吳莎莎

機器人技術(shù)指的是對機器人的設(shè)計和應(yīng)用并完成一系列活動的自動化機器[1]。該技術(shù)首次出現(xiàn)于2016年地平線報告基礎(chǔ)教育版，并于2017年[2]在報告中持續(xù)升溫，引起高度重視，預(yù)計在2018年度成為學(xué)校主要的教學(xué)技術(shù)手段之一。市場化的激烈競爭以及技術(shù)的高速驅(qū)動著教育的不斷更新，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力與數(shù)字素養(yǎng)，提早做好職業(yè)規(guī)劃是教育領(lǐng)域刻不容緩的改革。近年來，許多國家的政府部門已意識到將機器人技術(shù)應(yīng)用到課堂中的重要性，已開始制訂將該技術(shù)納入國家教育體系的相關(guān)程序和法律，并將智能機器人作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可缺少的創(chuàng)新技術(shù)支撐，澳大利亞昆士蘭政府計劃在新課程中為高中生制訂機器人計算課程。由此可見，傳授學(xué)生基礎(chǔ)的機器人知識可以為他們打開一面全新的學(xué)習(xí)領(lǐng)域，為學(xué)生營造令人興奮創(chuàng)新體驗。

一、機器人技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的價值

隨著機器人技術(shù)的廣泛應(yīng)用，“機器人+教育”也逐漸引起人們的關(guān)注，主要體現(xiàn)以下三方面。首先，“機器人+教育”能夠培養(yǎng)學(xué)生的編碼素養(yǎng)，這是適應(yīng)未來世界發(fā)展的一項基本技能。學(xué)習(xí)計算機編程非常有前景，學(xué)生能夠更加從容地面對未來的職業(yè)生涯，面臨更多的工作選擇權(quán)，賺取更多的錢。雖然學(xué)習(xí)抽象的計算機編程對學(xué)生來說是一個復(fù)雜、艱難的過程，但機器人技術(shù)是一種相對簡單、更具體的編程入門。當(dāng)學(xué)生對機器人進行編程時，他們知道機器人能做什么、不能做什么，所以更能看出編程過程中所遇到的問題。學(xué)生學(xué)習(xí)了編程的技能，設(shè)計出精準(zhǔn)的指令，完成對機器人的操作，并從中獲得樂趣。

第二，學(xué)習(xí)機器人技術(shù)能夠增強學(xué)生的創(chuàng)造力。機器人是一種基于生產(chǎn)力的學(xué)習(xí)模塊。學(xué)生在學(xué)習(xí)機器人的過程中可以創(chuàng)造出一些有形的物品，在對其編程后執(zhí)行命令。機器人技術(shù)可以將工程學(xué)和技術(shù)相結(jié)合，在學(xué)生創(chuàng)造他們認(rèn)為有價值的物品時，他們會非常感興趣的投入精力，這樣才能激發(fā)學(xué)生真正的水平，創(chuàng)造出更多有價值的物品。此外，機器人技術(shù)也促進STEM學(xué)科發(fā)展的不斷增長，學(xué)生可以將科學(xué)、工程、數(shù)學(xué)以及技術(shù)融合在一起進行交叉學(xué)習(xí)。

第三，學(xué)習(xí)機器人技術(shù)能夠為學(xué)生未來職業(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。STEM領(lǐng)域的職業(yè)是目前增長最快的職業(yè)之一，而且預(yù)計在下一個十年還會有所增長。例如，在過去的幾年里，無人機行業(yè)發(fā)展迅猛，尤其在美國，每月出售量很大。如此巨大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)對人才規(guī)格的需求也是相當(dāng)巨大，特別需要具有創(chuàng)新思維的人才，并具備設(shè)計和創(chuàng)造所需技術(shù)的知識儲備。如此看來，當(dāng)學(xué)生在幾年后畢業(yè)時，會有超過一半的就業(yè)機會與STEM領(lǐng)域息息相關(guān)，剩余的大部分行業(yè)也會要求員工具備一些STEM知識。將機器人技術(shù)引入學(xué)校，有利于學(xué)生及時發(fā)展職業(yè)市場中所需的技能，以及自己感興趣的領(lǐng)域，提早做出規(guī)劃。如果不提前了解機器人領(lǐng)域，將有可能埋沒很多學(xué)生的創(chuàng)新能力與固有潛力。

