常會玲 彭敏霞

摘要:隨著科學技術的快速發(fā)展,機器人已經(jīng)從科學家的實驗室走進了學校的課堂。在機器人課堂教學中,教師起著主導作用。本文在對中小學機器人教育開展情況和教學內(nèi)容研究的基礎上,提出了機器人教師應該具備的知識結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)體系并對相關內(nèi)容進行了闡述,最后對這種知識與能力的培養(yǎng)進行了詳細闡述。

關鍵詞:機器人教育;機器人教師;知識結(jié)構(gòu);能力結(jié)構(gòu)

中圖分類號:G451 文獻標識碼:A 文章編號:1673-8454(2009)20-0081-04

一、中小學機器人教育開展概述

從信息技術發(fā)展的角度,人們把20世紀80年代稱為PC時代;把90年代飛速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)時代,稱為Inter時代;有人預言21世紀將是PR(個人機器人)時代。信息技術的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展趨勢表明,PC可能被PR取代,Internet也可能成為PR大腦的一部分。機器人正在逐步走進我們的生活,我國的許多學校正在開展各種形式的機器人教育。

機器人教育是指學習、利用機器人,優(yōu)化教育效果及師生勞動方式的理論與實踐。[1] 縱觀各地中小學機器人教育的方式,大體可以分為幾種:

第一種,通過學校、少年宮、少科站等單位吸收機器人愛好者,組成智能機器人學習小組,以學員制進行活動,并可代表地區(qū)參加各類競賽活動。這種形式是機器人進入中小學生視野最初、最多,也是最有效的方法。目前由于教學條件的限制,大多數(shù)學校還處于這個階段。

第二種,把智能機器人作為信息技術課的內(nèi)容之一列入中小學信息技術教育課程,這種形式正在形成期,教材的編寫、課程的常規(guī)性開設正在起步。當然,這無疑會為信息技術學科帶來新的活力,對目前信息技術教育重軟件應用、輕編程開發(fā)的局面也會有所改善。

第三種,機器人教育以研究性課程的形式進入中學,由于研究性學習課程越來越受到重視,也由于機器人教育的長期性、個性化,決定了如果通過研究性學習形式推廣,會更有利于對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

圖1是針對中小學機器人教學形式的調(diào)查,從圖中我們可以看出,目前許多學校開展機器人教育的形式主要是信息技術課的一部分內(nèi)容。教育機器人作為教學內(nèi)容進入中小學,無論國內(nèi)還是國外,目前都處于起步階段。通常的做法是由學校購買若干套機器人器材,由信息技術課程教師或綜合實踐課程教師進行指導,組織學生進行機器人組裝、編程的實踐活動,然后參加一些相關的機器人競賽。目前,只有極少數(shù)的地區(qū)和學校將機器人教學納入了正規(guī)課堂教學。[2]

2000年,北京市景山學校以科研課題的形式將機器人普及教育納入到信息技術課程中,在國內(nèi)率先開展了中小學機器人課程教學。2001年,上海市西南位育中學、盧灣高級中學等學校開始以“校本課程”的形式進行機器人活動進課堂的探索和嘗試。2005年,哈爾濱市正式將機器人引入課堂教學,在哈爾濱師范附小、60中、省實驗中學等41所學校開設了“人工智能與機器人”課程,用必修課形式對中小學生進行機器人科學方面的教育。此外,香港在高中及高等教育新學制的改革中,在高中“設計與應用科技”課程中增設了機器人制作的課程。機器人教育成為信息技術教育的新載體,并成為信息技術教育改革的一個新的模塊。教育部于2003年4月正式頒布《普通高中技術課程(實驗)標準》,首次在“通用技術”科目中設立了“簡易機器人制作”模塊,它是基于計算機技術的學習平臺、將機械傳動與單片機的應用有機組合的一個選修課程模塊。該模塊為學生提供了運用當代先進技術和先進思想方法進行設計、制作,以解決實際問題的機會。與此同時,新的高中課程標準在“信息技術”科目中也設立了“人工智能初步”選修模塊,邁出了我國高中階段開展人工智能教育的第一步。

