机器人技术：数字化学习的好助手

吴莎莎

机器人技术指的是对机器人的设计和应用并完成一系列活动的自动化机器[1]。该技术首次出现于2016年地平线报告基础教育版，并于2017年[2]在报告中持续升温，引起高度重视，预计在2018年度成为学校主要的教学技术手段之一。市场化的激烈竞争以及技术的高速驱动着教育的不断更新，培养学生创新能力与数字素养，提早做好职业规划是教育领域刻不容缓的改革。近年来，许多国家的政府部门已意识到将机器人技术应用到课堂中的重要性，已开始制订将该技术纳入国家教育体系的相关程序和法律，并将智能机器人作为战略新兴产业发展不可缺少的创新技术支撑，澳大利亚昆士兰政府计划在新课程中为高中生制订机器人计算课程。由此可见，传授学生基础的机器人知识可以为他们打开一面全新的学习领域，为学生营造令人兴奋创新体验。

一、机器人技术应用于教育领域的价值

随着机器人技术的广泛应用，“机器人+教育”也逐渐引起人们的关注，主要体现以下三方面。首先，“机器人+教育”能够培养学生的编码素养，这是适应未来世界发展的一项基本技能。学习计算机编程非常有前景，学生能够更加从容地面对未来的职业生涯，面临更多的工作选择权，赚取更多的钱。虽然学习抽象的计算机编程对学生来说是一个复杂、艰难的过程，但机器人技术是一种相对简单、更具体的编程入门。当学生对机器人进行编程时，他们知道机器人能做什么、不能做什么，所以更能看出编程过程中所遇到的问题。学生学习了编程的技能，设计出精准的指令，完成对机器人的操作，并从中获得乐趣。

第二，学习机器人技术能够增强学生的创造力。机器人是一种基于生产力的学习模块。学生在学习机器人的过程中可以创造出一些有形的物品，在对其编程后执行命令。机器人技术可以将工程学和技术相结合，在学生创造他们认为有价值的物品时，他们会非常感兴趣的投入精力，这样才能激发学生真正的水平，创造出更多有价值的物品。此外，机器人技术也促进STEM学科发展的不断增长，学生可以将科学、工程、数学以及技术融合在一起进行交叉学习。

第三，学习机器人技术能够为学生未来职业发展奠定基础。STEM领域的职业是目前增长最快的职业之一，而且预计在下一个十年还会有所增长。例如，在过去的几年里，无人机行业发展迅猛，尤其在美国，每月出售量很大。如此巨大规模的产业对人才规格的需求也是相当巨大，特别需要具有创新思维的人才，并具备设计和创造所需技术的知识储备。如此看来，当学生在几年后毕业时，会有超过一半的就业机会与STEM领域息息相关，剩余的大部分行业也会要求员工具备一些STEM知识。将机器人技术引入学校，有利于学生及时发展职业市场中所需的技能，以及自己感兴趣的领域，提早做出规划。如果不提前了解机器人领域，将有可能埋没很多学生的创新能力与固有潜力。

二、机器人应用于教育领域的国际案例

机器人技术在教育领域的应用目前主要集中在基础教育的课内辅助教学和课外科技活动创新等方面。

1.哈尔瓦特大学举办了一个面向女生的计算机科学之日活动[3]

该活动由哈尔瓦特大学的女生主持，为苏格兰地区中学的女生学习如何对机器人进行操作与编程搭建平台。在该活动有助于学校女生在计算机、人工智能以及机器人方面产生兴趣，最主要的目的是致力于解决英国在科学、技术、工程以及数学等职业方面长期女性短缺的问题。在活动中主要展示了大学关于计算机的最新研究和示范展品，学生学习了如何对移动应用程序(APP)进行编程。斯特灵中学的计算机科学教师Shona McAlpine在此活动中加入到由4名学生组成的小组中。他认为，这种活动非常有意义，学生能够了解到课堂之外所发生的事情，以及计算机科学这门课程的不同应用类型。哈尔瓦特大学计算机专业的学生Eileen Young，帮助一个由9名女生组成的小组完成了APP编程，她发现，APP是一个简单的拖放系统，用于编码Android设备中，该活动让女孩可以制作自己的程序，并在自己的手机上随时对机器人进行操作。

图1 苏格兰高中女生参加计算机科学之日活动

由此看出，机器人技术具有调动女生学习技术的效果。通常来看，STEM学习一般男生占大多数，起主导作用，会让女生质疑自身编程或建构计算机的能力。将机器人技术引入课堂的行为能够逐渐改变此观点，女生也会逐渐意识到自己有能力学习编码构建机器人，这对于她们的未来职业发展以及创造新技术能力的发挥是一个良机。

2.在学生的课外活动中嵌入初级机器人编程项目并参与机器人大赛

墨尔本的Roberts McCubbin小学为学生提供了一个专业的机器人程序。教师发现，学生对此非常感兴趣，他们甚至会放弃午餐时间、周末和学校的假期研究机器人。教授机器人的教师Browne认为，机器人技术可以应用到学校的很多不同方面，不仅是学生为适应未来发展而要学习的一门学科，它本身的许多技能特点也可以与其他学科相互交叉融合。例如，我们通常用机器人作为教授如数学、语言和科学等学科的辅助工具，其实还可以将机器人用于齿轮和重量分布方面的研究。

在如何编程方面，Browne采取实验的方式开展，鼓励孩子们“去尝试”，在此过程中发现有效部分以及为何能够有效启动机器。在每一环节的起始部分，会明确地说明如何使用一个特定的程序使机器人运转，或使用传感器转动，机器人上设有传感器，使其具有自动化功能，学生可以使用颜色传感器使机器人按照路线行驶。完成此步骤后，教师会为学生设定一个挑战，学生可以使用不同种方式进行编程，没有唯一答案，学生在其基础水平内可以完成挑战。

