基于教育機(jī)器人平臺的“機(jī)器人教育+競賽”教學(xué)模式研究

李舒媛 張雪峰

摘要：當(dāng)前，中學(xué)生機(jī)器人教育仍然停留在組織“競賽”層面，真正意義上的機(jī)器人教育在普通高中學(xué)校還未能得到落實。在現(xiàn)有教育狀況下，積極探索適合普通高中實施機(jī)器人教育的教學(xué)模式，提出“機(jī)器人教育+競賽”教學(xué)模式，通過將機(jī)器人教育與機(jī)器人競賽相結(jié)合，構(gòu)建兩者相互融合、相互促進(jìn)、相互保障的機(jī)器人教育課程，拓展機(jī)器人教育教學(xué)實踐，推動普通高中機(jī)器人教育的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：教育機(jī)器人;機(jī)器人教育;教學(xué)模式;機(jī)器人競賽

一、研究背景

（一）普通高中機(jī)器人教育現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，我國普通高中沒有系統(tǒng)的機(jī)器人教育課程，只有在《普通高中通用技術(shù)》中設(shè)置了“簡易機(jī)器人制作”模塊，不論是知識內(nèi)容還是編程方式都相對比較簡單，無法讓學(xué)生得到系統(tǒng)化的知識積累和能力提升。其次，各學(xué)校機(jī)器人教育資源短缺，主要表現(xiàn)在：其一，機(jī)器人教育教師隊伍緊缺。幾乎沒有專業(yè)的機(jī)器人教育教師，一般都是由物理、信息技術(shù)教師兼職擔(dān)任教學(xué)，仍然受專業(yè)知識的限制，教學(xué)水平與能力都無法滿足教學(xué)需求。其二，機(jī)器人教育器材配置不足。一方面現(xiàn)有機(jī)器人教育器材普遍昂貴，要配齊所需教學(xué)器材大多數(shù)學(xué)校資金不足，這也是造成當(dāng)前校外培訓(xùn)機(jī)構(gòu)多、學(xué)校教學(xué)少的根本原因;另一方面各品牌開源硬、軟件之間兼容性差，限制器材的適用范圍和效率，且增加了教學(xué)的難度和復(fù)雜性。再次，有許多學(xué)校組織學(xué)生參加各類機(jī)器人比賽，這在一定范圍內(nèi)開展了機(jī)器人教育，但也只能是對機(jī)器人教育教學(xué)的補(bǔ)充。

（二）教育機(jī)器人平臺的作用。

所謂教育機(jī)器人，是指能夠為學(xué)校機(jī)器人教育提供服務(wù)的硬、軟件組件系統(tǒng)。教育機(jī)器人平臺就是開發(fā)和生產(chǎn)機(jī)器人硬、軟件組件的單位，如未來伙伴機(jī)器人有限公司、樂高公司等，這些教育機(jī)器人平臺不但為學(xué)校機(jī)器人教學(xué)提供資源，而且通過組織全國性的機(jī)器人競賽來推廣機(jī)器人教育，如Abilix教育機(jī)器人承辦的“WER全國青少年教育機(jī)器人大賽”; LEGO教育機(jī)器人承辦的全國青少年機(jī)器人大賽等，這些比賽通常都會提供教師和學(xué)生的學(xué)習(xí)和技能培訓(xùn)、練習(xí)等，實質(zhì)是在一定范圍內(nèi)開展了機(jī)器人教學(xué)，舉辦競賽的過程也為學(xué)生搭建了相互交流和學(xué)習(xí)的平臺，為推動學(xué)校機(jī)器人教育產(chǎn)生了積極的作用。