二、機器人應(yīng)用于教育領(lǐng)域的國際案例

機器人技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用目前主要集中在基礎(chǔ)教育的課內(nèi)輔助教學(xué)和課外科技活動創(chuàng)新等方面。

1.哈爾瓦特大學(xué)舉辦了一個面向女生的計算機科學(xué)之日活動[3]

該活動由哈爾瓦特大學(xué)的女生主持，為蘇格蘭地區(qū)中學(xué)的女生學(xué)習(xí)如何對機器人進行操作與編程搭建平臺。在該活動有助于學(xué)校女生在計算機、人工智能以及機器人方面產(chǎn)生興趣，最主要的目的是致力于解決英國在科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)等職業(yè)方面長期女性短缺的問題。在活動中主要展示了大學(xué)關(guān)于計算機的最新研究和示范展品，學(xué)生學(xué)習(xí)了如何對移動應(yīng)用程序(APP)進行編程。斯特靈中學(xué)的計算機科學(xué)教師Shona McAlpine在此活動中加入到由4名學(xué)生組成的小組中。他認(rèn)為，這種活動非常有意義，學(xué)生能夠了解到課堂之外所發(fā)生的事情，以及計算機科學(xué)這門課程的不同應(yīng)用類型。哈爾瓦特大學(xué)計算機專業(yè)的學(xué)生Eileen Young，幫助一個由9名女生組成的小組完成了APP編程，她發(fā)現(xiàn)，APP是一個簡單的拖放系統(tǒng)，用于編碼Android設(shè)備中，該活動讓女孩可以制作自己的程序，并在自己的手機上隨時對機器人進行操作。

圖1 蘇格蘭高中女生參加計算機科學(xué)之日活動

由此看出，機器人技術(shù)具有調(diào)動女生學(xué)習(xí)技術(shù)的效果。通常來看，STEM學(xué)習(xí)一般男生占大多數(shù)，起主導(dǎo)作用，會讓女生質(zhì)疑自身編程或建構(gòu)計算機的能力。將機器人技術(shù)引入課堂的行為能夠逐漸改變此觀點，女生也會逐漸意識到自己有能力學(xué)習(xí)編碼構(gòu)建機器人，這對于她們的未來職業(yè)發(fā)展以及創(chuàng)造新技術(shù)能力的發(fā)揮是一個良機。

2.在學(xué)生的課外活動中嵌入初級機器人編程項目并參與機器人大賽

墨爾本的Roberts McCubbin小學(xué)為學(xué)生提供了一個專業(yè)的機器人程序。教師發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對此非常感興趣，他們甚至?xí)艞壩绮蜁r間、周末和學(xué)校的假期研究機器人。教授機器人的教師Browne認(rèn)為，機器人技術(shù)可以應(yīng)用到學(xué)校的很多不同方面，不僅是學(xué)生為適應(yīng)未來發(fā)展而要學(xué)習(xí)的一門學(xué)科，它本身的許多技能特點也可以與其他學(xué)科相互交叉融合。例如，我們通常用機器人作為教授如數(shù)學(xué)、語言和科學(xué)等學(xué)科的輔助工具，其實還可以將機器人用于齒輪和重量分布方面的研究。

在如何編程方面，Browne采取實驗的方式開展，鼓勵孩子們“去嘗試”，在此過程中發(fā)現(xiàn)有效部分以及為何能夠有效啟動機器。在每一環(huán)節(jié)的起始部分，會明確地說明如何使用一個特定的程序使機器人運轉(zhuǎn)，或使用傳感器轉(zhuǎn)動，機器人上設(shè)有傳感器，使其具有自動化功能，學(xué)生可以使用顏色傳感器使機器人按照路線行駛。完成此步驟后，教師會為學(xué)生設(shè)定一個挑戰(zhàn)，學(xué)生可以使用不同種方式進行編程，沒有唯一答案，學(xué)生在其基礎(chǔ)水平內(nèi)可以完成挑戰(zhàn)。

