林曉峰，謝 康

（贛南師范大學(xué) 新聞與傳播學(xué)院，江西 贛州341000）

一、引言

“阿爾法狗”擊敗世界圍棋冠軍柯潔事件引發(fā)了公眾對人工智能的高度關(guān)注，關(guān)于人工智能在各個領(lǐng)域的應(yīng)用研究也隨之迎來第四階段的高潮。[1]而機(jī)器人學(xué)是為人工智能在教育中應(yīng)用的研究領(lǐng)域之一，[2]分析、歸納和總結(jié)機(jī)器人學(xué)的教育探索歷程和應(yīng)用案例對后續(xù)開展機(jī)器人學(xué)的相關(guān)研究尤為重要。本論文將分別從我國機(jī)器人學(xué)在教育應(yīng)用中的探索歷程、機(jī)器人學(xué)的教育應(yīng)用以及我國機(jī)器人學(xué)在教育中應(yīng)用展望三方面展開闡述。而本論文的研究成果也將進(jìn)一步豐富機(jī)器人學(xué)的研究理論基礎(chǔ)，促進(jìn)機(jī)器人學(xué)學(xué)科體系的建立，同時也對機(jī)器人學(xué)在教育中應(yīng)用的相關(guān)研究具有一定的指導(dǎo)性作用。

二、我國機(jī)器人學(xué)在教育應(yīng)用中的探索歷程

1.機(jī)器人、機(jī)器人學(xué)與機(jī)器人教育

根據(jù)1979年美國機(jī)器人研究所（Robot Institute of America，R.I.A）所給出的相關(guān)定義，機(jī)器人（Robot）是一種可以再編程序的多功能操縱器，它被用來移動材料、工件、工具或?qū)Ｓ迷O(shè)備，并通過可編程的運(yùn)動來完成各種任務(wù)。[3]隨后，劉辛軍和于靖軍等[4]從學(xué)科的角度出發(fā)，認(rèn)為機(jī)器人是力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、材料學(xué)、自動控制、計算機(jī)、人工智能、光電、通訊、傳感、仿生學(xué)等學(xué)科交叉和技術(shù)綜合的結(jié)合。劉相權(quán)、劉啟光[5]則認(rèn)為機(jī)器人是一種自動化的，能夠通過預(yù)先編排的程序自主完成某類任務(wù)的機(jī)器裝置。

機(jī)器人學(xué)（Robotics）是研究以智能計算機(jī)為基礎(chǔ)的機(jī)器人的基本組織和操作，一般而言，機(jī)器人學(xué)包括基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究兩個方面，主要內(nèi)容有操縱器、傳感器、程序語言、計劃系統(tǒng)和裝置與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)五個主要部分。[6]后來國內(nèi)有學(xué)者認(rèn)為，機(jī)器人學(xué)是一門綜合了力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計、傳感技術(shù)、以及電氣液壓驅(qū)動、自動控制工程、人工智能和仿生學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域，以研究機(jī)器人理論與制造技術(shù)為目的的綜合性學(xué)科。[7]從本質(zhì)上說，機(jī)器人學(xué)就是一門研究機(jī)器人的學(xué)科。

機(jī)器人教育（Robot-based Education）從廣義上說指的是利用智能機(jī)器人進(jìn)行教育教學(xué)活動；狹義上是指在教育領(lǐng)域使用智能機(jī)器人來改善教學(xué)過程，優(yōu)化教學(xué)效果及完善師生工作方式的理論與實踐[8]。機(jī)器人教育是隨著對機(jī)器人的研究而發(fā)展的，機(jī)器人學(xué)是隨著機(jī)器人和機(jī)器人教育的發(fā)展而逐漸形成的，因此三者之間的形成與發(fā)展相互緊密聯(lián)系著。

