張國(guó)民

浙江金融職業(yè)學(xué)院 浙江杭州 310018

基于學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的中小學(xué)教育機(jī)器人功能設(shè)計(jì)分析

張國(guó)民

浙江金融職業(yè)學(xué)院 浙江杭州 310018

隨著機(jī)器人教育關(guān)注度的日益提高及其教育價(jià)值的逐步提升，作為實(shí)施機(jī)器人教育的機(jī)器人產(chǎn)品的規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題也日益凸顯。本文在對(duì)中小學(xué)各階段學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平和機(jī)器人教育目標(biāo)進(jìn)行概述的基礎(chǔ)上，對(duì)適用于不同階段的教育機(jī)器人產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析探究，望對(duì)未來(lái)教育機(jī)器人產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供參考價(jià)值。

機(jī)器人教育 教育機(jī)器人 認(rèn)知發(fā)展 教學(xué)目標(biāo)

一、引言

據(jù)預(yù)測(cè)，21世紀(jì)中期，人類(lèi)社會(huì)將全面進(jìn)入以智能機(jī)器人為代表的智能時(shí)代，機(jī)器人的廣泛應(yīng)用將極大促進(jìn)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。近年來(lái)，隨著機(jī)器人價(jià)格的下降、簡(jiǎn)易性的提高、其潛在的巨大教育價(jià)值逐漸得到社會(huì)的認(rèn)可，使得機(jī)器人進(jìn)入了教育領(lǐng)域。在發(fā)達(dá)國(guó)家，尤其是英、美、日等國(guó)家，已將機(jī)器人作為一種教學(xué)輔助工具，上至高等院校、研究機(jī)構(gòu)，下至中小學(xué)、幼兒園，都正在積極開(kāi)展機(jī)器人相關(guān)的教研活動(dòng)。為了適應(yīng)未來(lái)科技社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)的需要，我國(guó)教育部從2003年起把中小學(xué)機(jī)器人比賽納入全國(guó)中小學(xué)電腦制作活動(dòng)中，2003年頒布的普通高中新課程標(biāo)準(zhǔn)又將“人工智能初步”及“簡(jiǎn)易機(jī)器人制作”列入選修內(nèi)容。

機(jī)器人是一種能夠通過(guò)程序控制，自主完成某類(lèi)任務(wù)的機(jī)器系統(tǒng)。教育機(jī)器人則是一類(lèi)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的機(jī)器人，它一般具有以下特點(diǎn)：首先是教學(xué)適應(yīng)性，符合教學(xué)使用的相關(guān)需求；其次是具有良好的性能價(jià)格比，特定的教學(xué)用戶(hù)群決定了其價(jià)位不能過(guò)高；再次就是它的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性，可以根據(jù)需要方便地增、減功能模塊，進(jìn)行自主創(chuàng)新；此外，它還應(yīng)當(dāng)有友好的人機(jī)交互界面。

國(guó)內(nèi)中小學(xué)機(jī)器人教育教學(xué)的開(kāi)展雖已有近十年的時(shí)間，但仍然游離于日常課堂教學(xué)之外。究其緣由，其中一主要因素是當(dāng)前教育機(jī)器人產(chǎn)品缺少規(guī)范，品牌繁雜，開(kāi)放性低等教育機(jī)器人產(chǎn)品自身的問(wèn)題。以下，我們將結(jié)合各個(gè)教學(xué)階段學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平和機(jī)器人教學(xué)的要求，在對(duì)此進(jìn)行闡述分析的基礎(chǔ)上對(duì)不同階段使用者所需的配件、人機(jī)界面等產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出一些意見(jiàn)和建議。

二、各階段學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展與機(jī)器人教育目標(biāo)

1.小學(xué)階段學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展與機(jī)器人教育目標(biāo)