Roberts McCubbin小学机器人参赛成绩也是名列前茅，在连续4年成功获取维多利亚锦标赛之后，该小学有2支队伍参加了全国机器人锦标赛，其中一支队伍在19所参赛学校中排名第三。在机器人的学习和竞赛中发现，学生可以从中更有耐心的坚持学习，从错误中不断吸取经验，并形成团队意识。大家一起为一个目标努力，将任务分解，相互协调帮助，相互鼓励。对于学生来说，最重要的是在机器人编程过程中获取了解决问题的能力，在此过程中，他们一直在研究程序编码，并不断检查代码，分析是否有所改变，以及可能会影响的结果等一系列的问题。

图2 学生的机器人编程作品[4]

除此之外，机器人技术也被看作是21世纪的一项运动。就像其他运动一样，成员应具有团队协作能力、解决问题能力以及相互协作的能力。目前，国际上会有很多关于机器人的赛事，以校级和国家级为主，参赛者需要开发并操作机器人来完成参赛目标或提供最快的解决方案。例如，游戏Skyhook要求机器人能够捡起物品，然后将物品运送至规定的地点，这是亚马逊开发的关于产品交付的现实解决方案的模拟。对知识的直接应用不仅可以增加学生对该学科的兴趣，还可以培养学生创新思维模式。

机器人在发达国家的应用处于领先地位，在我国相关研究也已于20世纪七八十年代开始，但应用于教育领域相对较晚。目前北京、上海、广东等地区已将机器人纳入当地课程中，在学生升学过程中，机器人也作为学生特长，成为进入重点学校的敲门砖，这也是很多家长从小培养孩子机器人特长的原因之一。学生每年也会有很多参加机器人大赛的机会，全球每年会组织100多项机器人赛事，如FIRA机器人足球赛、FILL机器人世界锦标赛、中国教育机器人大赛以及VEX机器人世界锦标赛、世界教育机器人大赛等。学生的创新能力、协作能力、解决问题的能力都能在比赛中充分体现。

三、机器人应用于教育领域的启示

首先，从教师角度来看，将机器人技术应用于教学，有助于教师实现教育与技术的深度融合，促进教师的教学质量。现如今，技术手段快速发展，教师不仅有教学的压力，还需要面对很多班级管理工作，如智能白板、平板电脑等，技术走进课堂无疑给教师增添了很多任务。而技术的本质不应该成为教学的障碍，而是用来激发教育工作者的灵感，从而助力他们的工作。将机器人应用于课堂可以帮助教师处理技术方面所遇到的问题，相当于教师的工作助手，机器人跟随教师的指令，自动完成技术操作命令，协助教师在课堂中传递关于数字和交互式内容，并且实现在学生完成学习任务后评估学生的学习成果，如此一来，教师就可以更为专注于进行知识的传授以及教学设计。

其次，对于学生来说，学习编码是未来全球发展的主要趋势与基本素养，有助于学生的职业发展。当前的数字化环境使我们预想到未来与计算机相关的相对稳定职业，如擅长编写代码，掌握软件功能或创建虚拟世界等。而机器人最主要的设计就是编码，人们可以与机器进行数字交流，未来将会有很多基于编码的职业。目前，编码知识的学习大多数是在高等教育中进行，数据科学家通常需要获得数学或物理的高等教育学位。而我们所提及的编码学习，不需要专门获取专业的学位，而是作为一项基本技能而学习。麻省理工学院在新罕不什尔州刚刚推出一个试点项目，面向当地教师提供了一门TeachCode Academy课程，主要内容是如何教授编码，试图将计算机科学转变为一门课程，使编码技能变得更为实用[5]。

再次，学习机器人技术不仅可以培养学生的编码能力，还有利于培养学生的毅力、创造力与接纳力。如何建构和编码机器人是一项复杂而具有挑战的过程，许多学生在最初阶段会对其中的概念理解产生困难与抵触心理，常常受挫。而在学校中学习机器人技术可以帮助这些学生化挫折为创造力。在此过程中，教师不仅传授机器人的相关知识，还能够告诉学生面对挑战时需要毅力与决心。学生在不断克服困难后树立更高的目标，最终完成任务。这不仅教会学生如何坚持和解决问题，还帮助他们提高技术水平，为今后实际工作奠定基础。

最后，机器人技术可以适用于具有各种性格特点的学生。研究表明，机器人技术对于有自闭症的学生具有很强的吸引力，机器人能够帮助这些学生，有助于这些学生性格的塑造。现阶段，诸如“ASK NAO”和“Milo”等机器人已被开发出来，主要是为了帮助自闭症学生学习知识并疏通情绪。

四、结语

将机器人技术引入课堂中，不仅可以带来多元化的教学体验，还能够提高学生实践能力，体现了以学生为中心的教学理念以及教育与技术的深度融合。从基础教育开始培养学生机器人技术以及编程素养，能够充分开发学生的创造力、计算思维以及协作精神，同时也为培养创新型人才奠定基础。

参考文献

[1]S•亚当斯贝克尔,A•弗里曼,C•霍尔，M•卡明斯,B•袁克.新媒体联盟地平线报告:2016基础教育版[R].白晓晶,张春华,吴莎莎,季瑞芳,李国云,译.新媒体联盟,2016.

[2]A•弗里曼,S•亚当斯贝克尔,M•卡明斯,A•戴维斯,C•霍尔.新媒体联盟地平线报告:2017基础教育版[M].白晓晶,张春华,李国云,季瑞芳,吴莎莎,译.新媒体联盟,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.