☆馬睿

（南京市電化教育館，江蘇南京 210029）

近年來，機(jī)器人技術(shù)已從單一的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域向人類社會的各個領(lǐng)域拓展，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展對世界科技的發(fā)展，人類社會的進(jìn)步都有著不可估量的影響。在這一大背景下，開展智能機(jī)器人創(chuàng)新活動有助于推動機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。目前，一些西方國家已把機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐活動作為技術(shù)教育課程體系的一部分，而我國的一些省市也把機(jī)器人的教學(xué)內(nèi)容納入到信息技術(shù)的選修或者必修教材中。近年來，南京市已在部分中小學(xué)開展了機(jī)器人的創(chuàng)新與實(shí)踐活動，在教育教學(xué)和競賽活動方面都取得了一定的成果和經(jīng)驗(yàn)，部分學(xué)校的應(yīng)用水平已經(jīng)處在了全省甚至全國的領(lǐng)先地位。特別在我市出臺了教育信息化兩年行動計(jì)劃行動方案后，如何做好機(jī)器人教育的創(chuàng)新活動，對于推動我市中小學(xué)信息技術(shù)教育向更高層次發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。本文結(jié)合筆者多年從事我市智能機(jī)器人競賽及教學(xué)工作方面的經(jīng)驗(yàn)，談?wù)勎沂性陂_展智能機(jī)器人創(chuàng)新活動方面的現(xiàn)狀及思考。

一、智能機(jī)器人的定義

從廣泛意義上理解，所謂的智能機(jī)器人，它給人的最深刻的印象是一個獨(dú)特的進(jìn)行自我控制的“活物”。其實(shí)，這個自控“活物”的主要器官不像真正的人那樣微妙而復(fù)雜。智能機(jī)器人具備形形色色的內(nèi)部信息傳感器和外部信息傳感器，如：視覺、聽覺、觸覺、嗅覺。它還有效應(yīng)器，作為作用于周圍環(huán)境的手段，這就是筋肉，或稱自整步電動機(jī)，它們使手、腳、鼻子、觸角等動起來。由此可知，智能機(jī)器人至少要具備以下三個要素：一是感覺要素，用來認(rèn)識周圍環(huán)境狀態(tài)；二是運(yùn)動要素，對外界做出反應(yīng)性動作；三是思考要素，根據(jù)感覺要素所得到的信息，思考出采用什么樣的動作。感覺要素包括能感知視覺、接近、距離等的非接觸型傳感器和能感知力、壓覺、觸覺等的接觸型傳感器。這些要素就相當(dāng)于人的眼、鼻、耳等五官，它們的功能可以利用諸如攝像機(jī)、圖像傳感器、超聲波傳成器、激光器、導(dǎo)電橡膠、壓電元件、氣動元件、行程開關(guān)等機(jī)電元器件來實(shí)現(xiàn)。對運(yùn)動要素來說，智能機(jī)器人需要有一個無軌道型的移動機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)諸如平地、臺階、墻壁、樓梯、坡道等不同的地理環(huán)境。它們的功能可以借助輪子、履帶、支腳、吸盤、氣墊等移動機(jī)構(gòu)來完成。在運(yùn)動過程中要對移動機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時控制，這種控制包括位置控制，還包括力度控制、位置與力度混合控制、伸縮率控制等。智能機(jī)器人的思考要素是三個要素中的關(guān)鍵，也是人們要賦予機(jī)器人必備的要素。思考要素包括有判斷、邏輯分析、理解等方面的智力活動。這些智力活動實(shí)質(zhì)上是一個信息處理過程，而計(jì)算機(jī)是完成這個處理過程的主要手段。

二、國內(nèi)外智能機(jī)器人在教育創(chuàng)新活動中開展的現(xiàn)狀

（一）基本現(xiàn)狀

國外的機(jī)器人教育一直是個熱點(diǎn)。早在1994年，麻省理工學(xué)院就設(shè)立了“設(shè)計(jì)和建造LEGO機(jī)器人”課程（Martin），目的是提高工程設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生的設(shè)計(jì)和創(chuàng)造能力,嘗試整合機(jī)器人教育與理科實(shí)驗(yàn)。麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室“終身幼兒園”項(xiàng)目小組開發(fā)了各種教學(xué)工具,通過與著名積木玩具商樂高公司的緊密合作,該項(xiàng)目組開發(fā)出可編程的樂高玩具,幫孩子們學(xué)會在數(shù)字時代怎樣進(jìn)行設(shè)計(jì)活動。同時,國外的一些智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室也有相應(yīng)的機(jī)器人教育研究的內(nèi)容。