著名的兒童教育學(xué)家和心理學(xué)家皮亞杰認(rèn)為：兒童的認(rèn)知是由他自身與外部世界不斷地相互作用而逐漸形成的一種結(jié)構(gòu)。兒童在觀察事物時(shí)，往往注意新鮮、感興趣的東西，他們對(duì)周?chē)澜缬兄鴱?qiáng)烈的好奇心和探究欲望，樂(lè)于動(dòng)手操作具體形象的物體。因此，這一時(shí)期是培養(yǎng)科學(xué)興趣、體驗(yàn)科學(xué)過(guò)程、發(fā)展科學(xué)精神的重要時(shí)期。

小學(xué)階段的機(jī)器人教育，主要是讓學(xué)生了解智能機(jī)器人的應(yīng)用價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)習(xí)使用機(jī)器人的興趣。具體到教學(xué)要求上，對(duì)于硬件部分則要求學(xué)生了解簡(jiǎn)易機(jī)器人的基本構(gòu)造；說(shuō)出各類(lèi)傳感器(如聲音、光敏、紅外、溫度、觸摸)的功能及其對(duì)人類(lèi)功能的模擬。能描述機(jī)器人各部分的功能更和工作原理，能描述機(jī)器人各部分的功能和工作原理，如通過(guò)傳感器搜集信息、通過(guò)程序來(lái)判斷處理信息、控制外部動(dòng)作等；如果條件允許，則可要求學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)要求和已有的模塊化組裝部件，嘗試動(dòng)手制作或組裝簡(jiǎn)單的實(shí)物機(jī)器人，將編制好的控制程序?qū)氲綄?shí)物機(jī)器人；在程序設(shè)計(jì)方面，學(xué)習(xí)LOGO等簡(jiǎn)易語(yǔ)言或圖形化操作界面，能夠結(jié)合使用傳感器模塊和流程控制模塊等編寫(xiě)程序，感受利用程序解決問(wèn)題的一般過(guò)程。

2.初中階段學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展與機(jī)器人教育目標(biāo)

初中階段正是“形式運(yùn)算”階段(12～15歲)。這個(gè)階段的主要思維特點(diǎn)是，在頭腦中可以把事物的形式和內(nèi)容分開(kāi)，可以離開(kāi)具體事物，根據(jù)假設(shè)來(lái)進(jìn)行邏輯推演，能運(yùn)用形式運(yùn)算來(lái)解決諸如組合、包含、比例、排除、概率及因素分析等邏輯課題。初中生思維活動(dòng)的基本特點(diǎn)是抽象邏輯思維已占主導(dǎo)地位，但有時(shí)思維中的具體形象成分還起作用。

初中階段的機(jī)器人教育，不僅要求培養(yǎng)學(xué)生使用機(jī)器人的興趣，還要教授機(jī)器人的基本工作原理，了解機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展前沿。在硬件知識(shí)部分，除了在制作和操縱簡(jiǎn)單的機(jī)器人的基礎(chǔ)上，探究機(jī)器人的機(jī)械裝置、電子裝置、傳感器裝置等，能力強(qiáng)的學(xué)生可對(duì)機(jī)器人構(gòu)件功能進(jìn)行拓展應(yīng)用，例如用繼電器和聲音傳感器組裝聲控?zé)?；在軟件部分，了解?jì)算機(jī)控制機(jī)器人做出各種動(dòng)作的簡(jiǎn)單流程，感知程序和程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，理解程序的基本結(jié)構(gòu)，了解“確定算法，編程實(shí)現(xiàn)”這一計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的一般過(guò)程。

3.高中階段學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展與機(jī)器人教育目標(biāo)

高中生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的完整體系基本形成。高中生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的各種要素迅速發(fā)展，各認(rèn)知能力不斷完善，認(rèn)知的核心成分——思維能力更加成熟，抽象邏輯思維占了優(yōu)勢(shì)地位，辯證思維和創(chuàng)造思維有了很大的發(fā)展。思維的目的性、方向性更明確，認(rèn)知系統(tǒng)的自我評(píng)價(jià)和自我控制能力明顯增強(qiáng)。他們情感豐富、意志力增強(qiáng)，興趣更廣泛和穩(wěn)定，學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)更強(qiáng)烈。

