思维。

要想控制好机器人，必须要了解机器人软件工程、硬件结构、功能与应用等方面的基本知识。只有掌握了这些基本知识知识，才能发挥自己的聪明才智，构思出巧妙的机器人方案。这一过程是极其富有挑战性的，最能培养学生创新能力的过程。

机器人教育以学生为主体，在教师的引导下以任务驱动进行个性化教育，因材施教，突出培养学生的创新精神和创新能力。因此，机器人教育是培养高素质创造性人才的好素材，是开展创新教育的重要方法。

（三）机器人教育为实施素质教育提供实践平台

通过举办机器人比赛，为我国的中小学生提供了一个充分展示创造力的舞台，有利于激发青少年开发、研制高科技的兴趣与爱好。通过研究设计、制作、调试机器人,激发学生的想

象力，培养了学生的设计能力、创新能力、动手能力和跨专业的综合应用能力，为全面素质教育的开展，开辟了新路，提供了好教材。把机器人教育引入中小学，不仅有利于信息技术教育的发展；有利于探索教育改革和人才培养的新途径、新方法；有利于高素质人才的培养；同时将推动我国智能机器人知识和技术的普及；促进我国智能机器人事业的发展和专业人才的培养；促使新兴的智能机器人产业的形成。可以说，智能机器人教育为实施素质教育提供了一个可操作性的实践平台。

机器人教育作为一种新型技术类教育，承载着培养学生众多能力的使命，结合其课程的实际情况，仅凭课堂教学难以使得学生完全掌握机器人知识和技术，研究性学习恰好可以为机器人教育提供良好的教学平台，机器人教育也可以为研究性学习提供具备研究性的课题内容。学生根据教师的指导、可以自主的对机器人的局部知识和技术进行课外研究、分析，在掌握所学知识和技术的基础上，间接培养了自主研究、积极创造和通力合作精神，这也正符合了素质教育的要求和特征。

二、中小学机器人教学的目标、内容、模式与方法

随着科学技术的发展和课程改革的深入，智能机器人的教学内容将渗透到越来越多的中小学校的多门课程和课外科技活动中，成为这些课程或活动的重要组成部分。中小学智能机器人课程的主要任务是，培养学生对智能机器人的兴趣，让学生了解和掌握以智能机器人为载体的通用技术与信息技术的基本知识和技能，了解技术的发展及其应用对人类生活和科学的深刻影响。通过智能机器人课程培养学生良好的信息素养、创新精神和实践能力。教育学生正确认识和理解技术与文化、伦理和社会等问题，树立正确的技术观。

（一）教学目标

智能机器人本身是高科技发展的产物，机器人教学也应该是技术的传承和发展，中小学的机器人教学主要向学生传播机器人的基本知识、基本操作和研究兴趣，具体可以从知识、能力、情感三个维度进行阐述。知识目标为了解机器人软件工程、硬件结构、功能与应用等方

面的基本知识；能力目标为能进行机器人程序设计与编写，能拼装多种具有实用功能的机器人，能进行机器人使用维护，能有新的创意；情感目标为培养对人工智能技术的兴趣，真正认识到智能机器人对社会进步与经济发展的作用，积极参加机器人编程比赛、机器人灭火赛、机器人百科知识赛等各种课外活动。

（二）教学内容

教育机器人作为教学内容进人中小学，无论国内还是国外，目前都处于起步阶段。近年来我国的机器人教育有了很大的发展，机器人的教学目标也得到了逐渐的完善，机器人教学的内容自然也得到了不断的充实和系统化，就目前而言机器人教学内容较多以以下几个模块（见表1）形式进入中小学课堂：

表1 机器人教学内容

的内容，不仅使课外活动同时具有科学性和趣味性，而且可以培养学生的创新精神、综合实践能力和协作能力。

2、技术课程形式。把智能机器人作为信息技术课的内容之一列入中小学信息技术教育课程，这种形式正在形成期，教材的编写、课程的常规性开设正在起步。当然，这无疑会为信息技术学科带来新的活力，对目前信息技术教育重软件应用轻编程开发的局面也会有所改善。

3、研究性课程形式。机器人教育以研究性课程的形式进入中学，由于研究性学习课程越来越受到重视，也由于机器人教育的长期性、个性化，决定了如果通过研究性学习形式推广，会更有利于对学生创新能力的培养。但是，由于研究性课程的课时不足，以及班额过大决定的组织难度过大，都会影响机器人教育的整体推进。

4、竞赛形式。通过竞赛，对学生的机器人设计能力、创新能力进行拉动，以一种模范的力量推动它全面地进入课程设置。通过学校、少年宫、少科站等单位吸收机器人爱好者，组成智能机器人学习小组，以学员制进行活动，并可代表地区参加各类竞赛活动。这种形式是机器人进入中小学生视野最初、最多，也是最有效的方法。

