可重構(gòu)模塊化機(jī)器人與教育產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展探索

周杰 孫可兒 江源 羅漢杰 沈桂英 倪虹

[摘 要]近幾年國(guó)家大力提倡素質(zhì)教育，機(jī)器人教育作為素質(zhì)教育的重要載體，在各大高校與中小學(xué)教育領(lǐng)域應(yīng)用愈加廣泛。杭州市作為浙江省省會(huì)，其機(jī)器人教育產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，但與此同時(shí)行業(yè)內(nèi)也存在一些問(wèn)題，導(dǎo)致機(jī)器人教育無(wú)法在全市普及，而模塊化機(jī)器人相較于傳統(tǒng)教育機(jī)器人有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。文章基于可重構(gòu)模塊化機(jī)器人，為提高機(jī)器人教育質(zhì)量、擴(kuò)大機(jī)器人市場(chǎng)、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出解決思路。

[關(guān)鍵詞]教育產(chǎn)業(yè);科教融合;素質(zhì)教育;可重構(gòu)模塊化機(jī)器人

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2020.31.071

1 引言

隨著我國(guó)的教育改革，教育部將素質(zhì)教育寫(xiě)入《教育信息化“十三五” 規(guī)劃》，在6～16歲少年群體中出現(xiàn)了許多“少年編程班”“少年機(jī)器人班” 等機(jī)構(gòu)。素質(zhì)教育作為未來(lái)中小學(xué)基礎(chǔ)教育的發(fā)展方針，使得機(jī)器人教育這一素質(zhì)教育的載體越來(lái)越得到社會(huì)廣大教育者的支持。目前教育市場(chǎng)廣闊[1]，如果小孩擁有一個(gè)可以互動(dòng)的實(shí)體玩具，他們?cè)?～6歲的時(shí)候就有可能理解編程的概念。如今機(jī)器人教育的起步年齡偏小，拼搭類(lèi)機(jī)器人教育對(duì)象在3～6歲，編程類(lèi)的在7～8歲。智能機(jī)器人將會(huì)成為未來(lái)制造的奠基，會(huì)為未來(lái)的戰(zhàn)略性發(fā)展提供必不可少的幫助。正因如此，促進(jìn)機(jī)器人教育產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，對(duì)未來(lái)的發(fā)展起著重要作用。

2 機(jī)器人教育發(fā)展現(xiàn)狀

2008年，日本內(nèi)閣府發(fā)布了“機(jī)器人領(lǐng)域研討會(huì)報(bào)告”，指出機(jī)器人技術(shù)融合數(shù)學(xué)、物理、機(jī)械、電子、信息等諸多領(lǐng)域，有助于培養(yǎng)跨領(lǐng)域的綜合型人才。同年出臺(tái)的“i-Japan戰(zhàn)略2015”表明應(yīng)在中小學(xué)各學(xué)科課堂上利用信息技術(shù)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和信息活用能力[2]。美國(guó)中小學(xué)中課程技術(shù)、課外活動(dòng)、機(jī)器人輔助課程等多種方式為機(jī)器人技術(shù)課程開(kāi)展提供了強(qiáng)勁動(dòng)力。而在高校中，機(jī)器人教育可以通過(guò)課程和學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行[3]。

我國(guó)作為全球市場(chǎng)上機(jī)器人需求和應(yīng)用大國(guó)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度和潛力十分驚人。但是，由于機(jī)器人教育起步較晚，杭州市這一擁有69.9萬(wàn)名中小學(xué)學(xué)生的省會(huì)城市，機(jī)器人教育及市場(chǎng)都存在問(wèn)題。

