機器智能視域下的機器人教育發(fā)展現(xiàn)狀、實踐、反思與展望*

吳永和 李彤彤

(華東師范大學(xué) 教育學(xué)部 教育信息技術(shù)學(xué)系，上海 200062)

在國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》[1]中明確指出，要在中小學(xué)階段開展與人工智能相關(guān)的課程建設(shè)，推廣編程教育的發(fā)展。同時支持開展人工智能競賽，鼓勵進行形式多樣的人工智能科普創(chuàng)作。在《2018年度國家自然科學(xué)基金項目指南》[2]中，信息科學(xué)部設(shè)立“人工智能代碼F06”，強調(diào)圍繞人工智能領(lǐng)域的核心科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù)進行研究。在交叉學(xué)科中的信息科學(xué)（F07）增設(shè)了“F0701教育信息科學(xué)與技術(shù)”二級代碼，鼓勵人工智能驅(qū)動教育的基礎(chǔ)理論與方法、教育機器人等的理論與方法研究，還增設(shè)了“F070106教育機器人”三級代碼。另外，國家自然科學(xué)基金委與深圳市政府合作，聯(lián)合資助了“NSFC—深圳機器人基礎(chǔ)研究中心項目”，共同推動機器人科技創(chuàng)新發(fā)展。近日，教育部印發(fā)的《教育信息化2.0行動計劃》[3]也明確提出，要以人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)為基礎(chǔ)推動教育的模式變革與生態(tài)重構(gòu)。這一系列舉措足見國家和社會對人工智能與教育機器人的重視。

從國際領(lǐng)域?qū)徱暎c人工智能相關(guān)的機器智能日益受到重視，美國繼2016年發(fā)布了兩個國家級人工智能發(fā)展戰(zhàn)略報告之后，又在2018年3月1日發(fā)布了《美國機器智能國家戰(zhàn)略》[4]（下文簡稱《戰(zhàn)略》）。英國、日本、韓國、新加坡、加拿大等國近幾年也發(fā)布了各自的人工智能國家戰(zhàn)略?！稇?zhàn)略》提到，機器智能可被融入課堂教學(xué)，以輔助教師的教學(xué)活動，為學(xué)生提供個性化的學(xué)習(xí)體驗，滿足學(xué)生的個體需求，并且能夠有效提升教師的教學(xué)效率與學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗[5]。《戰(zhàn)略》所指的機器智能，包括智能伙伴、機器人、智能系統(tǒng)等，其對教育具有潛在的影響力，應(yīng)用日益廣泛。因此，從機器智能視角來探討機器人教育，符合時代的發(fā)展與教育的需求，具有重要的現(xiàn)實意義。

那么，機器人教育是如何發(fā)展起來的？現(xiàn)狀如何？其教學(xué)實踐如何開展？本文將從機器智能的視角切入，來分析機器人教育的背景、研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，并通過具體教學(xué)案例設(shè)計為機器人教育的教學(xué)實踐提供參考，最后對機器人教育的發(fā)展做反思與展望。

一、機器人教育的背景

（一）機器人的發(fā)展

提起機器人，我們馬上就會聯(lián)想到科幻小說和電影中的機器人。近一個世紀(jì)以來，機器人在娛樂和虛構(gòu)的世界中有著重要的地位，甚至“機器人”這個詞本身就來自一部科幻作品——1920年，前捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克的科幻小說中第一次出現(xiàn)“機器人（Robot）”這個詞，它被用于指代人類創(chuàng)造的用來代替人工的物體。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)、機械制造、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人已經(jīng)從一個虛擬的名詞發(fā)展成一項蓬勃的產(chǎn)業(yè)，并從工業(yè)領(lǐng)域向醫(yī)療救援、教育、娛樂、勘測、探險、救援等領(lǐng)域迅速擴展，如圖1所示。

圖1 機器人的發(fā)展歷程

從機器人的發(fā)展歷程看，最先成熟并且得到最大規(guī)模應(yīng)用的是工業(yè)機器人。1959年，世界上第一臺工業(yè)機器人在美國出現(xiàn)，機器人的歷史由此開始。工業(yè)機器人的功能比較單一，基本是為了完成一項簡單重復(fù)的工作。工業(yè)機器人誕生后，機器人迅速進入產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，并且在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。上世紀(jì)末，隨著傳感器、人工智能等技術(shù)的進步，具有人性化交互能力的服務(wù)機器人逐步進入市場，出現(xiàn)在社會公共場合和部分家庭中。早期機器人技術(shù)的研究和發(fā)展主要以工業(yè)機器人為主，現(xiàn)代機器人技術(shù)則以服務(wù)型機器人為主，并且逐漸走向智能化。

隨著機器人技術(shù)的普及，機器人的教育價值也日益受到關(guān)注，教育機器人應(yīng)運而生。教育機器人是面向教育領(lǐng)域?qū)ｉT研發(fā)的，以培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、創(chuàng)造能力和實踐能力為目標(biāo)的機器人[6]，它具有教學(xué)適用性、交互性、開放性、可擴展性等特點[7]。教育機器人的出現(xiàn)為機器人教育提供了載體。近年來，隨著人工智能技術(shù)的進步，機器人的發(fā)展逐步走向智能化、人性化的特點也越來越顯著。智能化和人性化的機器人產(chǎn)品將更加適合未來的教育教學(xué)環(huán)境。