Roberts McCubbin小學(xué)機器人參賽成績也是名列前茅，在連續(xù)4年成功獲取維多利亞錦標(biāo)賽之后，該小學(xué)有2支隊伍參加了全國機器人錦標(biāo)賽，其中一支隊伍在19所參賽學(xué)校中排名第三。在機器人的學(xué)習(xí)和競賽中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生可以從中更有耐心的堅持學(xué)習(xí)，從錯誤中不斷吸取經(jīng)驗，并形成團隊意識。大家一起為一個目標(biāo)努力，將任務(wù)分解，相互協(xié)調(diào)幫助，相互鼓勵。對于學(xué)生來說，最重要的是在機器人編程過程中獲取了解決問題的能力，在此過程中，他們一直在研究程序編碼，并不斷檢查代碼，分析是否有所改變，以及可能會影響的結(jié)果等一系列的問題。

圖2 學(xué)生的機器人編程作品[4]

除此之外，機器人技術(shù)也被看作是21世紀(jì)的一項運動。就像其他運動一樣，成員應(yīng)具有團隊協(xié)作能力、解決問題能力以及相互協(xié)作的能力。目前，國際上會有很多關(guān)于機器人的賽事，以校級和國家級為主，參賽者需要開發(fā)并操作機器人來完成參賽目標(biāo)或提供最快的解決方案。例如，游戲Skyhook要求機器人能夠撿起物品，然后將物品運送至規(guī)定的地點，這是亞馬遜開發(fā)的關(guān)于產(chǎn)品交付的現(xiàn)實解決方案的模擬。對知識的直接應(yīng)用不僅可以增加學(xué)生對該學(xué)科的興趣，還可以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維模式。

機器人在發(fā)達國家的應(yīng)用處于領(lǐng)先地位，在我國相關(guān)研究也已于20世紀(jì)七八十年代開始，但應(yīng)用于教育領(lǐng)域相對較晚。目前北京、上海、廣東等地區(qū)已將機器人納入當(dāng)?shù)卣n程中，在學(xué)生升學(xué)過程中，機器人也作為學(xué)生特長，成為進入重點學(xué)校的敲門磚，這也是很多家長從小培養(yǎng)孩子機器人特長的原因之一。學(xué)生每年也會有很多參加機器人大賽的機會，全球每年會組織100多項機器人賽事，如FIRA機器人足球賽、FILL機器人世界錦標(biāo)賽、中國教育機器人大賽以及VEX機器人世界錦標(biāo)賽、世界教育機器人大賽等。學(xué)生的創(chuàng)新能力、協(xié)作能力、解決問題的能力都能在比賽中充分體現(xiàn)。

三、機器人應(yīng)用于教育領(lǐng)域的啟示

首先，從教師角度來看，將機器人技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)，有助于教師實現(xiàn)教育與技術(shù)的深度融合，促進教師的教學(xué)質(zhì)量?，F(xiàn)如今，技術(shù)手段快速發(fā)展，教師不僅有教學(xué)的壓力，還需要面對很多班級管理工作，如智能白板、平板電腦等，技術(shù)走進課堂無疑給教師增添了很多任務(wù)。而技術(shù)的本質(zhì)不應(yīng)該成為教學(xué)的障礙，而是用來激發(fā)教育工作者的靈感，從而助力他們的工作。將機器人應(yīng)用于課堂可以幫助教師處理技術(shù)方面所遇到的問題，相當(dāng)于教師的工作助手，機器人跟隨教師的指令，自動完成技術(shù)操作命令，協(xié)助教師在課堂中傳遞關(guān)于數(shù)字和交互式內(nèi)容，并且實現(xiàn)在學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)后評估學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，如此一來，教師就可以更為專注于進行知識的傳授以及教學(xué)設(shè)計。