2.1 傳統(tǒng)教育機(jī)器人無(wú)法滿(mǎn)足需求

目前，市場(chǎng)上的人形、輪動(dòng)、飛行、爬行類(lèi)教育機(jī)器人限于其構(gòu)形限制，僅能完成單種教學(xué)任務(wù)，但對(duì)于機(jī)器人教學(xué)目標(biāo)的不同，適合于低年級(jí)的拼裝搭建型機(jī)器人，面對(duì)高年級(jí)學(xué)生對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)組成、編程控制、功能實(shí)現(xiàn)、傳感器技術(shù)等較深層次的了解與實(shí)驗(yàn)需求無(wú)法滿(mǎn)足。這意味著學(xué)校或培訓(xùn)機(jī)構(gòu)需要收集、比對(duì)、實(shí)驗(yàn)尋找多種機(jī)器人用于教學(xué)，需要耗費(fèi)大量時(shí)間、精力，這也導(dǎo)致機(jī)器人教育難以成為學(xué)校主干課程，普及度不高。

2.2 機(jī)器人教育師資短缺

由于機(jī)器人教育起步較晚，需要學(xué)校在課程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、教學(xué)模式改革、資源建設(shè)等方面投入大量專(zhuān)業(yè)師資，導(dǎo)致杭州市多數(shù)中小學(xué)更重視傳統(tǒng)的升學(xué)考試科目，不會(huì)過(guò)于重視機(jī)器人課程，只有少數(shù)學(xué)生為參加重點(diǎn)高中自主招生選拔才會(huì)系統(tǒng)學(xué)習(xí)，使得機(jī)器人教育成為一種“小眾文化”。目前中小學(xué)教育中也鮮少有專(zhuān)業(yè)機(jī)器人教育方向的老師，缺少科學(xué)化、專(zhuān)業(yè)化、創(chuàng)新化的教師隊(duì)伍[4]，培養(yǎng)方向的準(zhǔn)確性不足。在杭州以外的偏遠(yuǎn)地區(qū)僅僅依靠一兩位兼職老師，難以為繼。

2.3 機(jī)器人價(jià)格高昂

雖然國(guó)家早已頒布素質(zhì)教育課程的標(biāo)準(zhǔn)，但各地的實(shí)施狀況大有不同。杭州作為新一線(xiàn)城市，學(xué)生能夠時(shí)刻接觸互聯(lián)網(wǎng)，了解機(jī)器人相關(guān)知識(shí)，但機(jī)器人教育作為培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的學(xué)科，需要實(shí)物訓(xùn)練。對(duì)于多數(shù)居民來(lái)說(shuō)，素質(zhì)教育的效果未顯現(xiàn)。面對(duì)孩子基礎(chǔ)教育的機(jī)器人需求變化，其動(dòng)輒上萬(wàn)的價(jià)格、課外培訓(xùn)與產(chǎn)品更新?lián)Q代，猶豫不決者不在少數(shù)。而學(xué)校僅靠公辦經(jīng)費(fèi)無(wú)法滿(mǎn)足不同年齡段學(xué)生的需求與機(jī)器人的高損耗，器材與零件的缺乏已成為普遍現(xiàn)象。對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)來(lái)說(shuō)，更是如此，難以普及。

2.4 機(jī)器人教育課程體系不完善

目前學(xué)校大部分均以興趣班或社團(tuán)為主的教學(xué)形式，并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)機(jī)器人的實(shí)踐課程，缺少專(zhuān)業(yè)教材。根據(jù)目前杭州市機(jī)器人教育廣告的情況來(lái)看，比較有名的機(jī)器人教育機(jī)構(gòu)有樂(lè)高、樂(lè)博樂(lè)博、達(dá)內(nèi)童程童美等，課程主要針對(duì)低齡孩童以搭建模型為主，教學(xué)深度不夠。學(xué)校與培訓(xùn)機(jī)構(gòu)培養(yǎng)目標(biāo)的脫節(jié)與教學(xué)體系的不完善，造成大部分學(xué)生無(wú)論在課內(nèi)還是課外外都難以系統(tǒng)接觸機(jī)器人知識(shí)。造成學(xué)生創(chuàng)新思維搭造上的不完善，不利于學(xué)生從小學(xué)習(xí)并且慢慢形成這方面的知識(shí)體系。