高中階段的機(jī)器人教育，已經(jīng)出臺(tái)了一些課程標(biāo)準(zhǔn)，如新課標(biāo)“簡(jiǎn)易機(jī)器人制作”模塊要求學(xué)生知道單片機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)的基本知識(shí)，能設(shè)計(jì)與制作單片機(jī)和傳動(dòng)機(jī)械等組成的簡(jiǎn)易自動(dòng)控制機(jī)器人或簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制系統(tǒng)。對(duì)于硬件知識(shí)部分，學(xué)生除了對(duì)各部件功能結(jié)構(gòu)的了解外，也會(huì)自行改造；在程序設(shè)計(jì)方面，考慮到對(duì)學(xué)生算法與程序設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，因此除了對(duì)圖形化編程的掌握外，還要求使用更高級(jí)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，如Qbasic、C、Java等，通過(guò)代碼編輯器直接設(shè)計(jì)程序來(lái)控制機(jī)器人運(yùn)行，在編程的過(guò)程中鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力。

三、教育機(jī)器人的功能設(shè)計(jì)分析

綜上所述，不同階段學(xué)生的認(rèn)知水平和教學(xué)要求都各不相同，那么不同層次的教學(xué)對(duì)象就需要選用不同的教育機(jī)器人產(chǎn)品，以便提供合適的功能、配件以及人機(jī)界面。那么，目前的教育機(jī)器人產(chǎn)品能否滿(mǎn)足各種年齡層次的學(xué)生的需要呢?市場(chǎng)上不乏有很多好的教育機(jī)器人產(chǎn)品，但也存在一些不近如人意的地方，因此根據(jù)上述不同階段學(xué)生的認(rèn)知水平和機(jī)器人教育的要求，我們對(duì)四個(gè)階段所用機(jī)器人產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)與功能、程序設(shè)計(jì)與傳輸、機(jī)器人本體三部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，提出了如下表1所示的教育機(jī)器人的結(jié)構(gòu)功能及標(biāo)準(zhǔn)要求簡(jiǎn)表1。

表1 適用于不同教學(xué)階段的教育機(jī)器人結(jié)構(gòu)功能及標(biāo)準(zhǔn)要求簡(jiǎn)表

1.應(yīng)用于小學(xué)階段的教育機(jī)器人的設(shè)計(jì)

適用小學(xué)階段的教育機(jī)器人，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，主要體現(xiàn)在插件應(yīng)用上，對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)可選用積木式或插件式或變形式三種類(lèi)型。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利于學(xué)生在機(jī)器人外形上做創(chuàng)新，憑自己的想象任意搭建機(jī)器人，設(shè)計(jì)出形態(tài)各異的機(jī)器人；對(duì)于機(jī)器人控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)，這部分知識(shí)要求超過(guò)了這一年齡段學(xué)生的認(rèn)知，因此可選用模塊功能封裝的形式，分別采用一體化控制模塊和成品設(shè)備；在人機(jī)交互上，可以采用人工控制的方式，例如遙控；也可用程序控制，選用簡(jiǎn)易的可視化圖形編程語(yǔ)言，如用LOGO語(yǔ)言做一些簡(jiǎn)單的編程。兒童學(xué)習(xí)LOGO語(yǔ)言，有利于他們?cè)J(rèn)知能力的發(fā)展?？紤]到學(xué)生的能力水平和教學(xué)要求，可選用程序傳輸這種安全簡(jiǎn)便的方式把程序?qū)氲綄?shí)體機(jī)器人當(dāng)中；對(duì)于小學(xué)生來(lái)說(shuō)，還應(yīng)選用結(jié)實(shí)耐用的、安全的機(jī)器人產(chǎn)品。小學(xué)教師認(rèn)為，除了以上幾點(diǎn)外，選用的機(jī)器人產(chǎn)品也要方便管理。除此之外，根據(jù)學(xué)校的條件可選用一些有外形的機(jī)器人，例如，AIBO機(jī)器狗，這樣可以提高學(xué)生對(duì)機(jī)器人的興趣。