（二）創(chuàng)客教育的推動

創(chuàng)客是指那些通過動手實踐將自己的創(chuàng)意變成現(xiàn)實的人。當(dāng)創(chuàng)客與教育碰撞，“創(chuàng)客教育”應(yīng)運而生。2012年，美國政府開始啟動“創(chuàng)客教育計劃”（Maker Education Initiative），旨在培養(yǎng)學(xué)生成為創(chuàng)客。

中國的創(chuàng)客教育是從近幾年開始發(fā)展的。2015年的《政府工作報告》中明確提出，要讓“眾多‘創(chuàng)客’脫穎而出”。李克強總理在考察深圳柴火創(chuàng)客空間時，也指出要“讓眾多‘創(chuàng)客’自由創(chuàng)業(yè)、能夠成業(yè)”。創(chuàng)客教育是創(chuàng)客運動與教育的結(jié)合，學(xué)生可以利用自己充滿想象力的大腦來親自創(chuàng)造某種實際的事物，而不僅僅是依賴于純粹的學(xué)科知識學(xué)習(xí)，還可以利用自己的發(fā)明解決現(xiàn)實中的問題。

創(chuàng)客教育的熱潮，為機器人教育的發(fā)展提供了條件。有了創(chuàng)客教育，社會和學(xué)校、教師和家長能夠充分認(rèn)識并接受機器人教育，機器人教育也逐漸成為了社會各界關(guān)注的重點。所謂機器人教育是指以機器人為教學(xué)內(nèi)容或教學(xué)工具而開展的教學(xué)活動，它涉及信息技術(shù)、數(shù)學(xué)、物理、電子、機械、通信、自動化技術(shù)、心理學(xué)和生物學(xué)等多個領(lǐng)域，學(xué)生在學(xué)習(xí)機器人基本知識、掌握編程技能的基礎(chǔ)上，可將知識聯(lián)系到真實生活，從而培養(yǎng)自身的創(chuàng)新素養(yǎng)、實踐技能、思維與方法等。

（三）STEAM教育的需求

STEAM 是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Art）、數(shù)學(xué)（Mathematics）的綜合，由上世紀(jì)80年代美國的“STEM教育戰(zhàn)略”衍生而來，目的是為了打破學(xué)科邊界，培養(yǎng)學(xué)生的綜合科學(xué)素養(yǎng)[8]。2011年，在“STEM”的基礎(chǔ)上增加了“A（Arts）”，這里的“Arts”不僅指藝術(shù)，其涵蓋范圍可以擴大至包含人文教育在內(nèi)的更廣闊的領(lǐng)域。

STEAM教育對促進教育教學(xué)改革具有重要意義[9]，其本質(zhì)是跨學(xué)科的綜合素質(zhì)教育，它有三個主要特點：第一，注重跨學(xué)科融合；第二，注重學(xué)習(xí)與現(xiàn)實世界的聯(lián)系；第三，注重學(xué)習(xí)的過程，而非體現(xiàn)在試卷上的知識結(jié)果。STEAM教育提倡讓學(xué)生們自己動手，從實踐過程中學(xué)習(xí)跨學(xué)科知識。

機器人教育融合了物理、化學(xué)、生物、藝術(shù)、工程等多學(xué)科知識，符合STEAM教育跨學(xué)科的教育理念。同時，STEAM教育提倡的項目式學(xué)習(xí)方法，在機器人教育中也可以得到很好地應(yīng)用。

二、機器人教育的研究現(xiàn)狀

早期機器人教育以機器人競賽為主要形式，通過競賽激發(fā)學(xué)生的科技創(chuàng)新意識，培養(yǎng)實踐能力、創(chuàng)新能力和設(shè)計思維等。近幾年，機器人教育已經(jīng)逐漸進入學(xué)校教育中。國外關(guān)于機器人教育的研究開展較早，尤其是美國、英國、日本等國家。最早的教育機器人，來自于上世紀(jì)60年代麻省理工學(xué)院Papert教授創(chuàng)辦的人工智能實驗室。機器人教育的相關(guān)研究源自大學(xué)，部分高校先開設(shè)了機器人課程，之后在中小學(xué)也開始了機器人相關(guān)的教學(xué)活動。

我國關(guān)于機器人教育的研究自上世紀(jì)70-80年始，在本世紀(jì)初得到加速發(fā)展。彭紹東于2002年首次提出并論述了機器人教育的定義與五種類型——機器人學(xué)科教學(xué)、機器人輔助教學(xué)、機器人管理教學(xué)、機器人主持教學(xué)和機器人代理師生事務(wù)[10]，這對我國機器人教育的研究具有指導(dǎo)意義。張劍平和王益在闡述教育機器人概念和角色定位的基礎(chǔ)上，分析了機器人教育的現(xiàn)狀和面臨的問題，并提出了推進機器人教育的若干設(shè)想[11]。黃榮懷等提出了教育機器人研究關(guān)注的七個研究方向，探討了十二類教育機器人產(chǎn)品、應(yīng)用情境和三大關(guān)鍵技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上提出了教育機器人的十大核心觀點[12]。

