福州市中小學機器人教育面臨的問題與推進建議

邱雅番 袁小春

摘要 為了了解福州市機器人教育的發(fā)展狀況，對福州市開展機器人活動的中小學教師進行問卷調(diào)查和訪談。在調(diào)查結(jié)果和相關文獻的基礎上，結(jié)合自身參與機器人教學的經(jīng)歷，闡述福州市機器人教育面臨的問題，并提出推進機器人教育發(fā)展的幾點建議。

關鍵詞 中小學；機器人教育；機器人指導教師

中圖分類號：G630文獻標識碼：B文章編號：1671-489X(2012)12-0022-03

Problems of Robot Education in Fuzhous Primary and Secondary Schools and Its Suggestions//Qiu Yafan, Yuan Xiaochun

Abstract In order to know the development of Robot Education in primary and secondary schools of Fuzhou, the author conducted a questionnaire survey and interviews towards teachers in charge of their schools robot education. On the base of findings and related literature, with the authors own robot teaching experience, it describes the problems of Fuzhou robot education, and put forward several suggestions to promote robot education development.

Key words primary and secondary school; robot education; robotics instructor

Authors address School of Education, Fujian Normal University, Fuzhou, China 350007; the Affiliated High School of Fujian Normal University, Fuzhou, China 350007

1 引言

據(jù)福州市科協(xié)統(tǒng)計，福州市在十一屆全國青少年機器人競賽中獲得的4個單項冠軍，占該項賽事全國冠軍總數(shù)（18個）的22.2%，是參加該競賽8年來獲得的歷史最好成績。在這之前，福建師大附中、鼓山中心小學等學校都曾多次走出國門，前往日本、美國參加世界級機器人競賽并屢獲佳績。雖然福州市機器人競賽在近幾年的探索與實踐中取得較大的成就，但是機器人教學研究與實踐仍然比較缺乏。筆者對福州市近30名從事機器人活動的教師進行了問卷調(diào)查和訪談，從調(diào)查結(jié)果來看，福州市機器人教育存在諸多問題。本文針對這些問題及相應建議進行闡述。

2 福州市機器人教育面臨的問題

2.1 機器人教師專業(yè)背景復雜，專業(yè)能力參差不齊

筆者針對機器人指導教師的學科背景進行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如圖1所示，大多數(shù)教師來自（小學、初高中）信息技術、（小學）科學、（高中）通用技術這3個相關性較強的學科。這些教師的專業(yè)知識與機器人教學所需的知識與能力吻合度較高。除此之外，一些數(shù)學、物理等理科教師也加入到機器人教學活動中來。除部分校外培訓機構(gòu)之外，公立校幾乎沒有專職機器人指導教師。還有一些學校表示，由于校內(nèi)缺乏師資，只能通過外聘廠家技術工程師、地區(qū)銷售協(xié)助開展相關活動。然而機器人學科是一門交叉性極強的綜合性學科，它涉及機械制造、自動控制、傳感器技術、計算機軟硬件技術等許多學科[1]。來自不同專業(yè)背景的教師在從事機器人教育時勢必遇到知識和技能上的難題，因此無論是何種教育背景出身的教師，由于機器人教育的綜合性和專業(yè)性，在從事機器人教育時都有自身的優(yōu)勢與不足。

2.2 機器人教育學習資源分散，教學研究資源匱乏

新老教師在獲取機器人相關知識和技能的途徑上存在差異。從圖2的數(shù)據(jù)中可以看出，新教師主要通過參加科協(xié)舉辦的相關培訓進行學習，學習途徑顯得比較單一、被動。而一年以上經(jīng)驗的教師，學習途徑就顯得更加多樣。除參與培訓之外，他們還主動地通過網(wǎng)站、博客、QQ群、自主研究等多渠道獲取相關信息。這說明機器人指導教師在成長初期，由于缺乏豐富的機器人教學資源、有效的信息交流平臺，只能通過為數(shù)不多的培訓活動接受學習，靠自身慢慢積累，摸索尋找到其他的學習資源與渠道，才得以逐步成長。從國內(nèi)幾大機器人相關網(wǎng)站顯示的信息來看，大部分都是關于競賽的通知、報道和技巧分析，或者愛好者的自娛自樂，而關于機器人教育、教學的討論與研究、資源的共享是極其缺乏的。

2.3 機器人教育缺乏健全的體制、經(jīng)濟規(guī)范的器材、系統(tǒng)的學科建設

從表1“機器人教育開展過程中存在的最大困境”調(diào)查結(jié)果來看，有17%的教師認為缺乏適用、經(jīng)濟的教育機器人器材是目前開展機器人教育的首要“攔路虎”。其次是缺乏高素質(zhì)的機器人指導教師，缺乏相對應的教師獎勵、評職稱機制，缺乏適合普及的教學模式。最后是缺乏相關部門和領導的支持，以及缺乏完善的教學內(nèi)容、教學目標和教學評價。

這里反映出下面一些問題。

首先，缺乏經(jīng)濟適用的機器人器材。長期以來，機器人產(chǎn)品存在價格昂貴、開放度低、種類繁多、標準不一、互不兼容的問題。由于缺乏教育機器人設計相關標準和明確的機器人教育目標，各廠家機器人“各自為政”，開發(fā)出的機器人產(chǎn)品雖各有所長，卻互不兼容。這樣不僅造成了資源的巨大浪費，而且使得教育機器人的教學適用性和性價比大大降低。

其次，缺乏健全的激勵體制。由于缺乏與之相對應的評職稱、績效政策，教師參與機器人競賽的積極性大大降低。加之缺乏豐富的學習資源和提升自身素質(zhì)的平臺，使得機器人指導教師的素質(zhì)得不到迅速的提升。同時，一些教育行政領導和校長對機器人進入中小學的意義認識不足，加之在應試教育束縛下，對開展機器人活動所需的經(jīng)費、場地不予支持，使得機器人教育無法得到有序、廣泛的開展。