2.應(yīng)用于中小學(xué)階段的教育機(jī)器人的設(shè)計(jì)

初中階段使用的機(jī)器人在設(shè)計(jì)上不再以外形為主，需要附加一定的功能，要求學(xué)生了解簡(jiǎn)易傳感器原理及其使用，并能體現(xiàn)出機(jī)器人在焊接和控制應(yīng)用方面的知識(shí)，其機(jī)械傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可采用遙控式或單片機(jī)式，這樣學(xué)生對(duì)單片機(jī)的原理將有初步的了解。同時(shí)，采用單片機(jī)還可以大大降低產(chǎn)品的價(jià)格，利于機(jī)器人教育的普及推廣；控制系統(tǒng)可直接采用控制版，使得單片機(jī)的相關(guān)知識(shí)更為直觀的展現(xiàn)在學(xué)生面前；對(duì)于執(zhí)行系統(tǒng)，設(shè)計(jì)成半成品的形式，使之功能封裝成模塊化，利于學(xué)生自行組裝；在人機(jī)交互上，除了選用遙控式外，弱化益智類(lèi)玩具的概念，體現(xiàn)出機(jī)器人一定的智能化，可選用一些較LEGO語(yǔ)言要復(fù)雜些的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，如Qbasic，為后續(xù)學(xué)習(xí)VB語(yǔ)言作了鋪墊。傳輸技術(shù)還是采用安全系數(shù)高、操作簡(jiǎn)便的數(shù)據(jù)傳輸形式。初中教師提出，除了以上幾點(diǎn)功能設(shè)計(jì)要求外，所設(shè)計(jì)的教育機(jī)器人不僅可以用于課堂教學(xué)，還可以用于參加比賽。

3.應(yīng)用于高中階段的教育機(jī)器人的設(shè)計(jì)

適用高中階段的教育機(jī)器人，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要求有更好的可擴(kuò)展性和開(kāi)放性，注重產(chǎn)品功能的綜合應(yīng)用，最終達(dá)到可在多門(mén)課程中通用的要求。因此，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)除了可選用初中階段所采用的單片機(jī)形式外，還可選用嵌入式。但要注意的一點(diǎn)是單片機(jī)方面的設(shè)計(jì)要緊密結(jié)合通用技術(shù)模塊的要求，選擇可多次燒錄的單片機(jī)型號(hào)和簡(jiǎn)單易學(xué)的單片機(jī)編程語(yǔ)言；在控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)部分，可采用套裝散件。采用單片機(jī)和散裝化套件都極大的促進(jìn)了學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中動(dòng)手實(shí)踐能力的提高和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)；在人機(jī)交互方面，除了保留簡(jiǎn)易的圖形編程軟件平臺(tái)之外，鑒于高中生的認(rèn)知水平和今后計(jì)算機(jī)編程角度考慮，設(shè)計(jì)相對(duì)較抽象的編程語(yǔ)言接口，如Java、NQC、C++、C、匯編語(yǔ)言等。對(duì)于程序的傳輸除了選用數(shù)據(jù)線(xiàn)和紅外線(xiàn)發(fā)射傳輸之外，還可選用燒錄技術(shù)。

四、結(jié)束語(yǔ)

教育機(jī)器人作為機(jī)器人教育的實(shí)施平臺(tái)，其建設(shè)水平的高低對(duì)機(jī)器人教育具有至關(guān)重要的影響。研制適用于不同階段符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平和教學(xué)要求的教育機(jī)器人，不僅有利于解決教育機(jī)器人產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、選用，教學(xué)實(shí)施等當(dāng)前機(jī)器人教育中所存在的問(wèn)題，而且有利于機(jī)器人教育資源、實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的共享，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)機(jī)器人教育健康、規(guī)范、可持續(xù)發(fā)展有著積極的作用。同時(shí)，規(guī)范化的教育機(jī)器人產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)需要教育政府、高等院校、中小學(xué)學(xué)校、機(jī)器人廠商等各方面的共同協(xié)作與努力。

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2009-11-11