我們以“機器人教育”為主題在“中國知網(wǎng)”上進行檢索，統(tǒng)計2000年至今的文獻，其學(xué)科分布情況如圖2所示。由圖2可以看出，目前，國內(nèi)關(guān)于機器人教育的研究，主要集中在教育領(lǐng)域（初等、中等、高等教育以及職業(yè)教育、成人教育與特殊教育）和自動化技術(shù)領(lǐng)域。通過進一步統(tǒng)計其中200多篇相關(guān)度較高文獻中的關(guān)鍵詞，并利用Word Cloud Generator制作出與“機器人教育”相關(guān)研究的關(guān)鍵詞詞云圖，如圖3所示。Word Cloud Generator是一款根據(jù)出現(xiàn)的詞頻數(shù)量，突出顯示文本中的重點內(nèi)容的詞云圖生成器。詞頻越大，顯示的字號就越大。從詞云圖中可以看出，目前，機器人教育的相關(guān)研究主要集中在目的、技術(shù)與方法三個層面。

圖2 “機器人教育”中文文獻學(xué)科分布情況圖

圖3 “機器人教育”關(guān)鍵詞詞云圖

（一）機器人教育的目的與意義

1.對教育創(chuàng)新的推進

機器人教育對教育創(chuàng)新的推進包括創(chuàng)客教育、STEAM教育、素質(zhì)教育、STS教育（科學(xué)、技術(shù)、社會）和教學(xué)改革。Chris Rogers認(rèn)為，機器人教育能夠?qū)ⅰ癊ngineering”帶進基礎(chǔ)教育中，培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)，推動基礎(chǔ)教育改革[13]。

2.對教學(xué)模式和策略的改進

機器人教育對教學(xué)模式和策略的改進，包括教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)模型、教學(xué)策略、教學(xué)設(shè)計、課程開發(fā)等。王雪雁等認(rèn)為，教學(xué)形式的多元體驗是機器人教育的重點，而將體驗教學(xué)法融入機器人教育中進行研究，也在一定程度上促成其他科目在教學(xué)改革中形成較有前景的發(fā)展方向[14]。

3.對學(xué)生綜合素養(yǎng)的提升

機器人教育對學(xué)生綜合素養(yǎng)的提升，包括創(chuàng)新精神、實踐能力、科學(xué)素養(yǎng)以及綜合能力。D Alimisis在調(diào)研了目前教育機器人領(lǐng)域現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對當(dāng)前教育機器人領(lǐng)域熱點問題發(fā)表了自己的看法，他肯定了機器人在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力和“21世紀(jì)技能”方面的重要作用[15]。

（二）教育機器人的技術(shù)開發(fā)與創(chuàng)新

教育機器人是機器人教育發(fā)展的重要載體，人工智能、語音識別和仿生技術(shù)等是發(fā)展教育機器人的關(guān)鍵技術(shù)，對機器人教育的發(fā)展也有著重要的推動作用。國內(nèi)外很多專家致力于教育機器人的研發(fā)工作，Thomas Hsiu等人介紹了教育機器人Trikebot的底盤和機構(gòu)、通信架構(gòu)、學(xué)生編程環(huán)境等設(shè)計特色和控制機制；Trikebot是專門為中學(xué)教育研發(fā)的一款教育機器人，由Thomas Hsiu團隊設(shè)計并投入教學(xué)應(yīng)用[16]；干國勝設(shè)計并開發(fā)了Robot-Ⅲ型教育機器人，并且進行了教學(xué)實踐[17]；葛艷紅研究了定位與導(dǎo)航、感知與交互等教育機器人關(guān)鍵技術(shù)，并開發(fā)設(shè)計了符合高校學(xué)生特點的物聯(lián)網(wǎng)教育機器人和實驗平臺[18]；張國民對適用于不同階段的教育機器人產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了分析探究，對未來教育機器人產(chǎn)品的開發(fā)提供了參考價值[19]。

（三）機器人教育的教學(xué)設(shè)計與方法

機器人在教育教學(xué)中的實踐應(yīng)用，是機器人教育應(yīng)用與發(fā)展的關(guān)鍵。LOGO編程語言的發(fā)明者Seymour Papert是較早研究如何將機器人應(yīng)用于課堂教學(xué)的學(xué)者之一，他試圖用機器人為學(xué)生創(chuàng)設(shè)空間與機會去建構(gòu)他們自己的知識體系，使學(xué)生獲得駕馭技術(shù)的能力[20]。A Druin在他的書中介紹了應(yīng)用于早教領(lǐng)域的各種機器人，包括積木機器人、寵物機器人等；同時，介紹了機器人應(yīng)用于教育的創(chuàng)新方法及應(yīng)用前景[21]。Rogers和Postmore介紹了如何使用樂高機器人，教授小學(xué)生數(shù)學(xué)、工程、閱讀和寫作以及科學(xué)探索[22]。