其次，對于學(xué)生來說，學(xué)習(xí)編碼是未來全球發(fā)展的主要趨勢與基本素養(yǎng)，有助于學(xué)生的職業(yè)發(fā)展。當(dāng)前的數(shù)字化環(huán)境使我們預(yù)想到未來與計算機相關(guān)的相對穩(wěn)定職業(yè)，如擅長編寫代碼，掌握軟件功能或創(chuàng)建虛擬世界等。而機器人最主要的設(shè)計就是編碼，人們可以與機器進行數(shù)字交流，未來將會有很多基于編碼的職業(yè)。目前，編碼知識的學(xué)習(xí)大多數(shù)是在高等教育中進行，數(shù)據(jù)科學(xué)家通常需要獲得數(shù)學(xué)或物理的高等教育學(xué)位。而我們所提及的編碼學(xué)習(xí)，不需要專門獲取專業(yè)的學(xué)位，而是作為一項基本技能而學(xué)習(xí)。麻省理工學(xué)院在新罕不什爾州剛剛推出一個試點項目，面向當(dāng)?shù)亟處熖峁┝艘婚TTeachCode Academy課程，主要內(nèi)容是如何教授編碼，試圖將計算機科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橐婚T課程，使編碼技能變得更為實用[5]。

再次，學(xué)習(xí)機器人技術(shù)不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的編碼能力，還有利于培養(yǎng)學(xué)生的毅力、創(chuàng)造力與接納力。如何建構(gòu)和編碼機器人是一項復(fù)雜而具有挑戰(zhàn)的過程，許多學(xué)生在最初階段會對其中的概念理解產(chǎn)生困難與抵觸心理，常常受挫。而在學(xué)校中學(xué)習(xí)機器人技術(shù)可以幫助這些學(xué)生化挫折為創(chuàng)造力。在此過程中，教師不僅傳授機器人的相關(guān)知識，還能夠告訴學(xué)生面對挑戰(zhàn)時需要毅力與決心。學(xué)生在不斷克服困難后樹立更高的目標(biāo)，最終完成任務(wù)。這不僅教會學(xué)生如何堅持和解決問題，還幫助他們提高技術(shù)水平，為今后實際工作奠定基礎(chǔ)。

最后，機器人技術(shù)可以適用于具有各種性格特點的學(xué)生。研究表明，機器人技術(shù)對于有自閉癥的學(xué)生具有很強的吸引力，機器人能夠幫助這些學(xué)生，有助于這些學(xué)生性格的塑造?，F(xiàn)階段，諸如“ASK NAO”和“Milo”等機器人已被開發(fā)出來，主要是為了幫助自閉癥學(xué)生學(xué)習(xí)知識并疏通情緒。

四、結(jié)語

將機器人技術(shù)引入課堂中，不僅可以帶來多元化的教學(xué)體驗，還能夠提高學(xué)生實踐能力，體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)理念以及教育與技術(shù)的深度融合。從基礎(chǔ)教育開始培養(yǎng)學(xué)生機器人技術(shù)以及編程素養(yǎng)，能夠充分開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力、計算思維以及協(xié)作精神，同時也為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才奠定基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]S?亞當(dāng)斯貝克爾,A?弗里曼,C?霍爾，M?卡明斯,B?袁克.新媒體聯(lián)盟地平線報告:2016基礎(chǔ)教育版[R].白曉晶,張春華,吳莎莎,季瑞芳,李國云,譯.新媒體聯(lián)盟,2016.

[2]A?弗里曼,S?亞當(dāng)斯貝克爾,M?卡明斯,A?戴維斯,C?霍爾.新媒體聯(lián)盟地平線報告:2017基礎(chǔ)教育版[M].白曉晶,張春華,李國云,季瑞芳,吳莎莎,譯.新媒體聯(lián)盟,2017.

[3]Year of Robotics 2017: School girls inspired to build mobile apps[EB/OL].[2018-01-02]. https://www.hw.ac.uk/about/news/year-of-robotics-2017-schoolgirls-inspired.htm.

[4]Primary robotics program engages students beyond the classroom [EB/OL].[2018-02-01]. https://www.teachermagazine.com.au/articles/primary-roboticsprogram-engages-students-beyond-the-classroom.

[5]Why Coding Is Still The Most Important Job Skill of The Future [EB/OL].[2018-02-02]. https://www.fastcompany.com/3060883/why-coding-is-the-jobskill-of-the-future-for-everyone.