通過筆者進行訪談和實地調(diào)查某些小學,例如西安交通大學附屬小學(南校區(qū))已經(jīng)將機器人教育獨立為一門學科,并根據(jù)樂高和其他廠家的教學機器人的說明書,開發(fā)出了適合本校學生的校本教材,在學校的一到六年級都開設了機器人教學,走在了全國機器人課堂教學的前列。

二、中小學機器人教學內(nèi)容

要開展機器人教育,首先必須解決的問題是有關機器人教育的教學內(nèi)容。機器人學科是一門交叉性極強的綜合性學科,它涉及到了機械制造、自動控制、傳感器技術、計算機軟件技術、計算機硬件技術等許多學科。[3] 一個機器人包括兩個主要部分:機器人的身體和某種形式的人工智能系統(tǒng)。不同的身體部分都可以叫做機器人,如關節(jié)手臂被用于焊接和上漆,因此這就決定了機器人教學在內(nèi)容上的復雜性。我國現(xiàn)階段中小學開展智能機器人教學,一般包括以下四方面的知識內(nèi)容:[5]

1.了解機器人概況

這一部分內(nèi)容主要是給學生介紹機器人常識性的知識,主要包括機器人的定義、機器人本質(zhì)和原理、機器人的誕生與發(fā)展以及在現(xiàn)實生活中的應用等內(nèi)容,有條件的教師還可以利用互聯(lián)網(wǎng)讓學生搜集一些不同類型的機器人圖片和資料,以此來激發(fā)學生對機器人的興趣。

2.熟悉機器人硬件

因為每個學校所使用的教學機器人品牌和類型都不盡相同,所以在學習了機器人常識知識之后,需要給學生介紹所使用的機器人的基本知識,使學生了解、熟悉機器人的硬件結(jié)構(gòu)體系,能夠在腦海中形成一個機器人工作的結(jié)構(gòu)示意圖。

3.掌握機器人編程

這部分內(nèi)容主要包括編程語言及編程環(huán)境的使用,簡單程序的編寫,面向?qū)嶋H問題(如直線行走、繞圈等)的編程設計,開發(fā)實用的機器人程序,掌握為一種智能機器人下載程序的方法,了解智能機器人的各種傳感器和驅(qū)動裝置的作用,理解并體會程序是智能機器人的靈魂,了解機器人是怎樣在人的指揮下工作的。

4.應用機器人項目

根據(jù)機器人項目的要求,應用機器人基本知識完成任務。例如,走迷宮、滅火和循線走圖形等實驗項目。

三、機器人教師的知識結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)

所謂結(jié)構(gòu)是指各個組成部分的搭配和排列,就知識本身而言,每個知識體系、每門學科,知識與知識之間都有特定的內(nèi)在聯(lián)系。知識結(jié)構(gòu)指知識的搭配和排列,[4]教師的知識結(jié)構(gòu)是指作為教師應掌握的相應知識,這些知識是教師進行教學工作的前提條件。教師的能力結(jié)構(gòu)是指教師在全面完成教育教學工作中所應具備的綜合能力,它是充分發(fā)揮教師主導作用的基礎。機器人教師的知識和能力結(jié)構(gòu)就是在機器人教學活動過程中所必須具備的相關教學內(nèi)容知識和能力體系。

機器人教師的知識和能力是機器人教學開展的前提和必要條件,但由于機器人教育是一個新興領域,師范院校開設這個專業(yè)目前幾乎還是個空白。根據(jù)最近的調(diào)查結(jié)果顯示,發(fā)現(xiàn)目前機器人教師的專業(yè)背景不盡相同,有76.3%的教師來自計算機專業(yè),18%的教師是物理專業(yè),其他專業(yè)背景很少,僅占5.7%。來自不同專業(yè)的機器人教師是否能勝任教學,這是我們普遍關注的問題。

根據(jù)機器人教學內(nèi)容和實踐,我們認為中小學機器人教師需要具備的知識結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)見圖2。 1.基礎知識和基本能力是教師開展工作的前提