新加坡國立教育學(xué)院（NIE）和樂高教育部于2006年6月在新加坡舉辦了第一屆亞太ROBO-LAB國際教育研討會,通過專題報告、論文交流和動手制作等方式,就機(jī)器人教育及其在科技、數(shù)學(xué)課程里的應(yīng)用進(jìn)行交流,以提高教師們開展機(jī)器人教育的科技水平與應(yīng)用能力。

近年來，我國的機(jī)器人教育有了很大的發(fā)展。教育機(jī)器人逐步成為中小學(xué)技術(shù)課程和綜合實(shí)踐課程的良好載體。教育機(jī)器人與學(xué)科教育相結(jié)合,可以幫助科學(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)等學(xué)科的教學(xué),在國內(nèi)已經(jīng)有學(xué)者提出機(jī)器人與理科教學(xué)整合的想法。

（二）機(jī)器人教學(xué)

教育機(jī)器人作為教學(xué)內(nèi)容進(jìn)入中小學(xué)，無論國內(nèi)還是國外，目前都處于起步階段。從各地情況來看，較多的學(xué)校只是以課外活動、興趣班、培訓(xùn)班的形式開展機(jī)器人教學(xué)。通常的做法是由學(xué)校購買若干套機(jī)器人器材，由信息技術(shù)課程教師或綜合實(shí)踐課程教師進(jìn)行指導(dǎo)，組織學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人組裝、編程的實(shí)踐活動，然后參加一些相關(guān)的機(jī)器人競賽。目前，只有極少數(shù)的地區(qū)和學(xué)校將機(jī)器人教學(xué)納入了正規(guī)課堂教學(xué)。

我國教育部于2003年4月正式頒布《普通高中技術(shù)課程(實(shí)驗(yàn))標(biāo)準(zhǔn)》，首次在“通用技術(shù)”科目中設(shè)立了“簡易機(jī)器人制作”模塊，它是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的學(xué)習(xí)平臺，將機(jī)械傳動與單片機(jī)的應(yīng)用有機(jī)組合的一個選修課程模塊。該模塊為學(xué)生提供了運(yùn)用當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)思想方法進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作，以解決實(shí)際問題的機(jī)會。與此同時，新的高中課程標(biāo)準(zhǔn)在“信息技術(shù)”科目中也設(shè)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，這也意味著我國的人工智能教育在大眾化、普及化層面上躍上了一個新的臺階。

（三）機(jī)器人競賽

開展各種展示和競賽活動是普及機(jī)器人教育的一個重要途徑，機(jī)器人競賽項(xiàng)目的內(nèi)容、規(guī)則及評分辦法等的創(chuàng)意設(shè)計(jì)都極富創(chuàng)造性和挑戰(zhàn)性。通過組織豐富多樣的青少年機(jī)器人競賽，可以激發(fā)廣大青少年對科技的興趣，提高青少年的科學(xué)素質(zhì)，并為機(jī)器人研究和開發(fā)儲備人才。

國際、國內(nèi)幾項(xiàng)影響較大的機(jī)器人競賽包括:

FIRA機(jī)器人足球賽,由國際機(jī)器人足球聯(lián)盟FIRA（http://www.fira.net/）舉辦。

機(jī)器人足球世界杯賽RoboCup（http://www.robocup.org），這是為促進(jìn)人工智能技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)以及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展而設(shè)立的一個國際性的研究和教育組織,選擇了足球賽作為基本領(lǐng)域來促進(jìn)人工智能和機(jī)器人的研究。

此外，機(jī)器人滅火比賽（http://www.trincoll.edu/events/robot/）、FLL機(jī)器人世界錦標(biāo)賽（http://wwwfirstle?goleague.org/）、機(jī)器人迷宮（http://micromousecs.rhul.ac.uk/）也是較有影響的機(jī)器人國際賽事。

“中國青少年機(jī)器人競賽”是2001年起由中國科協(xié)青少年工作部創(chuàng)辦并組織開展的一項(xiàng)青少年科技活動，該賽事一年一度，已相繼在廣東、河南、廣西、陜西舉辦。