國內(nèi)也有很多研究對機器人教育的教學(xué)設(shè)計進行了探討。李鳴華對教學(xué)設(shè)計中的學(xué)習(xí)需要分析、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)策略、教學(xué)評價等具體要素展開了論述[23]。衷克定等人運用“主導(dǎo)—主體”教學(xué)模式進行機器人教學(xué)設(shè)計，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力[24]。在這個模式中，教師是觀察者和咨詢者，而學(xué)生是設(shè)計者和實踐者，這充分發(fā)揮了學(xué)生的主體性。王小根等人基于任務(wù)驅(qū)動法進行校本課程開發(fā)設(shè)計[25]，以“滅火”為主題為例設(shè)計了三個任務(wù)，將知識的習(xí)得與能力的培養(yǎng)蘊藏在各個任務(wù)中，使學(xué)生通過自主探索與小組協(xié)作自主進行意義建構(gòu)。

三、機器人教育的應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）教育機器人產(chǎn)品

在機器人教育活動和相關(guān)研究積極開展的同時，市場上教育機器人產(chǎn)品也越來越多。國內(nèi)外出現(xiàn)了不少優(yōu)秀的教育機器人產(chǎn)品，如：丹麥的樂高機器人（LEGO）、德國的慧魚（FISCHER）、韓國的ROBOROBO、美國的RB5X機器人以及中國的能力風(fēng)暴機器人，具體如表1所示。

表1 教育機器人產(chǎn)品介紹

雖然現(xiàn)在教育機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，可供選擇的教育機器人產(chǎn)品也很多，但這些機器人產(chǎn)品也存在著一些問題：（1）機器人構(gòu)造復(fù)雜：有的機器人產(chǎn)品多達幾百個零件，學(xué)生需要花費幾個小時進行拼接和搭建，不僅效率低下，而且對學(xué)生的空間思維能力要求較高；（2）產(chǎn)品設(shè)計開放性較低：大部分機器人產(chǎn)品都只能按照說明手冊搭建成固定的幾種形態(tài)，不利于學(xué)生發(fā)散思維進行創(chuàng)新；（3）與學(xué)科知識聯(lián)系不緊密：教育機器人產(chǎn)品在設(shè)計時大多只考慮到機械結(jié)構(gòu)方面的知識，很少與其他學(xué)科知識相聯(lián)系，其實機器人可以與很多學(xué)科知識相結(jié)合，包括物理、生物、化學(xué)，甚至是歷史、地理、美術(shù)等人文學(xué)科。

為此，我們建議教育機器人的設(shè)計應(yīng)該基于學(xué)科基礎(chǔ)課程，體現(xiàn)多學(xué)科融合和多元智能交織的特點，貼近學(xué)生的生活與認(rèn)知水平，并具有一定的開放性和創(chuàng)新性。

（二）機器人教育教材

我國的機器人教育仍處于起步階段，機器人教材作為機器人教育的組成部分，與機器人教育的發(fā)展息息相關(guān)[26]。目前，市面上有很多不同種類的機器人教材（見表2），這些機器人教材在內(nèi)容設(shè)置上，大部分都是圍繞了解機器人概況、熟悉機器人硬件、掌握機器人編程、應(yīng)用機器人項目這四個模塊進行設(shè)計的。

從這些機器人教材中我們不難看出，目前機器人教材應(yīng)該至少具備以下幾個特點：（1）因材施教：針對不同年齡段的學(xué)習(xí)對象，開發(fā)不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)活動，符合學(xué)習(xí)者的認(rèn)知水平；（2）圖文并茂：圖片與文字穿插，幫助學(xué)習(xí)者理解搭建過程與機械結(jié)構(gòu)；（3）開放創(chuàng)新：鼓勵學(xué)生根據(jù)自己的想法進行全新的搭建，做出屬于自己的機器人，而不是一味地根據(jù)已有的模型進行搭建。

表2 國內(nèi)中小學(xué)機器人教育教材（部分）

作為機器人教育的重要載體，機器人教材不僅需要培養(yǎng)學(xué)生的搭建技能和操作技能，更要利用生活中的真實問題，設(shè)計多元化的學(xué)習(xí)活動和任務(wù)，鼓勵學(xué)生進行研究性學(xué)習(xí)，進而促進學(xué)生的生涯發(fā)展，構(gòu)建“深度學(xué)習(xí)—研究體驗—生涯發(fā)展”的科創(chuàng)教育體系。同時，機器人教材的設(shè)計也應(yīng)該貫徹“深度學(xué)習(xí)—研究體驗—生涯發(fā)展”的教育理念，實現(xiàn)以下三個維度的發(fā)展：（1）深度學(xué)習(xí)∶培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)（主動學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)的能力），培養(yǎng)學(xué)生的高級思維，促進學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生的批評性思維、創(chuàng)新思維、問題解決能力與方法；（2）研究體驗∶培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范化科研和工程實踐。以基于項目的學(xué)習(xí)（Project-based Learning）、基于問題的學(xué)習(xí)（Problem-based Learning）、基于探究的學(xué)習(xí)（Inquirybased Learning）來設(shè)計學(xué)習(xí)活動，重點培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力；（3）生涯發(fā)展∶提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注未來，規(guī)劃生涯發(fā)展。