中小學機器人教師和其他學科教師一樣,需要具備教育學和心理學理論基礎,這是進行教學工作的基礎。教師要教書育人,就必須懂得教育規(guī)律,掌握教育理論,用教育學、心理學、教學法的理論來武裝自己。教育實踐證明:科學的教學理論,可以給教師以正確的教育觀點,使教師了解教育工作的基本規(guī)律和基本方法,以指導教師進行科學的教育工作,加強工作的科學性和預見性,減少盲目性,從而取得最優(yōu)化的教育效果。

機器人教學離不開信息技術,各種教學程序的編制,上傳或下載等都需要教師具備嫻熟的計算機能力。

2.精深的專業(yè)知識是教學活動的保障

一門學科的專業(yè)知識就是這門任課教師知識結(jié)構(gòu)中的主干部分。專業(yè)知識不僅指對本學科的基本概念、基礎知識了如指掌,還要熟悉這門學科的歷史、現(xiàn)狀和未來趨勢,懂得這門學科的學習和研究方法。

中小學機器人教學的內(nèi)容除了機器人的概念、功能、原理、結(jié)構(gòu)、發(fā)展歷史、應用領域等基礎知識外,還包括機器人程序編寫及開發(fā)機器人程序,機器人的硬件結(jié)構(gòu)體系、機器人的模塊化拼裝、控制與維護,這就需要任課教師對教學內(nèi)容有熟練的把握。程序是智能機器人的靈魂,機器人的動作是依靠程序指揮進行的。所以,C語言、LOGO語言或者BASIC語言的編程能力成為教師專業(yè)能力的核心。智能機器人制作離不開單片機的知識。單片機基本結(jié)構(gòu)是將CPU、存儲器、接口電路和程序集成在一片硅片上,[6]單片機程序的用途是讓單片機按人們所預定的設計完成一系列動作,最終實現(xiàn)一個特定的功能。

3.較強的專業(yè)能力是機器人教師的必備條件

開展機器人教學活動的目標是使學生了解機器人學科前沿的發(fā)展和應用狀況,了解機器人的基本概念和基本工作方式,破除青少年對機器人的神秘感;使學生掌握一種機器人下載程序的方法,了解機器人的各種傳感器和驅(qū)動裝置的作用;理解機器人是怎樣在人的指揮下工作的。學習為一種機器人編寫程序,提高邏輯思維能力、規(guī)劃能力,分析問題和解決問題的能力;通過完成任務和模擬項目,使學生在為機器人擴充接口的過程中學習有關數(shù)字電路方面的知識,在組裝機器人的過程中培養(yǎng)學生的動手能力、協(xié)作能力和創(chuàng)造能力。

所以,要實現(xiàn)和完成機器人教育的教學目標,教師必須首先具備教學目標要求的能力,才能在教學活動中有針對性地去培養(yǎng)學生要求的能力,完成教學工作。目前,中小學生參與了各種形式的機器人比賽,機器人教師往往成為參賽小組的領隊或者教練。要想在各種激烈的比賽中取得佳績,對機器人教師的能力提出了更高的要求。

4.淵博的文化素養(yǎng)和創(chuàng)新能力是保證師生順利交流的前提

機器人行業(yè)是一個發(fā)展迅速的行業(yè),教師一定要及時準確地掌握最新的信息。當今社會信息更新速度驚人,就需要教師對信息有特殊敏感,這樣與學生的交流和溝通才能順暢。