3 可重構(gòu)模塊化機(jī)器人介紹

可重構(gòu)模塊機(jī)器人由一套按分類(lèi)設(shè)置的零件庫(kù)，模塊化控制系統(tǒng)庫(kù)組成，通過(guò)這些模塊能在短時(shí)間內(nèi)按照需求組裝出最適用于給定任務(wù)的機(jī)器人[5]。其具備以下三方面特點(diǎn)：

第一，本機(jī)器人利用模塊之間的聯(lián)斷操作和相互運(yùn)動(dòng)來(lái)自動(dòng)改變整體構(gòu)形，擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)形式，可以完成多種運(yùn)動(dòng)及任務(wù)需要，充分滿(mǎn)足客戶(hù)需求。

第二，零件庫(kù)可獨(dú)立組裝，也可與控制系統(tǒng)庫(kù)組合完成任務(wù)，兩者相互獨(dú)立，一套組件可供多個(gè)用戶(hù)使用。

第三，維修方便，發(fā)生故障時(shí)，相較于傳統(tǒng)機(jī)器人的專(zhuān)業(yè)人員維修不可擅自拆卸，本機(jī)器人只需將損壞模塊進(jìn)行更換即可重新開(kāi)始工作。

4 模塊化機(jī)器人的科教融合

在國(guó)家提倡素質(zhì)教育的大背景下，機(jī)器人教育作為其中一環(huán)，發(fā)揮著重要作用。但杭州市由傳統(tǒng)教育機(jī)器人為主流的產(chǎn)品已無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。因此，如何利用可重構(gòu)模塊化機(jī)器人與其衍生產(chǎn)物，對(duì)杭州市機(jī)器人教育產(chǎn)業(yè)的改革創(chuàng)新有著重要意義。

4.1 可重構(gòu)模塊化機(jī)器人助力需求與發(fā)展

充分發(fā)揮本機(jī)器人按分類(lèi)設(shè)置的零件庫(kù)，模塊化控制系統(tǒng)庫(kù)的優(yōu)勢(shì)。低年級(jí)學(xué)生使用零件庫(kù)搭建多形狀機(jī)器人，通過(guò)搭建培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。高年級(jí)學(xué)生根據(jù)可重構(gòu)性，通過(guò)多模塊應(yīng)用與機(jī)器人編程，加深了解。有利于實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果的最優(yōu)化，對(duì)促進(jìn)新教學(xué)模式構(gòu)建起推動(dòng)作用。另外，通過(guò)本機(jī)器人強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)性，解決學(xué)校多層次、多種類(lèi)、多目標(biāo)的機(jī)器人需求，為普及機(jī)器人教育提供了契機(jī)。

4.2 分地域、分手段、分情況助力師資建設(shè)

西湖區(qū)通過(guò)推廣虛擬機(jī)器人項(xiàng)目搭建平臺(tái)，減少了成本，有效促進(jìn)各校交流。[6]由于各地學(xué)校與經(jīng)濟(jì)實(shí)力的差異，通過(guò)這種經(jīng)驗(yàn)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，利用科研團(tuán)隊(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，線(xiàn)下組織老師教學(xué)培訓(xùn)班，線(xiàn)上通過(guò)建立慕課資源為各學(xué)校師資培養(yǎng)助力。在偏遠(yuǎn)地區(qū)，存在機(jī)器人學(xué)科與師資建設(shè)困境情況[4]，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、虛擬機(jī)器人等項(xiàng)目加強(qiáng)學(xué)校間、區(qū)域間的合作。對(duì)信息技術(shù)、勞技等具有一定專(zhuān)業(yè)知識(shí)的教師進(jìn)行培訓(xùn)，緩解師資短缺。