（三）機器人競賽

培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才，是當(dāng)前各類教育的首要目標(biāo)。機器人競賽作為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的有效載體，是機器人和教育聯(lián)結(jié)的重要紐帶。參與機器人競賽不僅可以激發(fā)學(xué)生的興趣，增強學(xué)生的動手能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。目前，主流的機器人競賽主要有三類：機器人足球競賽、機器人滅火競賽和機器人綜合競賽，如表3所示。

表3 國際主流的機器人競賽

機器人比賽自上世紀(jì)末興起后，在較短時間內(nèi)經(jīng)歷了從無到有、從簡單到復(fù)雜、從單一到綜合的發(fā)展過程。近幾年來，比賽規(guī)模不斷擴大，比賽項目不斷完善，社會影響力也不斷增強。這些賽事大多以促進青少年發(fā)展為目標(biāo)，同時也為人工智能研究與教育發(fā)展做貢獻，推動了機器人技術(shù)的發(fā)展。比如，機器人足球系列比賽的主要目的是推動技術(shù)進步，而機器人綜合比賽則蘊含了更多的教育意義，參賽對象也多為18歲以下的青少年群體。機器人競賽不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力，更多指向了對思維的培養(yǎng)。值得注意的是，機器人教育不應(yīng)以比賽為最終目的，而應(yīng)該通過教育與興趣的結(jié)合，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

（四）機器人教學(xué)

1.國外機器人教學(xué)現(xiàn)狀

英、美、日、韓等國家率先開展了將機器人作為一種教學(xué)工具應(yīng)用于中小學(xué)教育的教學(xué)實踐。美國的中小學(xué)機器人教育，主要有四種形式：（1）機器人技術(shù)課程，一般開設(shè)在技術(shù)類課程；（2）課外活動，類似我國的綜合實踐活動課程；（3）機器人輔助教學(xué)，利用機器人作為教學(xué)工具來輔助課程教學(xué)；（4）機器人主題夏令營等定期活動[27]。同時，國外的高等教育很早就開始對機器人教育進行研究。1994年，麻省理工學(xué)院（MIT）開設(shè)了“設(shè)計和建造LEGO機器人”課程，這是機器人課程進入到大學(xué)課堂的一個標(biāo)志。

2.我國機器人教學(xué)的現(xiàn)狀

我國的機器人教學(xué)從上世紀(jì)末開始。2000年，北京景山學(xué)校率先開展了中小學(xué)機器人課程教學(xué)。2001年，上海市盧灣高級中學(xué)等學(xué)校開展了“機器人活動進課堂”的活動。2005年，哈爾濱師范附小開設(shè)“人工智能與機器人”課程。此外，香港也在高中學(xué)段增設(shè)了機器人制作的課程。

為了適應(yīng)未來科技社會對技術(shù)型人才的需求，教育部于2017年9月印發(fā)了《中小學(xué)生綜合實踐活動課程指導(dǎo)綱要》，明確了中小學(xué)生關(guān)于綜合素質(zhì)教育和實踐能力培養(yǎng)的重要性。目前，我國在中小學(xué)開展機器人教學(xué)，主要有三種形式：（1）機器人課程，將機器人作為獨立課程，或者作為信息技術(shù)課、勞技課、綜合實踐課的組成部分或者；（2）課外活動，以機器人為輔助工具組織學(xué)生進行實踐活動；（3）學(xué)科整合，將教育機器人作為教學(xué)資源整合到學(xué)科教學(xué)之中。

在高等教育領(lǐng)域，清華大學(xué)、北京科技大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校都開設(shè)了機器人相關(guān)課程，制定符合本校學(xué)生培養(yǎng)定位的機器人課程教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，注重創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)。2018年4月，在教育部頒布的《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》中指出，完善人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)體系，在學(xué)科布局、加強專業(yè)建設(shè)、加強教材建設(shè)、加強人才培養(yǎng)力度、開展普及教育和支持創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等方面，不斷推進機器人教育發(fā)展。

四、機器人教育的教學(xué)設(shè)計

關(guān)于機器人教育的討論雖然很多，但真正將教育機器人應(yīng)用于教學(xué)中的案例并不多見。鐘柏昌認(rèn)為，中小學(xué)的機器人教育存在重基礎(chǔ)輕應(yīng)用、重技術(shù)輕整合的問題[28]，目前，我國的機器人教育確實存在教學(xué)內(nèi)容單一、跨學(xué)科性不足、與學(xué)生日常生活聯(lián)系不緊密等問題。

為了解決上述問題，我們以“氪5號”機器人的人形機器人形態(tài)進行教學(xué)設(shè)計，具體闡述機器人的教育應(yīng)用，以期為機器人教育的教學(xué)實踐提供參考：“氪5號”機器人是能力風(fēng)暴積木氪系列的一款積木機器人，具有六面搭接體系，配備位置、超聲、灰度、碰撞、顏色等傳感器，能夠搭建成人形、機械手、摩天輪、鱷魚嘴等多種形態(tài)，在機器人搭建和運動過程中涉及到物理、生物、化學(xué)等多學(xué)科知識，適用于中小學(xué)教學(xué)，如圖4所示。