21世紀,創(chuàng)新能力成為衡量綜合素質(zhì)人才的重要指標。機器人教育是創(chuàng)新教育的平臺,機器人教育是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的有效途徑。機器人的設計從方案制定到具體實施,全部過程由學生獨立完成,使學生的學習從被動轉(zhuǎn)向主動,獨立分析問題和解決問題,學生自主選擇知識,結(jié)合理論知識進行實踐操作。學生通過研究分析,可以用各種方式去設計機器人,通過不同算法去編程,極大地發(fā)揮個人潛能,培養(yǎng)了學生的設計能力、實踐動手能力和跨專業(yè)學習的綜合創(chuàng)新能力,為創(chuàng)新教育的開展提供了良好的教材。但是,中小學生的年齡和知識能力方面的限制,在實踐的過程中,容易異想天開或者固步自封,這就需要教師具有創(chuàng)新能力,對學生的想法和創(chuàng)意給予耐心的引導,必要時給予幫助。只有這樣,機器人教師才能完成教學任務,達到教學目標。

四、機器人教師的知識結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

機器人教育的開展離不開機器人教師,機器人教師完善的知識結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)是機器人教育開展的有力保障。在我國的教育培養(yǎng)體制中,教師都是從師范院校學習期滿合格后,才能走上工作崗位,從事與本專業(yè)對口的教學工作。在師范院校中開設機器人課程(有的學校是《人工智能》)的一個重要目的就是:為中小學校培養(yǎng)優(yōu)秀的機器人教師;同時更新學生的教學觀念,促進學生的全面發(fā)展。[7]與工科院校培養(yǎng)機器人的學科專家的教育目標不同,根據(jù)機器人教育的教學內(nèi)容和機器人教育培養(yǎng)目標,師范院校應該合理設置機器人教育有關的課程體系,具體設置怎么樣的課程需要進一步的研究。所以,師范院校承擔著培養(yǎng)中小學機器人教師的責任。

機器人教師自我提高和完善專業(yè)技能。由于機器人技術綜合了多學科的發(fā)展成果,代表了高新技術的發(fā)展前沿,機器人涉及信息技術的多個領域,它融合了多種先進技術,沒有一種技術平臺會比機器人具有更為強大的綜合性。所以,機器人教師應該比其他學科教師更具有自我發(fā)展的能力。因為一方面教師的發(fā)展是教育成功和學生發(fā)展的前提;另一方面,自我發(fā)展不僅是教師的義務,而且是教師的權(quán)利,是豐富教師生命內(nèi)涵的重要途徑。每位教師都具有自我發(fā)展的能力,自我專業(yè)發(fā)展意識是教師發(fā)展的最主要動力。教師應重視反思和自我修養(yǎng),在教師的專業(yè)發(fā)展中,提倡“自我更新”的價值取向。[8]

參加機器人教育的相關培訓。北京景山中學2000年5月派教師到上海參加了智能機器人培訓后,就在初中和高中開設了智能機器人小組活動。目前,許多智能機器人公司或者培訓機構(gòu)看到機器人教育前景繁榮,紛紛開展相關的機器人培訓。學校和當?shù)亟逃姓C構(gòu)應該支持機器人教師參與這樣的培訓,不斷提高和完善教師的知識和能力結(jié)構(gòu)體系。

另外,參加機器人比賽時教師應該抓住機會,與其他學校的教師或者智能機器人廠家的專家、高校人工智能的研究人員進行交流和學習。以此來提高自己的知識水平,拓展視野。

參考文獻:

[1]彭紹東.論機器人教育(上)[J].電化教育研究,2002,6.

[2]張劍平,王益.機器人教育:現(xiàn)狀、問題與推進策略[J].中國電化教育,2006,12.

[3](美)Saeed B.Niku.機器人學導論:分析、系統(tǒng)及應用分析、系統(tǒng)及應用[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2004.

[4]林崇德,王炳照.中國中學教學大百科全書(教育卷)[M].沈陽:沈陽出版社,1990.

[5]陸承景.對機器人學科教學目標和內(nèi)容的實踐與思考[J].中國電化教育,2006,12.

[6]劉瑞新.單片機原理及應用教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[7]吳潔.師范院校機器人課程開發(fā)與研究[DB/OL].http://lsg.cnki.net/grid20/detail.aspx?QueryID=293&CurRec=1.

[8]李夢麗,張月琪.加強教師專業(yè)能力培養(yǎng)的思考[J].天津師范大學學報(基礎教育版),2003,6.

(編輯:隗爽)