（四）教学方法

机器人学科教学的方法很多。各种基本教学方法与综合性教学方法几乎都可用于机器人学科教学。某一方法的具体选用中，应考虑教学目标的要求、教材内容的难度、教学对象的学习基础与教学条件的差异。其中，机器人基本理论知识的教学可采用讲授法，机器人编程的教学可采用实验法、任务驱动法，机器人哲学内容的教学可采用讨论法，机器人应用内容的教学可采用参观法、演示法，机器人设计、制作的教学可采用竞赛指导法、自主探索法等。竞争是一种实验性的学习方法，学生被置于一个不可预知的环境中，不可期待能够获得他人的帮助。在竞争过程中，学生必须运用自己已经学过的知识，或者分析对手的优缺点，从对手的机器人中获得信息，改进自己的机器人的不足。激烈的竞争，可以极大地培养学生的分析问题、解决问题和应用知识的能力。

三、目前机器人教育面临的问题

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一定程度的开展，但是所存在的问题也不容忽视：

（一）教育部门的重视不够，发展方向偏移

中小学开展机器人教育竞赛的组织形式，目前大部分是由某些机器人制造商独立或联合举办，可以说机器人竞赛在一定程度上是由教育机器人企业在推动。虽然企业在初期所为此作出的贡献应当予以肯定，但是由于教育行政部门的监管力度不够，在竞赛规则、裁判确定、奖励办法等方面存在较大差异。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、教学研究机构给以充分的关注、协调与引导。

（二）资金缺乏，配套组件设施不够

机器人的价格比较昂贵，单机一般在万元以上，各种主机模块、传感器及其他配件价格也不菲，少数人组队比赛受到资金方面的压力都很大，课堂的普及难度就更不用说了。究其原因，其中一个因素就是市场炒作模糊了机器人概念。尤其是对教学机器人而言，其结构相对简单，可开发性也有局限，甚至作为智能玩具的优势显著，其造价是可以下降的。但是，由于竞争的无序和商家的短期行为共同造成了原本教育资金就很欠缺的基础教育对机器人的

采购误区，以至于不少地区建成了大量的机器人实验室，但是相关配件及设施都很差，或干脆没有，实验室的作用大打折扣。

（三）缺乏科学规划和教学设计

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。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。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。机器人教学多采用的是课外活动小组形式展开，课外活动小组毕竟是小部分人的活动，虽然这对于特长教育有着不可否认的作用。但是，课外活动的系统性、普及性和公平性都得不到保证。随着新课程的进一步实施，机器人教育走进课堂成为一种必然的发展方向。向课堂教育发展，需要包括教材建设、教法研讨等几个步骤，是一个持续发展、革新的过程。（四）竞赛活动呈现商业化、功利性

不正确的意识、不规范的行为对中小学机器人教育带来的侵蚀较为严重。有些商家通过不当竞争，人为通过竞赛规则或功能实现等办法来限制其他商家的产品，造成选手参加比赛受机型的局限性很大，而且由于竞赛的功利化思想和比赛的管理方法不成熟，造成了比赛的“表演”倾向，即学生比赛成绩要看课下的“准备”程度和机器本身的软件、硬件装备程度，这就造成了比赛的即时性和激烈程度受到影响，同时存在的“投机取巧”式的比赛准备也影响了学生创新能力的培养。

四、当前机器人教育的几点策略思考

随着教育课程改革的深入和人工智能技术的发展，在信息技术教育中加强机器人学科知识与机器人应用前景方面的教育已势在必行。但是机器人教育若希望一路走好必须及时纠正不正确的意识、不规范的行为和解决众多将会阻碍机器人教育健康发展的问题，笔者认为可以从以下几个策略中找寻机器人教育的发展前景：

（一）加强机器人教育的重视度，引导其健康发展

机器人教育作为新型学科在不断实践过程中已经受到了各界的一致好评，但是机器人教育要完全普及可能尚不具备一定条件，这就要引起我们的教育主管部门和学校的高度重视，需要教育相关部门能够在经济上和师资配置上给与一定的补给，同时需要教育相关部门和人员加大对于机器人教育尤其机器人竞赛的监管力度和机器人教学的学科研究。机器人教育可能还是需要企业和社会的大力支持，但是教育行政部门必须要严格把关，掌握机器人教育的发展方向，促使机器人教育能够朝着促进学生综合能力提高的方向健康发展。

机器人教育的深入开展，需要广大中小学校、高等院校、教学研究部门的协作研究与共同努力，需要教育行政部门的重视，需要相关企业的支持。

（二）注重机器人的研究与开发，提高其利用率

机器人的昂贵造价已经明显阻碍了机器人教育的普及，很多学校、学生迫于经济压力对机器人教育望而生畏，笔者认为要改变这一现状，让机器人教育真正走进每一所学校每一个教室，首先就要求我们的厂家转变理念，改进技术，按照机器人教育的需求生产适合机器人教育教学所需的功能独立或者单一的各式机器人设备。从机器人教学目标和教学内容中可以清楚发现，机器人教学过程中，不需要每一次都使用功能齐备的完整机器人设备，必要时可以