圖4 “氪5號”機器人

（一）教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)目標(biāo)是教學(xué)活動預(yù)期得到的結(jié)果。我們結(jié)合機器人教育的特點，從深度學(xué)習(xí)、研究體驗、生涯指導(dǎo)三個維度設(shè)計教學(xué)目標(biāo)，并以此指導(dǎo)機器人教育課程的教學(xué)設(shè)計：（1）深度學(xué)習(xí)：學(xué)習(xí)機器人相關(guān)的基礎(chǔ)知識，了解基本的傳感器的作用與使用方法，學(xué)會通過簡單的圖形化編程來控制機器人的運動，并進行探究學(xué)習(xí)。（2）研究體驗：引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題與提出問題，在合作學(xué)習(xí)與小組討論中體驗研究的過程，掌握簡單的科學(xué)探究和研究性學(xué)習(xí)的方法，并且能夠解決問題。（3）生涯發(fā)展：能夠激發(fā)學(xué)生對機器人的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與探究精神，對學(xué)生的生涯規(guī)劃有一定的指導(dǎo)，引發(fā)學(xué)生加深自我認(rèn)識。

（二）教學(xué)過程

機器人教育的教學(xué)過程，如圖5所示。

圖5 機器人教育的教學(xué)過程

具體來說，主要分以下七個步驟：

第一步，課前準(zhǔn)備：搭建好人形機器人，設(shè)計好有障礙物的路線。

第二步，課程導(dǎo)入：通過視頻介紹社會生活中的智能應(yīng)用，引發(fā)學(xué)生興趣。接下來切換到具體情境——“氪5號”機器人所乘坐的時間機器發(fā)生了故障，導(dǎo)致他掉入時空漩渦，意外來到了惡魔星球。它必須找到失散的時間機器，才能夠離開這個可怕的地方。

第三步，基礎(chǔ)講解：介紹“氪5號”機器人的基本結(jié)構(gòu)和功能；講解超聲波傳感器的原理和使用方法；引入速度的概念并講解速度的計算方法；講解機器人速度的設(shè)定方法以及簡單的圖形化編程。

第四步，學(xué)習(xí)活動：設(shè)計一個方案，幫助“氪5號”機器人找到時間機器。該環(huán)節(jié)可以細化為三個小任務(wù)——學(xué)會控制傳感器；學(xué)會控制機器人轉(zhuǎn)彎；學(xué)會控制機器人速度。最后編程實現(xiàn)總?cè)蝿?wù)，使機器人沿著既定路線，走到終點。在這個過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生按照給定路線編程實現(xiàn)任務(wù)，并在學(xué)生遇到問題時給予適當(dāng)指導(dǎo)。

第五步，思考探究：引導(dǎo)學(xué)生思考學(xué)習(xí)活動中涉及到的物理知識，師生討論探究，共同解決問題。比如：機器人在運動的過程中如何轉(zhuǎn)化能量（能量轉(zhuǎn)化知識）？機器人的履帶為什么要設(shè)置凹凸不平的花紋（摩擦力知識）？機器人為什么可以向前運動（力與運動知識）？機器人提速過快會出現(xiàn)后仰狀態(tài)，這是為什么（慣性知識）？

第六步，生涯指導(dǎo)：教師提及人工智能相關(guān)領(lǐng)域及應(yīng)用，結(jié)合活動引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，討論自己感興趣的東西和今后想做的工作。比如，有學(xué)生說自己長大后想當(dāng)科學(xué)家，教師可以進一步提問“想當(dāng)什么方面的科學(xué)家”，而從引導(dǎo)學(xué)生從小形成生涯規(guī)劃的意識。

第七步，反思與評價：師生共同總結(jié)與反思教學(xué)過程中所學(xué)到的內(nèi)容、遇到的問題以及解決辦法。教師引導(dǎo)，師生一起討論，完成自評與互評。值得注意的是，反思與評價應(yīng)該貫穿于整個教學(xué)過程中。

（三）教學(xué)效果

上述教學(xué)方案，是我們在上海市某公益機構(gòu)進行的為期一周的小班化試點教學(xué)活動。參與教學(xué)活動的共11人，年級分布為小學(xué)五年級到初中二年級。首先，在教學(xué)前根據(jù)學(xué)生的成就動機、學(xué)習(xí)風(fēng)格以及對機器人的了解程度進行了分組，3-4人一組。然后，在教學(xué)過程中，先介紹機器人的相關(guān)知識，接著讓孩子們嘗試搭建人形機器人，并在這個過程中了解機器人的結(jié)構(gòu)與功能。教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)：小組成員均能夠在教師指導(dǎo)下完成人形機器人的搭建。之后小組成員利用圖形化編程軟件，通過討論與嘗試，完成教師布置的任務(wù)。最后，教學(xué)活動結(jié)束后，利用問卷和訪談?wù){(diào)查學(xué)生對機器人教學(xué)的滿意程度及學(xué)習(xí)效果，問卷調(diào)查結(jié)果如圖6所示。

圖6 問卷調(diào)查結(jié)果

調(diào)查結(jié)果顯示，大部分學(xué)生對教學(xué)活動表示“比較滿意”。63.6%的學(xué)生認(rèn)為在教育機器人學(xué)習(xí)活動中學(xué)到了一些數(shù)學(xué)知識；72.7%的學(xué)生認(rèn)為學(xué)習(xí)到了物理知識；90.9%的學(xué)生表示會用機器人課上學(xué)到的知識和技能來解決生活中的一些問題；81.8%的學(xué)生能夠說出所學(xué)內(nèi)容可以用來解決哪些生活中的問題。由此可見，教育機器人可以在一定程度上幫助學(xué)生學(xué)習(xí)新知識，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