（三）機(jī)器人競賽對中學(xué)生機(jī)器人教育的影響

相較于學(xué)校機(jī)器人教學(xué)，機(jī)器人競賽受到的關(guān)注度卻相對較高，很多學(xué)校有組織學(xué)生參加各類機(jī)器人競賽活動，但競賽畢竟不能等同于教學(xué)。一方面參與學(xué)生人數(shù)有限，達(dá)不到普及性教育的目標(biāo);另一方面是比賽項目中學(xué)生所學(xué)到的知識僅限于比賽規(guī)則所確定的內(nèi)容，因此學(xué)生掌握的機(jī)器人知識與技能具有局限性。即便如此，機(jī)器人競賽給中學(xué)生機(jī)器人教育帶來的影響還是不可忽視的。其一，機(jī)器人競賽項目中，各個任務(wù)模塊的搭建、任務(wù)機(jī)器人的設(shè)計與制作、任務(wù)編程等，都涉及機(jī)器人教育的內(nèi)容，其實就如同機(jī)器人教學(xué)中的“項目型”實踐教學(xué)，但任務(wù)多、難度大、綜合程度高。其二，機(jī)器人競賽的器材為學(xué)校機(jī)器人教學(xué)提供了條件。由于機(jī)器人競賽規(guī)則變化比較快，器材更新周期短，因此，競賽完成后會有大量的競賽器材被淘汰并閑置，將這些器材應(yīng)用于機(jī)器人教學(xué)是一種不錯的選擇。其三，機(jī)器人競賽可以激發(fā)學(xué)生機(jī)器人學(xué)習(xí)興趣，可以吸引更多的學(xué)生參與機(jī)器人知識與技能的學(xué)習(xí)，這也是機(jī)器人競賽的核心目標(biāo)，同時對推動機(jī)器人教育有著十分重要的意義。

二、機(jī)器人教育與機(jī)器人競賽的整合

將“機(jī)器人教育”與“機(jī)器人競賽”進(jìn)行科學(xué)、合理的整合是構(gòu)建“機(jī)器人教育+競賽”教學(xué)模式的關(guān)鍵。從現(xiàn)實狀況來看，現(xiàn)階段普通高中實施機(jī)器人教育的方式主要有通用技術(shù)課與機(jī)器人競賽，要將這兩種方式整合成為實施機(jī)器人教育的常態(tài)化教學(xué)模式，主要應(yīng)從以下幾個方面

（一）將機(jī)器人競賽規(guī)則開發(fā)成為機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容

每一項機(jī)器人競賽規(guī)則都是由若干個任務(wù)單元組成，而每一個任務(wù)單元都有一個任務(wù)模塊，并規(guī)定一個機(jī)器人操作、控制任務(wù)功能。在教學(xué)時，可以將機(jī)器人競賽中的某一項任務(wù)開發(fā)成為一個機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容，通過任務(wù)模塊制作，設(shè)計搭建任務(wù)機(jī)器人，讓學(xué)生掌握機(jī)器人的基本構(gòu)成，以及完成任務(wù)機(jī)械爪的設(shè)計、制作等知識，然后通過編程控制機(jī)器人的活動，完成競賽規(guī)則中設(shè)定的任務(wù)，即完成教學(xué)任務(wù)。比如，在教學(xué)“利用攝像頭進(jìn)行圖像識別”內(nèi)容時，將第二十屆青少年機(jī)器人創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽項目中的“無人超市購物任務(wù)”作為學(xué)習(xí)任務(wù)：第一步，制作任務(wù)模塊。學(xué)生根據(jù)任務(wù)模型，利用積木件組裝任務(wù)模塊，如圖1所示。第二步，設(shè)計制作機(jī)器人。根據(jù)完成任務(wù)需要，利用競賽器材設(shè)計制作完成機(jī)器人。第三步，根據(jù)完成任務(wù)要求，設(shè)計制作便于完成任務(wù)要求的機(jī)械爪，并安裝在制作完成的機(jī)器人上，如圖2所示。第四步，編制程序。根據(jù)完成任務(wù)的操作過程需要編寫程序，調(diào)試機(jī)器人完成規(guī)定任務(wù)。

（二）整合機(jī)器人競賽器材滿足機(jī)器人教學(xué)器材需求

普通教育機(jī)器人結(jié)構(gòu)基本是由電源模塊、傳感器模塊、控制模塊和驅(qū)動模塊等四個部分構(gòu)成，各個模塊需要若干元件進(jìn)行組裝或單獨(dú)構(gòu)成。就拿傳感器模塊來看，可能需要多種類型的傳感器，如超聲波傳感器、顏色傳感器、熱電阻溫度傳感器、速度傳感器、濕度傳感器、力敏傳感器等等，在一個競賽項目或一屆競賽項目器材中配置的傳感器不可能滿足教學(xué)需要，因此，通過整合和積累多次競賽、多個項目的器材，就能夠逐步滿足機(jī)器人教學(xué)所需的器材。另外，對于不同品牌的器材之間可能存在不能相互兼容和匹配的情況，一方面，要根據(jù)不同的教學(xué)需要對器材進(jìn)行分類或分組，形成組合式教學(xué)套件。另一方面，要對器材進(jìn)行必要的改裝，使得兩種器材之間能夠?qū)崿F(xiàn)相互融通與匹配，更為方便地應(yīng)用于實際教學(xué)之中。比如，不同競賽項目所使用的主機(jī)往往是不同的，教師可以通過改裝或使用開源擴(kuò)展板的方法達(dá)到教學(xué)的需要，拓展機(jī)器人競賽主機(jī)在機(jī)器人教學(xué)中的應(yīng)用場景。