最后，缺乏系統(tǒng)的學科建設。雖然我國新課程改革以來，高中通用技術課程中設立了“簡易機器人制作”的選修模塊，但從調(diào)查來看，目前在福州僅有21.48%的學校開設這個模塊[2]。因此在機器人教育實踐層面，機器人學科教學以及機器人與傳統(tǒng)學科整合的實踐力度還不夠。在機器人教育理論研究上，當前研究者大多來自人工智能、信息技術背景，教育專家隊伍比較單薄。在教材建設上，廠家說明書、課程方案以及地方校本教材因機器人產(chǎn)品不同而缺乏通用性，教學教程、實踐案例等資源也比較匱乏。

3 推進機器人教育的幾點建議

3.1 結(jié)合自身學科特點開展機器人教學，促進機器人指導教師的專業(yè)化發(fā)展

機器人指導教師專業(yè)背景復雜，在進入機器人教育時，也都存在各自的優(yōu)勢和不足，因此建議教師應發(fā)揮各自的優(yōu)勢，正視自身的差距，結(jié)合自身的學科特色進行機器人課程開發(fā)與設計。將機器人教育以競賽為主導的形式轉(zhuǎn)向以機器人學科教學以及與傳統(tǒng)學科相互滲透的研究和實踐上來，以此改變機器人教育“少眾化”的局面，從而促進機器人指導教師的專業(yè)化成長。

例如，數(shù)學教師可以在樂高教育平臺上設計出自動測距、計時、測速機器人等課程，使學生通過做中學，掌握并應用圓的周長、路程、速度等數(shù)學知識；通用技術教師可以在教育部——樂高“技術創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃”項目提供的教學資源基礎上，進行大膽嘗試，不斷豐富和創(chuàng)新機器人在通用技術教育中的應用。物理教師也可以利用機器人的各種傳感器進行教具設計、實驗模擬等。

3.2 虛實結(jié)合開展機器人教學，促進機器人教育多元化發(fā)展

目前，由于機器人器材開發(fā)成本高、難度大等原因，高昂的價格很難使機器人教育普及。因此，虛擬機器人在中小學中的應用成為一種新的教學活動方式。虛擬機器人克服了實體機器人數(shù)量少，維護管理費用大的不足，提高設備的可用性、靈活性；同時虛擬機器人系統(tǒng)中融入環(huán)境編輯工具和機器人部件創(chuàng)建工具，極大地拓展了用戶的創(chuàng)作空間和自由度[3]。

例如在中小學比較常見的樂高機器人，就擁有兩款不錯的虛擬平臺：二維搭建軟件LEGO Digital Designer（http://ldd.lego.com）、三維搭建軟件SR 3D Builder（http://sr3dbuilder.altervista.org/）。LEGO Digital Designer能夠進行仿真搭建、自動繪圖，具有不受時間、空間限制輔助作品設計、保留有價值的作品、為編寫教材提供工具等應用功能[4]。三維SR 3D Builder功能就更加強大，可以演示齒輪、曲柄、連桿結(jié)構(gòu)的動態(tài)過程，對于復雜的結(jié)構(gòu)還可以通過調(diào)節(jié)透明度突出相互帶動的零件，直觀、方便地進行結(jié)構(gòu)原理的講解。還有其他一些虛擬平臺可以開展虛擬機器人足球賽、虛擬機器人迷宮賽、程序的仿真演示等教學活動，如Webots（http://www.cyberbotics.com）、Simbad（http://simbad.sourcefore.net）、TeamBots（http://www.teambots.org/）、VJC仿真版（http://www.xpartner.cn/）等。當然要正確認識虛擬機器人與實體機器人的關系，虛擬機器人不能完全代替實體機器人，建議廣大教師、專家開發(fā)以實體機器人為主、虛擬機器人為輔的機器人課程體系，促進機器人教育的多元化發(fā)展。

3.3 政府、高校、廠家、中小學多方結(jié)合，促進機器人教育全面發(fā)展

政府在政策、資金、場地、教師獎勵機制上提供大力支持，多組織以開展機器人輔助教學、機器人學科教學為主題的培訓活動和研討會，從而提高教師參與機器人教育的積極性，吸引更多的教師加入到機器人教育領域中，在交流和學習中促進機器人指導教師的健康成長。高校專家引領，形成研究團隊，在機器人教學模式、教學內(nèi)容、教學目標、教學評價等教學體系方面提供理論與實踐指導，加強機器人教育的學科化發(fā)展，同時師范院校加強專業(yè)機器人教師培養(yǎng)，為中小學輸送師資。廠家技術指導，設計開發(fā)出符合中小學開展機器人教學活動要求的產(chǎn)品，提供機器人操作培訓。學校開展教學，根據(jù)學校現(xiàn)有條件、根據(jù)教師隊伍特色，開設校本特色的機器人課程。四方共同努力合作，政府提倡、專家引領、廠家支持、學校主辦，建立起一個基礎性的教與學信息平臺，以便在此基礎上通過各種方式強化師師間、校企間的交流，相信機器人教育可以獲得更美好的明天。

參考文獻

[1]Niku S B.機器人學導論:分析系統(tǒng)及應用[M].孫富春,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[2]林小琴,徐希景.新課程背景下通用技術課程實施現(xiàn)狀調(diào)查研究:以福州市五所高中為例[J].基礎教育,2011(4):44-50.

[3]張國民.虛擬機器人在中學教育中的應用研究[D].杭州:浙江師范大學,2009.

[4]劉全良.基于LEGO的工程創(chuàng)新設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.