（四）機器人教育的作用

愛玩幾乎是每個孩子的天性，機器人教育正是利用了這一天性。傳統(tǒng)教育一般采用講授與模仿為主的填鴨式教學(xué)方法，學(xué)生始終處于被動接受知識的狀態(tài)。而機器人教育以各式各樣的機器人為載體，不同的機器人玩法就是孩子們需要體驗的內(nèi)容，在這個體驗過程中，學(xué)習(xí)者是快樂的、積極的。機器人教育可以激發(fā)學(xué)生的好奇心與創(chuàng)造力[29]，還能培養(yǎng)孩子們對科學(xué)技術(shù)的興趣，培養(yǎng)他們的團隊協(xié)作能力、問題解決能力[30]和21世紀(jì)技能[31]。

1.培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與實踐能力

教育機器人可以激發(fā)孩子們對科學(xué)技術(shù)的興趣，培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新精神，激勵創(chuàng)新思維。機器人教育的教學(xué)活動不以教師講授為主，而是以學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)為主要活動形式，在“做”中“學(xué)”，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。

2.培養(yǎng)學(xué)生的編程能力與計算思維

在美國，孩子從4歲起就已經(jīng)開始接觸編程邏輯思維，歐美國家編程教育的普及，也使得越來越多的中國家長開始關(guān)心起孩子的編程技能及創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。計算思維是“運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等，它涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動”[32]。利用教育機器人合理設(shè)計教學(xué)活動能夠提高孩子們的編程能力，培養(yǎng)學(xué)生用計算思維方法去發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。編程能力和計算思維就像閱讀、寫作、數(shù)學(xué)一樣，應(yīng)該成為21世紀(jì)學(xué)生必備的一項技能。

3.培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作能力與問題解決能力

機器人教學(xué)活動一般以學(xué)習(xí)小組為活動單位，學(xué)生是學(xué)習(xí)活動的主體和中心，教師指導(dǎo)為輔。小組成員之間相互配合，通過討論和反復(fù)嘗試，合作解決老師布置的任務(wù)。這個過程可以提高學(xué)生的團隊協(xié)作能力和問題解決能力，使學(xué)生受益終身。

4.培養(yǎng)學(xué)生的21世紀(jì)技能與綜合素養(yǎng)

21世紀(jì)最關(guān)鍵的技能是學(xué)習(xí)與創(chuàng)新技能，如信息、媒體和技術(shù)技能，生活與職業(yè)技能[33]。與傳統(tǒng)教育的學(xué)科分類不同，機器人教育的綜合性很強，集成了物理、數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物、計算機、機械、電子、材料、能源、人工智能等學(xué)科，學(xué)生可以學(xué)到多領(lǐng)域的知識與技能。學(xué)習(xí)過程動靜結(jié)合，學(xué)生的思考能力和實踐能力都得到提升，獲得更加全面的發(fā)展。機器人教育能夠很好地將核心學(xué)科學(xué)習(xí)與跨學(xué)科技能的學(xué)習(xí)有效結(jié)合起來，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

5.特殊教育領(lǐng)域的作用

在特殊教育方面，機器人教育也有著不可替代的重要作用。教師可以對機器人編程或者使用教育機器人身上的程序，讓機器人與患有自閉癥的孩子進行交流互動，使他們從中獲得一些與人互動的技巧。盡管他們可能有學(xué)習(xí)障礙和社交障礙，但他們也會自然而然地被機器人吸引。這樣一來，機器人可以成為他們的學(xué)習(xí)工具與伙伴，幫助他們學(xué)習(xí)知識和社交技能，進而建立社交關(guān)系。

五、對機器人教育的反思與展望

我國機器人教育的發(fā)展還處于初級階段，關(guān)于機器人教育的研究也沒有國外深入，并且在教學(xué)實踐中還有不少的問題亟待解決。2013年8月，美國教育部教育科學(xué)研究所和國家科學(xué)基金會頒布《教育研究和發(fā)展通用指南》指出，教育研究分為基礎(chǔ)研究、早期階段或探索研究、設(shè)計和開發(fā)研究、效用研究、有效性研究、規(guī)?；芯康攘N類型[34]。針對機器人教育的發(fā)展，我們現(xiàn)已到了需要建設(shè)機器人教育的研究和發(fā)展的生態(tài)環(huán)境，不斷加強教育的基礎(chǔ)研究和探索研究這一新階段。

（一）需要更多關(guān)鍵技術(shù)的支持

語音識別、人工智能和仿生科技是目前發(fā)展教育機器人的三個關(guān)鍵技術(shù)[35]。語音識別是機器人與人類溝通的重要手段；人工智能使教育機器人能夠模仿人腦進行思維；仿生科技使教育機器人能夠做出如人類或其他生物一樣細膩的動作。2018年，自然基金信息科學(xué)部設(shè)立F070106教育機器人，用于解決教育機器人裝備架構(gòu)、教育機器人智能模式、教育機器人交互技術(shù)、教育機器人應(yīng)用等方面的關(guān)鍵技術(shù)。智能性、互動性、角色性等是衡量教育機器人產(chǎn)品的重要指標(biāo)，我們希望教育機器人具備像人一樣思考和行動，從而能夠更好地輔助教學(xué)，與學(xué)生進行互動，這離不開機器智能相關(guān)技術(shù)的支撐。

