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中小学机器人教育的应用研究
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。
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。目前机器人教育已经进入了普通中小学的课堂中，成为了一些学校的必修课程。走过了十余年的光景，机器人教育正乘着国家教育信息化的方舟，乘风破浪而来。然而在光鲜背后总隐藏着不为人知的困境。机器人产品高昂的价格使很多学校望而却步；师资的匮乏，使该领域欠缺系统的教育研究；教学活动随意性很强……这些都在阻碍着机器人教育的发展。
一、机器人教育可以培养学生信息素养和技术素养
（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
模  块
主  题
具体内容
模块一
机器人概况
机器人概念、机器人原理、机器人历史、机器人与人、机器人与社会等内容。
模块二
机器人编程
学会使用Java、Visual C++/C、VBasic、QBasic、MSWLOGO、PROLOG等编程语言及编程平台的使用，学会数据库程序的编写，能面向问题、面向代理进行编程设计，能开发出实用机器人程序。
模块三
机器人硬件
了解机器人的硬件结构体系，重点了解其机械结构、驱动系统、控制系统、感觉系统、通讯系统的原理与结构，学会机器人的模块化组装、控制与维护方法。
模块四
机器人应用
了解机器人的功能、应用领域、应用方法与效能，了解机器人以及其他智能电器的操作、使用与维护方法。能在各种机器人知识与能力竞赛中，创造性地综合运用所学知识。
（三）教学模式
教学模式是在一定的教学思维或教学理论指导下建立起来的，较为稳定的教学活动框架和活动程序。它应能较好的体现课堂教学的全部信息，诸如教学思想、教学方法、教学过程、师生关系等，具有牵一发而动全身的作用。只有在机器人教学中以新的教学思想和教学理论为指导，研发机器人教学中教与学的新策略和新模式，才能充分发挥学生的潜在能力，达到教育目标。
目前机器人学科教学的模式主要有两种。一是专门课程模式，该模式有如下特点：第一，在学校教学计划与课程安排中有“机器人”方面的专门课程，如“机器人编程”、“机器人应用”、“机器人概论”、“机器人学”等。第二，配有专业教师。第三，每周按课表开展一系列的有关机器人的课堂教与学活动。第四，有课程评估考核要求。二是学科整合模式，该模式是指将机器人教学内容整合到其他课程的教学中，以其他课程的形式开展机器人学科教学。机器人教学的常见 形式：
1、课外活动形式。传统的学校教育是对科学达到概念性理解的主要渠道，但课外的非正式教育即课外活动对于科学知识的学习也有相当大的影响。课外活动不受教学计划、教学大纲和教育形式的限制，活动的范围比较广泛，内容也很丰富。机器人教育作为学校课外活动的内容，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
2003年4月，《普通高中技术课程标准（实验）》在“信息技术”科目中设立了“人工智能初步”选修模块，同时针对人工智能重要应用领域中的机器人问题，明确指出将“简易机器人制作”列为选修模块。新的高中课程标准迈出了我国高中阶段开展人工智能教育的第一步，也意味着我国的机器人教育在大众化、普及化层面上进入到一个崭新的阶段。但机器人教育还有很多内容需要研究，以下是我国中小学机器人教育发展中的一些重要问题。
1.中小学机器人竞赛
机器人教育在过去十余年的发展中存在着一些普遍现象，学校、区域在开展机器人教育的过程中，追求硬件的普及，以竞赛为核心，以点带面来发展机器人教育。从各地的情况来看，较多的学校只是以课外活动、兴趣小组、培训班的形式开展机器人教学。通常的做法是由学校购买若干套机器人器材，由信息技术教师或综合实践教师进行指导，组织学生进行机器人组装、编程的实践活动，然后参加相关机器人竞赛。我国机器人竞赛对机器人教育的发展功不可没，短短七八年的时间，我国机器人代表队从最初参加国际级赛事的默默无闻到现在屡次在国际赛事中夺冠，这些对我国的机器人教育的普及、发展产生了重要的作用。
2.中小学机器人教学研究
机器人教育兴盛发展的同时，机器人教学的状况却明显滞后。目前，只有极少数地区和学校将机器人教学纳入了正规的课堂教学。如2005年，哈尔滨市正式将机器人引入课堂教学，在哈尔滨的41所学校开设了“人工智能与机器人”课程，用必修课的形式对中小学生进行机器人科学方面的教育。为论证上述结论，作者通过对国内相关文献的定量分析来加以说明，以“机器人教育”、“机器人教学”、“机器人比赛”为关键词和索引，在“中国期刊全文数据库”的“关键词”范围内进行检索，检索时间从2000年到2011年9月18日。结果显示，有关机器人教育158篇，机器人教学155篇，机器人比赛867篇；其中2010到2011年9月18日期间，有关机器人教育45篇，机器人教学44篇，机器人比赛131篇。通过数据对比，我们可以发现国内研究人员从不同的角度对机器人教育进行了研究，但是各个研究内容的投入精力明显不对称。对机器人教育、教学研究的相关文章偏少，研究者把较多的注意力关注在机器人竞赛上，对机器人教育理念研究的缺乏，导致了机器人教学从本质上无法深入学校课堂。
因此，在机器人竞赛带动机器人教育热潮后，不应止步不前，而应有更高的着眼点，将机器人教育融入学校教育中，开展机器人与其他学科教学的整合，深入挖掘机器人教育背后的价值，使其真正实现培养学生创新能力的目标。
四、促进机器人教育发展的策略
面对以上问题，应采取积极的解决措施，克服困难，促进机器人教育又好又快地发展。