按照模块性能要求采用单功能的机器人设备进行教学和练习，这样既可以降低设备的采购费用，又可以消除干扰功能对教学的影响。

其次，从技术角度上看，目前各类机器人较为独立，机器人设备的采购需要按套为单位进行，但是必要时，机器人应该要可以根据零部件的要求进行重组或者更换，这需要教育机器人有更好的开放性和可扩展性，具有更强的交互性，良好的人机界面对教育机器人来说也很重要。同时，应当深入挖掘教育机器人的教育应用途径，更有效地发挥它的作用。最后，目前国内外教育机器人的品牌较多，并有不同特色。但总体而言，教学适用性强、性能价格比高的教育机器人产品仍然比较匮乏。而且教育机器人的功能有限及设计陈旧，易导致人们对其兴趣的衰减。为了避免这种僵化现象，就要求在现有的教育机器人产品的基础上，不断推陈出新，研究开发出各种新的产品。

（三）加快机器人的学科建设，促使其教学规范化

智能机器人是信息技术发展的前沿领域，是一门具有高度综合渗透性、前瞻未来性、创新实践性的学科，蕴涵着极其丰富的教育资源。要充分开发机器人的教育资源，发挥机器人教育的众多益处，机器人的学科建设迫在眉睫。现在机器人更多的是依附在信息技术或者通用技术的课程体系中，没有自己的学科体系和学科标准。机器人学科需要组织相关课程教育专家进行仔细评估和研究，制定系列课程标准和相应的统一教材和评价考核标准，减小地区间的教学差异性，保证学校教师机器人教学有标准可依，有教材可参。

目前，中国教育技术协会信息技术教育专业委员会正在策划、组织以中小学、高校、教研部门、企业为主体的“人工智能与机器人教育”协作组织，并研制相关的“课题指南”。上述工作的目的在于，一方面，在借鉴国外中小学人工智能与机器人教育理念与经验的基础上，为我国中小学开展人工智能与机器人教学提供可操作的教学与学习模式、教学评价方法，推进我国中小学人工智能与机器人教育的健康发展；另一方面，探索机器人在人工智能教育中的应用问题，更好地与基础教育课程改革相结合，充分体现课程改革理念，充分发挥机器人在培养学生创新能力方面的作用。

（四）重视竞赛规则的制定与统一，发挥竞赛的功效

学科竞赛对于机器人教育的发展有着突出的贡献，但是机器人竞赛的发展受到了商业化的侵蚀究其根本是由于机器人竞赛的规则不够统一规范。规则是竞赛的灵魂和根本，对于机器人竞赛的规则，可以从以下几个方面考虑：第一，比什么的问题。机器人竞赛比的不是学生所拥有的机器人设备的先进与否，而是比对机器人的熟悉程度，机器人知识的掌握程度，机器人程序的熟练程度，机器人操作的熟练程度。这就要求我们的竞赛规则对于比赛所有的机器人有一定的要求，保证能够定期改变比赛采用的机器人类型，而且要应该做到让竞赛规则带动机器人生产厂家的生产方向。第二，怎么比的问题。机器人竞赛比的是学生的当场技能，这就要求竞赛规则对于怎么比要有一个更加明确的说明，要保证学生都是要在比赛现场限时的完成某些指令或者操作，这样可以避免机器人比赛比“学生赛前准备”的不当现象。第三，谁来比的问题。机器人竞赛和其他竞赛一样，受到学生智力发展水平和技能掌握水平的影响，这就要求竞赛必须要有明确的分组意识。地区、年龄等的差异都将导致机器人竞赛缺乏可比性的现象。

机器人竞赛必然是继续推动机器人教育发展的有力举措，但是机器人竞赛必须要有一系列规范、统一、科学的竞赛规则来约束整个竞赛活动，这样才可以保证机器人竞赛的公平公正，才能够真正发挥以竞赛带动学科发展的理念，促进机器人教育的积极健康发展。

五、结束语

中小学机器人教育活动从原来仅限于在科技站、少年宫里进行，发展到学校，走进了课堂。智能机器人比赛、网络机器人大赛使中小学生较早地接触到科技新知识，较早接受动手动脑方面了训练。尽管机器人教育尚处于起步摸索阶段，面临很多考验和挑战，但是机器人教育的意义和功能已经逐渐被各界认可，机器人教育的的形式和载体也在不断地开拓和发展，机器人教育受科技发展的影响，其创新性、实践性、发展性非常强，对学生的技能教育、科技的社会化都具有重要的意义，会在教育内容和教育形式等方面给我们带来更多的惊喜与期待。相信我国中小学机器人教育在今后的日子里会更趋活跃，将有一个很大的飞跃，希望机器人教育这一缕素质教育的阳光能充分散发它的光芒。