（三）將機(jī)器人教學(xué)實踐融入機(jī)器人競賽項目練習(xí)中

機(jī)器人教學(xué)是一種集知識性、實踐性、創(chuàng)新性于一體的綜合性教育教學(xué)活動。因此，機(jī)器人教學(xué)實踐是機(jī)器人教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，而機(jī)器人競賽項目必須通過不斷的實操訓(xùn)練和創(chuàng)新優(yōu)化，才能取得好的成績?；诖耍覀兛梢园褭C(jī)器人教學(xué)與機(jī)器人競賽項目訓(xùn)練進(jìn)行整合，將機(jī)器人教學(xué)實踐融入機(jī)器人競賽項目練習(xí)中，取得教學(xué)與競賽雙豐收的效果。例如，在教學(xué)“機(jī)器人的抓取功能實現(xiàn)”內(nèi)容時，選擇“第十八屆中國青少年機(jī)器人競賽 VEX 機(jī)器人工程挑戰(zhàn)賽項目”實施教學(xué)，首先讓學(xué)生根據(jù)競賽項目要求制作機(jī)械爪，學(xué)習(xí)機(jī)械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)知識，然后通過編程控制機(jī)器人，利用競賽項目模塊實現(xiàn)：將錐筒抓起并放置到固定樁上。通過這樣的教學(xué)實踐，不但很好地完成了機(jī)器人教學(xué)任務(wù)，而且進(jìn)行了機(jī)器人競賽項目練習(xí)，同時激發(fā)了參與機(jī)器人競賽的興趣，提升了學(xué)生機(jī)器人制作的能力。

三、“機(jī)器人教育+競賽”教學(xué)模式構(gòu)建

中學(xué)生機(jī)器人教育教學(xué)活動主要涉及教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)實踐、教學(xué)器材等方面。如何將機(jī)器人教育與機(jī)器人競賽整合成為“機(jī)器人教育+競賽”教學(xué)模式，就要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)實踐、教學(xué)器材等方面進(jìn)行融合、聯(lián)通、優(yōu)化，形成共同、共育、共享的機(jī)器人教育教學(xué)共同體。為此，我們研究構(gòu)建如下“機(jī)器人教育+競賽”教學(xué)模式結(jié)構(gòu)，如圖3所示：

以上“機(jī)器人教育+競賽”教學(xué)模式設(shè)計，主要實現(xiàn)三個方面的整合優(yōu)化：其一，機(jī)器人教學(xué)器材與機(jī)器人競賽器材整合，為機(jī)器人教學(xué)提供物質(zhì)保障;其二，機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容與機(jī)器人競賽項目內(nèi)容整合，為機(jī)器人教學(xué)目標(biāo)實現(xiàn)提供優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源;其三，機(jī)器人教學(xué)實踐與機(jī)器人競賽訓(xùn)練整合，為機(jī)器人教學(xué)創(chuàng)造良好的教學(xué)環(huán)境。通過三個方面的整合優(yōu)化，實現(xiàn)機(jī)器人教學(xué)有教學(xué)內(nèi)容、有教學(xué)條件、有教學(xué)手段、有教學(xué)環(huán)境，從而建立機(jī)器人教育生態(tài)，確保中學(xué)生機(jī)器人教育的可持續(xù)發(fā)展。

總之，在當(dāng)前技術(shù)環(huán)境下，將機(jī)器人教育與機(jī)器人競賽相結(jié)合，充分發(fā)揮各自的教學(xué)功能和教育優(yōu)勢，建立“機(jī)器人教育+競賽”教學(xué)模式，是構(gòu)建中學(xué)生機(jī)器人教育生態(tài)的主要途徑。當(dāng)然，這一教學(xué)模式還處于充實與完善階段，要讓其發(fā)揮出更為有效的教學(xué)作用，還需要一線教師在教學(xué)實踐中進(jìn)行深入研究與探索，期待有更為豐富、更有價值的研究成果的不斷涌現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]許麗.基于創(chuàng)客教育的初中機(jī)器人教學(xué)模式研究[J].教書育人：校長參考，2019（8）：1.

注：本文系定西市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度立項課題《基于教育機(jī)器人平臺的中學(xué)機(jī)器人教育模式實踐研究》成果（立項號：DX[2020]GHB337）。