（二）開展機器人教育的難重點研究與師資培訓(xùn)

學(xué)術(shù)研究的重點應(yīng)從現(xiàn)狀分析向深入研究、從理論向?qū)嵶C進行轉(zhuǎn)變，并且加強機器人教育的評價與師資培養(yǎng)方面的研究。目前，國內(nèi)關(guān)于機器人教育的研究大多為研究綜述和現(xiàn)狀分析，而關(guān)于機器智能如何驅(qū)動教育發(fā)展、“人工智能+教育”對于學(xué)生素養(yǎng)培養(yǎng)的作用等內(nèi)容，還缺乏深入的研究。我們需要對“人工智能驅(qū)動教育的基礎(chǔ)理論與方法”進行相關(guān)研究與攻關(guān)。另外，關(guān)于教育機器人的教學(xué)設(shè)計、課程開發(fā)、實踐應(yīng)用之類的研究較少。今后的研究應(yīng)該向?qū)嵶C研究方向傾斜，以教學(xué)實踐為基礎(chǔ)，切實推進機器人教育的發(fā)展。由于國內(nèi)關(guān)于機器人教育的教學(xué)評價和師資培養(yǎng)方面的文獻屈指可數(shù)，機器人教育的教學(xué)效果一般又是潛在的，利用目前的教學(xué)評價系統(tǒng)難以精確量化，因此，如何對機器人教育進行客觀有效的評價仍是一個難題。同時，機器人教育的師資隊伍也比較薄弱，專業(yè)的機器人教育教師相對匱乏，這在一定程度上也制約了機器人教育的發(fā)展。所以，加強機器人教育教師的培養(yǎng)，應(yīng)成為今后一段時期機器人教育的研究重點[36]。

（三）教育應(yīng)用從學(xué)科內(nèi)容向能力轉(zhuǎn)變

目前，國內(nèi)的機器人教育正經(jīng)歷著由“競賽導(dǎo)向→能力導(dǎo)向”的轉(zhuǎn)變，機器人教育不再以競賽為目標(biāo)，而是以培養(yǎng)學(xué)生信息素養(yǎng)和綜合能力為目標(biāo)。由于機器人自身的綜合性和應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性，機器人課程跨學(xué)科交叉的特征十分明顯。在中小學(xué)教育中，機器人教育應(yīng)該與創(chuàng)客教育、STEAM教育相結(jié)合，融入到日常的學(xué)科教學(xué)中，促進跨學(xué)科融合和課程改革。機器人教育不僅可以與信息技術(shù)課相結(jié)合，也可以與語文、數(shù)學(xué)、英語、物理、化學(xué)、生物等基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)有機融合。比如，可以通過與人形機器人的對話互動，來幫助小學(xué)生提高語言技能；利用仿生機器人來學(xué)習(xí)生物知識和物理知識等。面向智能時代，機器人教育可以與3D打印技術(shù)、開源軟件、開源硬件相結(jié)合，以拓展學(xué)生的知識面，培養(yǎng)學(xué)生面向21世紀(jì)的綜合技能，有條件的學(xué)校還可以開設(shè)與機器人教育相關(guān)的校本課程。

（四）強化產(chǎn)品開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用的聯(lián)系

機器人教育產(chǎn)業(yè)鏈涉及硬件制造、平臺開發(fā)、應(yīng)用服務(wù)提供等幾類廠商，但目前很多機器人公司只負(fù)責(zé)教育機器人硬件的開發(fā)、制造、組裝及測試，提供簡單的產(chǎn)品說明和操作手冊，并不參與課程開發(fā)和教學(xué)設(shè)計。這樣的產(chǎn)業(yè)模式，顯然不利于機器人教育發(fā)揮最大的作用。只有當(dāng)教育機器人的制造商與學(xué)校教師共同參與課程開發(fā)和教學(xué)設(shè)計，設(shè)計開發(fā)出豐富的教學(xué)情境應(yīng)用程序、服務(wù)與內(nèi)容，才能使教育機器人真正滿足教與學(xué)的需求。在普及推廣機器人教育方面，可以借鑒日本“產(chǎn)政學(xué)合作”的經(jīng)驗，即政府、企業(yè)、學(xué)校三方加強合作，進一步完善機器人教育的產(chǎn)業(yè)鏈。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展、軟硬件技術(shù)的不斷成熟、制造成本的逐步降低，機器智能從根本上改變了我們現(xiàn)有的教育方式，教育機器人將會越來越廣泛地應(yīng)用到教學(xué)中去，開展機器人教育已是大勢所趨。特別是在“教育信息化2.0”與“人工智能+教育”的背景下，機器智能與教育教學(xué)會不斷融合，機器人教育本身高度的學(xué)科交叉與綜合性，使之能在教育領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，不斷推進教育創(chuàng)新與教學(xué)的變革。