三、南京市智能機(jī)器人創(chuàng)新活動開展的現(xiàn)狀

（一）競賽活動方面的開展?fàn)顩r

由官方所認(rèn)可的南京市中小學(xué)機(jī)器人競賽一般在每年的3-4月份舉辦，此項(xiàng)大賽主要是面向全市中小學(xué)生，其中一等獎的獲得者將有資格參加全省乃至全國的機(jī)器人大賽，從2005年開始，這項(xiàng)大賽正式由市教育局、市科學(xué)技術(shù)協(xié)會、市關(guān)工委三家共同舉辦，由南京市電教館具體承辦，到今年已經(jīng)走過九個年頭，通過此項(xiàng)大賽所鍛煉出的多支機(jī)器人隊(duì)伍在全國乃至世界級大賽中都獲得十分優(yōu)秀的成績。筆者根據(jù)多年組織競賽的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為南京市的機(jī)器人競賽活動有以下幾個亮點(diǎn)。

1.適時的競賽服務(wù)平臺

為了更好地開展南京市中小學(xué)機(jī)器人競賽工作，由南京市電教館出資設(shè)計(jì)的南京市中小學(xué)競賽專用平臺從2013年實(shí)施運(yùn)行，較好地實(shí)現(xiàn)智能化的報名、統(tǒng)計(jì)、整理、打分等工作，此平臺的實(shí)施規(guī)范了報名的過程，優(yōu)化了工作流程，相對減少了工作量。此網(wǎng)絡(luò)平臺已得到區(qū)、校（單位）兩級單位的認(rèn)可。

2.廣泛的參與面

南京市中小學(xué)機(jī)器人競賽從2005年開始，從最初只有幾十名學(xué)生參與，到今年共有314支隊(duì)伍報名，最終有290支隊(duì)伍632人參加；從一開始只有我市的部分學(xué)校和幾所直屬學(xué)校參賽，到現(xiàn)在已經(jīng)擴(kuò)大到街道社區(qū)以及南京市各市區(qū)青少年宮組織的學(xué)生參加；參賽的機(jī)器人種類已經(jīng)從原有的成型的機(jī)器人模塊到如今有學(xué)生自主設(shè)計(jì)和搭建的機(jī)器人參賽；裁判員的隊(duì)伍也由原來的只能依靠機(jī)器人廠商為主到現(xiàn)在以我市的學(xué)校教師和我市電教館科研人員為主的專業(yè)型裁判隊(duì)伍。從獲獎層面來看，12個大區(qū)和5所直屬學(xué)校均有獲獎。

3.出彩的直播環(huán)節(jié)

從承辦機(jī)器人大賽以來，南京市電教館就一直在考慮如何宣傳和推廣此項(xiàng)大賽，讓更多的學(xué)生、老師、家長了解我市機(jī)器人創(chuàng)新活動的開展情況。經(jīng)過研究，從2012年開始，主辦方通過南京校園電視網(wǎng)這一平臺對南京市中小學(xué)機(jī)器人大賽進(jìn)行現(xiàn)場直播，今年的直播更是出彩，表現(xiàn)在：首先，在賽前設(shè)計(jì)了直播的二維碼，利用網(wǎng)絡(luò)和報名現(xiàn)場準(zhǔn)備的易拉寶進(jìn)行推廣和宣傳；其次，在直播過程中，邀請機(jī)器人專家對各項(xiàng)賽事進(jìn)行點(diǎn)評，并從機(jī)器人的競技角度和理論角度逐一展開講解；最后，還邀請了部分參賽小選手現(xiàn)場談對自己機(jī)器人的設(shè)計(jì)構(gòu)思，對南京市機(jī)器人大賽的感想。從最后網(wǎng)絡(luò)互動的反饋來看，這些巧妙的設(shè)計(jì)都取得了非常不錯的效果。

4.嚴(yán)密的賽項(xiàng)設(shè)置

南京市機(jī)器人競賽從設(shè)立之初，賽項(xiàng)內(nèi)容只有3-5項(xiàng)，主辦方針對全省中小學(xué)機(jī)器人大賽以及全國中小學(xué)信息技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐活動大賽的部分項(xiàng)目，結(jié)合我市中小學(xué)機(jī)器人活動開展的實(shí)際情況設(shè)立了特色項(xiàng)目，逐步增加競賽項(xiàng)目，到今年，具體設(shè)置了機(jī)器人滅火比賽、機(jī)器人創(chuàng)意比賽、人型機(jī)器人全能挑戰(zhàn)賽、WER挑戰(zhàn)賽、VEX工程挑戰(zhàn)賽、環(huán)保主題智能機(jī)器人競賽、野外挑戰(zhàn)賽機(jī)器人綜合技能比賽、機(jī)器人工程挑戰(zhàn)賽、綠色城市等共十個大項(xiàng)。