1.加强机器人教学与竞赛的结合，开展不同形式的竞赛
机器人教育在中小学阶段的教学目标为：了解智能机器人的概念和工作方式，为进一步学习机器人的有关知识和技能打下基础；使学生了解和掌握智能机器人一般用到的传感器和驱动装置，理解并体会程序是智能机器人的灵魂，了解机器人是怎样在人类的指挥下动作和工作的；通过为机器人编写程序学到科学而高效的思维方式，提高学生的逻辑思维能力、规划能力，提高学生分析问题和解决问题的能力；通过组装机器人的过程，培养学生的动手能力、协作能力和创造能力。而机器人竞赛可以展现学生这些能力，它要求学生在明确的目标和规则下完成指定的系统分析、设计任务与功能实现。以FLL(FIRST LEGO League)世界锦标赛为例，FLL的每个参赛队在每年的工程挑战赛主题公布之后，有八个星期的时间做准备工作，包括分析竞赛题目、设计解决方案、用乐高的配件搭建智能机器人模型、编写程序、反复调试、优化程序和机器人结构，使机器人能够完成挑战赛的任务。参赛学生通过参与机器人竞赛学到机器人相关知识，锻炼了解决困难、克服障碍的能力。
但是，目前国内的机器人竞赛形式过于单一，只有部分经济实力强的学校参与。为切实加强中小学生对科学技术的热爱，促进机器人教学，应构建一个真正体现学生能力和水平的比赛环境和社会环境，加强学校、学生、家长间的交流，更为广泛地开展校际、社区、地区之间的比赛；研制低价实用、兼容性强、开放性好的机器人教育产品，降低参赛门槛；设立更多体现学生创新能力的、有教育意义的项目；进行多元评价，设立更为务实的奖励机制。明确比赛不是目的，而是为了普及与提高，通过不同形式的竞赛促进学生动手能力和创新能力的培养。
2.挖掘机器人教育价值，向课堂化教学发展
目前，机器人教育主要采用课外活动、主题夏令营等形式，课外活动小组仅有小部分人参加，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。机器人教育中课外活动小组的引导作用是非常重要的，但机器人教育不向学科课程发展，其教育理论、教育方法的发展缓慢，都造成其很难普及和推广。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。这就需要探索、研究机器人学科教学、机器人辅助教学、机器人管理教学、机器人代理（师生）事务和机器人主持教学。
少数学校积极探索机器人教育价值，从最初的以竞赛为中心转移到校本课程开发，现在将智能机器人教学纳入到中小学信息技术课程中，并开发了初中信息技术教材《智能机器人》，在中小学劳动技术课、信息技术课中开展智能机器人教育，利用校外科技活动，校内科技活动小组的方式来进行推动。通过几年的教学实践，培养了一批具有创新意识、创新精神和创新能力的学生，并为他们的终身发展奠定了坚实基础。
3.加强校本课程开发，探索机器人课堂教学
要加强校本课程开发，遵循学生的年龄特点，因材施教，使中小学机器人教育教学成为青少年能力、素质培养的智能平台。智能机器人教学内容可以借鉴北京景山学校的做法。
（1）在小学阶段，学生注意新鲜、感兴趣的事物，对周围世界有强烈的好奇心和探索欲望，喜欢操作具体形象的物体。此阶段主要使学生了解智能机器人的基本结构和工作方式。教学内容为：搜集机器人图片、展示机器人的发展状况，学习为一种智能机器人下载程序的方法。用现成的程序开展智能机器人的游戏和比赛项目。智能机器人教学安排在四年级较合适。
（2）在初中阶段，学生的抽象逻辑思维占主导地位，但有时思维中的具体形象成分还起作用。此阶段主要使学生通过学习为智能机器人编写程序，进一步理解程序是智能机器人的灵魂，了解机器人是怎样在人的指挥下工作的。教学内容为：学习为一种智能机器人编写程序，用自己编写的程序完成实验和比赛项目。该阶段的智能机器人教学安排在八年级较合适。
（3）在高中阶段，学生思维能力基本成熟，抽象思维占主要地位，学习动机强烈。因此，可以在高一的信息技术课中增加智能机器人的教学内容，用机器人的程序设计替代现行的QBASIC程序设计内容，增加机器人组装、扩展接口的实验内容，了解电子技术和自动控制技术的相关知识。高二开设智能机器人选修课，组织智能机器人课外科技小组，参加各种机器人大赛。

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。
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年12月总第239期.
［2］［3］ 徐晓东.信息技术教育的理论与方法［M］.北京：高等教育出版社，2004.
［4］ 李义. 信息技术课程与教学[M]. 北京：高等教育出版社，2005.
［5］ 徐爱萍.让智能机器人走进中小学［J］.机器人技术与应用, 2004(1).
［6］ 郭善渡.大力推进智能机器人进入中小学的进程[EB/OL].
［7］ 何智，胡又农.中小学生机器人竞赛的教育价值述评［J］.中国教育技术装备,  2006，1.
［8］彭绍东.论机器人教育［J］.电化教育研究, 2002年第6期.
［9］ 李春华，崔世钢，郑桐，都立果.发展机器人教育培养综合型创新人才的研究与实践［J］.天津工程师范学院学报, 2005年12月第4期第十五卷.
［10］ 姚艳秋等.中学机器人教学的一些认识与实践［J］.吉林省教育学院学报, 2005年第2期.
［11］ 万佑红，蒋国平.机器人教育与大学生创新能力培养的探索［J］.电气电子教学学报, 2005年第4期.
［12］ 彭绍东.第六次人类教育革命的预测和猜想［J］.教育技术研究, 2000，(3).
［13］ 彭绍东.信息技术教育学［M］.长沙：湖南师范大学出版社，2002.
［14］ 谢琪.信息技术教学法［M］.杭州：浙江科学技术出版社，2007.