4.3 分層次機(jī)器人系列助力多元發(fā)展

利用模塊化的優(yōu)勢(shì)研發(fā)針對(duì)性機(jī)器人系列，對(duì)靠分階段教學(xué)包配合使用。在家庭方面推出家庭包，模塊少，價(jià)格低，適合學(xué)生自學(xué)，根據(jù)需要可升級(jí)添加模塊，解決家長(zhǎng)因產(chǎn)品換代快、花銷(xiāo)大造成的尷尬。培訓(xùn)機(jī)構(gòu)自己選擇適量模塊化組件，降低機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)成本。各學(xué)校根據(jù)教學(xué)方案，定制模塊，滿(mǎn)足多年級(jí)學(xué)生的需求，將利用率最大化，降低學(xué)校因教學(xué)的不同需求造成辦學(xué)經(jīng)費(fèi)上的負(fù)擔(dān)。面對(duì)因機(jī)器人數(shù)量少造成的高損耗率時(shí)，易重構(gòu)的特性也可緩解學(xué)生與教具數(shù)量不對(duì)等的現(xiàn)象。

4.4 分階段課程包助力課程體系建設(shè)

由政府牽頭提供政策支持，科研團(tuán)隊(duì)與知名機(jī)器人教育公司合作，結(jié)合學(xué)校情況，利用社會(huì)資本的積極性，研發(fā)成體系的階段化教學(xué)方案與成熟的實(shí)踐平臺(tái)。學(xué)前教育及小學(xué)階段，通過(guò)教學(xué)視頻學(xué)習(xí)圖像化編程。初高中階段，以搭建與編程相結(jié)合，基于Arduino這類(lèi)易學(xué)語(yǔ)言，學(xué)習(xí)機(jī)器人控制。既可應(yīng)對(duì)素質(zhì)教育需要，也可用于新高考課程建設(shè)。將該體系推廣，列裝于學(xué)校，鼓勵(lì)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)采用，解決各學(xué)校、機(jī)構(gòu)與學(xué)校間因培養(yǎng)方案不同而造成交流上的障礙與脫節(jié)。

4.5 機(jī)器人教育體系

以培訓(xùn)構(gòu)建學(xué)校與機(jī)構(gòu)師資，以產(chǎn)品推動(dòng)課程教育反饋意見(jiàn)，以意見(jiàn)完成產(chǎn)品迭代升級(jí)，建立獨(dú)有可重構(gòu)模塊化機(jī)器人教育體系流程，促進(jìn)機(jī)器人教育的良性發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

雖然目前機(jī)器人教育市場(chǎng)存在諸多不完善，但隨著我國(guó)因人口紅利消失、多領(lǐng)域機(jī)器人的推廣以及迫切面臨由“中國(guó)制造”到“中國(guó)創(chuàng)造”的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型需要，未來(lái)的人才需求也將偏向創(chuàng)造、思維型，而機(jī)器人教育培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造與動(dòng)手能力的特點(diǎn)，也將得到國(guó)家更大的支持。相信在不久的將來(lái)，伴隨人工智能與其他先進(jìn)科技的應(yīng)用，教育機(jī)器人也將更加智能化，市場(chǎng)也將更加規(guī)范化、合理化和普及化。

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[基金項(xiàng)目]2019 年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃立項(xiàng)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2019R426048）;杭州師范大學(xué)錢(qián)江學(xué)院院級(jí)科研項(xiàng)目（師生共研專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2020QJXS71）。

[作者簡(jiǎn)介]周杰 （1999—），男，浙江寧波人，本科，研究方向：自動(dòng)化機(jī)器人;羅漢杰（1999—），男，浙江衢州人，本科，研究方向：自動(dòng)化機(jī)器人;孫可兒（2000—），女，浙江衢州人，本科，研究方向：財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)理論和方法;江源（2000—），女，安徽蕪湖人，本科，研究方向：財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)理論和方法;通訊作者：倪虹（1982—），女，湖北天門(mén)人，研究生，講師，研究方向;仿生機(jī)器人。