5.優(yōu)秀的成績獲得

從2004年開始，南京大學(xué)附屬丁家橋小學(xué)、南京市鐵心橋小學(xué)、江寧科學(xué)園小學(xué)、高淳古柏中心小學(xué)、南京市金陵中學(xué)、南京外國語學(xué)校、南京市第十三中學(xué)等學(xué)校的機(jī)器人活動已漸成規(guī)模并形成特色，這幾年來，他們的機(jī)器人隊(duì)伍在全省、全國乃至國際比賽中都屢屢獲獎，取得了十分優(yōu)異的成績。比如：2009年，南京市金陵中學(xué)在澳大利亞舉辦的第三屆亞洲機(jī)器人錦標(biāo)賽中奪得了機(jī)器人團(tuán)體賽金獎；2012年，南京大學(xué)附屬丁家橋小學(xué)在第18屆國際家用機(jī)器人滅火比賽中獲得第一名；2013年，南京市揚(yáng)子一中在海峽兩岸國際機(jī)器人邀請賽中獲得第一名等等。

（二）在機(jī)器人研訓(xùn)方面的開展?fàn)顩r

南京市中小學(xué)機(jī)器人指導(dǎo)教師培訓(xùn)是從2008年開始的，此項(xiàng)培訓(xùn)工作一直由南京市教育局高師處牽頭，南京市電化教育館、南京市教學(xué)研究室承辦，同時，此項(xiàng)培訓(xùn)也是教育部—樂高“技術(shù)教育創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃”培訓(xùn)項(xiàng)目的一個重要的組成部分。

每年，培訓(xùn)方都要對培訓(xùn)教師進(jìn)行細(xì)分，一般根據(jù)報名的情況分為高階班、初階班和幼教班，培訓(xùn)全程都采取小班化教學(xué)和小組合作學(xué)習(xí)模式。

為了提高培訓(xùn)質(zhì)量，我們每年都會邀請教育部—樂高“技術(shù)教育創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃”培訓(xùn)項(xiàng)目的主要講師親自到寧主講，整個培訓(xùn)過程都會精心設(shè)計(jì)、合理規(guī)劃教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)內(nèi)容，特別是今年，我們根據(jù)教育部樂高課堂計(jì)劃中的4C教學(xué)理論（聯(lián)系Connect、建構(gòu)Con?struct、反思 Contemplate、延續(xù) Continue），把培訓(xùn)內(nèi)容分成三個部分：一是學(xué)習(xí)和了解機(jī)器人的機(jī)械內(nèi)部架構(gòu)，二是學(xué)習(xí)機(jī)器人的編程和搭建，三是通過學(xué)習(xí)成功完成《綠色城市》競賽項(xiàng)目，作為此次培訓(xùn)的最后考核成果。整個學(xué)習(xí)過程，學(xué)員們從教師轉(zhuǎn)換為學(xué)習(xí)者，以學(xué)習(xí)者的視角進(jìn)行感知，進(jìn)而從學(xué)習(xí)者轉(zhuǎn)換為班級的講師，把自己的學(xué)習(xí)內(nèi)容講授給其他學(xué)員，最后，再從講師的身份轉(zhuǎn)化為參賽選手，完成競賽項(xiàng)目。這種多種角色的轉(zhuǎn)換，讓學(xué)員們對機(jī)器人項(xiàng)目的競賽輔導(dǎo)工作有了更深入的了解和認(rèn)識，不再像以往的培訓(xùn)只單一注重于技術(shù)學(xué)習(xí)的內(nèi)容，缺少理論的支撐和實(shí)際的操作，所以，參加此次培訓(xùn)的學(xué)員對此次培訓(xùn)都給予了高度的評價。

四、對于我市未來開展機(jī)器人創(chuàng)新活動的一些構(gòu)想

（一）機(jī)器人活動應(yīng)常態(tài)化和多樣化

2014年初，在南京市鐵心橋小學(xué)由南京市電教館和南京市教研室聯(lián)合舉辦了全市的第一堂同課異構(gòu)的機(jī)器人教學(xué)與競賽培訓(xùn)的展示活動，得到一線參與機(jī)器人教學(xué)和培訓(xùn)工作老師們的一致好評。在這個基礎(chǔ)上，可以考慮將這種類型的活動向常態(tài)化和多樣化方面發(fā)展，如何開展，筆者認(rèn)為應(yīng)該從以下幾點(diǎn)考慮：

（1）展示應(yīng)常規(guī)化，形成一種慣例，一年可以考慮多場展示活動，場數(shù)為2-3場為限，年初以區(qū)校自主報名和市級推薦為主；

（2）形式應(yīng)多樣化，既可以有像鐵心橋小學(xué)那樣的學(xué)科教學(xué)的形式展示，也可以增加新技術(shù)的展示，專家的講座，對機(jī)器人技術(shù)在其他學(xué)科教學(xué)方面的延伸形式的展示，在舉辦的過程中以聯(lián)系教研室的信息技術(shù)、綜合實(shí)踐、科學(xué)、通用技術(shù)甚至物理等學(xué)科聯(lián)合開展。

（二）加快機(jī)器人研究隊(duì)伍的建設(shè)，盡快成立機(jī)器人研究中心組

根據(jù)我市教育信息化兩年行動計(jì)劃行動方案中對機(jī)器人工作的相關(guān)要求，我們應(yīng)該對機(jī)器人教學(xué)和競賽兩個方面都要加以重視，并且要在今后建立一只機(jī)器人活動競賽和教學(xué)研究的隊(duì)伍，利用現(xiàn)有機(jī)器人教學(xué)與競賽的骨干力量建立南京市中小學(xué)機(jī)器人研究中心組，并形成有效的管理和機(jī)制，利用中心組做好機(jī)器人活動的輻射和推廣工作，充分?jǐn)U大機(jī)器人活動的影響力。

（三）增加普及型的機(jī)器人競賽活動形式

在開展好專項(xiàng)機(jī)器人競賽活動的前提下，我們必須思考機(jī)器人競賽普及化的問題，從南京市機(jī)器人整體活動的推廣角度來說，機(jī)器人創(chuàng)新活動應(yīng)該是讓更多的學(xué)生參與進(jìn)來的一項(xiàng)活動，而不是僅僅停留在專項(xiàng)賽這一單一形式上，我們應(yīng)該在充分利用好現(xiàn)有配備機(jī)器人的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出具有南京教育特色的機(jī)器人普及型賽事，賽事設(shè)計(jì)的基本思路為：

1.需要重視器材的普及性

賽事的支持器材應(yīng)盡可能為各?，F(xiàn)有的機(jī)器人器材，讓其物有所用。

2.需要關(guān)注參與面的普及性

賽事設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)應(yīng)該是讓更多喜愛機(jī)器人活動的孩子參與到我們活動中來，在剛開始參加的學(xué)生范圍可以先以小學(xué)生為主，后期可以逐步增加參與面。

3.需要把握好賽事設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性、可操作性和可延續(xù)性

首先，競賽過程應(yīng)該是以切實(shí)反映學(xué)生對于機(jī)器人的掌握程度為前提的，在這一大的原則下，我們應(yīng)該把機(jī)器人的搭建、編程、調(diào)試、競技四個環(huán)節(jié)逐一體現(xiàn)；其次，普及賽的圖紙方案以及任務(wù)設(shè)計(jì)不應(yīng)以單一的走黑線或競速的形式為主，而應(yīng)以完成多個任務(wù)的建構(gòu)式方式的任務(wù)為主，在這一大框架下，學(xué)生在一定時間內(nèi)完成多少個任務(wù)，從而真實(shí)地反映出學(xué)生對機(jī)器人知識的掌握程度；最后，普及賽的設(shè)計(jì)還要考慮到普及性的特點(diǎn)，不宜設(shè)置得過難，同時也要考慮后續(xù)的推廣性，所以，在設(shè)計(jì)好任務(wù)庫的前提下，可以借鑒樂高FLL競賽的模式隨機(jī)抽出幾個任務(wù)進(jìn)行比賽，這樣使得比賽每年都有一定的變化，賽項(xiàng)的設(shè)計(jì)也相對立體，不再單一。

五、結(jié)束語

目前，根據(jù)南京市教育信息化兩年行動計(jì)劃的精神，隨著南京市中小學(xué)機(jī)器人工作室的逐步建立、南京市機(jī)器人研究中心組的建成以及我市各級教育部門對于中小學(xué)機(jī)器人創(chuàng)新活動開展的逐步重視，相信我市的中小學(xué)機(jī)器人創(chuàng)新活動必將迎來一個快速發(fā)展的時期。

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