2.我國機(jī)器人學(xué)教育應(yīng)用探索歷程

截至2018年中期，在中國知網(wǎng)上以“機(jī)器人學(xué)”為主題進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，檢索結(jié)果如圖1所示。檢索結(jié)果顯示，與機(jī)器人學(xué)相關(guān)的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)共有3840篇，對機(jī)器人學(xué)最早的研究是1980年劉敦畬和戴善仁在 《機(jī)械工業(yè)自動化》期刊上發(fā)表的“智能機(jī)器人略談”。[9]由于對機(jī)器人學(xué)的教育應(yīng)用研究是隨機(jī)器人學(xué)的發(fā)展而發(fā)展的，因此，對全部檢索結(jié)果進(jìn)行計量可視化分析，可以得出我國機(jī)器人學(xué)的教育應(yīng)用探索歷程大致經(jīng)歷了如下三個階段：

（1）探索初期（1980-1999 年）

機(jī)器人學(xué)教育應(yīng)用的初步探索期。該時期主要探討的內(nèi)容是：機(jī)器人技術(shù)研究、機(jī)器人相關(guān)會議、國內(nèi)外機(jī)器人技術(shù)研發(fā)與進(jìn)展和機(jī)器人技術(shù)在教育中的初步應(yīng)用等。

（2）探索中期（2000-2009 年）

圖1 以“機(jī)器人學(xué)”為主題的CNKI文獻(xiàn)檢索計量分析結(jié)果

在此期間，既是機(jī)器人學(xué)學(xué)科體系建立期，又是機(jī)器人學(xué)教育應(yīng)用探索的高速期。步入2000年后，我國對機(jī)器人學(xué)的相關(guān)研究得以較快發(fā)展。2000年，由蔡自興教授編寫、清華大學(xué)出版社出版、直接以“機(jī)器人學(xué)”命名的著作《機(jī)器人學(xué)》正式出版發(fā)行，這部著作對中國機(jī)器人學(xué)學(xué)科體系的建立具有至關(guān)重要的意義。[10]同時，2000-2009年期間中國關(guān)于機(jī)器人與機(jī)器人學(xué)的研究呈指數(shù)上升狀態(tài)，進(jìn)入了機(jī)器人學(xué)教育應(yīng)用探索的高速發(fā)展期。該時期主要探討的內(nèi)容是機(jī)器人學(xué)的教育探索與應(yīng)用、機(jī)器人學(xué)現(xiàn)狀與趨勢分析、機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)方法研究以及多種機(jī)器人的應(yīng)用研究等。

（3）平穩(wěn)期（2010 年至今）

從2010年至今，中國對機(jī)器人學(xué)的研究趨于平穩(wěn)狀態(tài)，平均每年發(fā)表的文獻(xiàn)保持在230篇左右。但從另一方面，也說明學(xué)界對于機(jī)器人學(xué)的研究步入了一個“高原區(qū)”，需要進(jìn)一步探索和反思機(jī)器人學(xué)學(xué)科的發(fā)展方向。該時期主要探討的內(nèi)容是：機(jī)器人學(xué)課程或教學(xué)改革與實踐、機(jī)器人學(xué)的教育應(yīng)用、機(jī)器人的技術(shù)倫理和關(guān)于各類機(jī)器人的設(shè)計開發(fā)研究等。

3.中國機(jī)器人學(xué)及機(jī)器人教育發(fā)展現(xiàn)狀和特點

幾十年來，在“863計劃”和“國家自然科學(xué)基金”等政策的大力資助下，中國的機(jī)器人學(xué)和機(jī)器人技術(shù)無論是在基礎(chǔ)理論方面，還是關(guān)鍵技術(shù)方面都取得了顯著的進(jìn)步。就當(dāng)前來說，在國內(nèi)機(jī)器人領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)形成了一支較高水平的研究隊伍，其中就包括兩院院士、國家杰青、“長江學(xué)者”特聘教授等高端人才。他們廣泛分布在高等院校、中科院及研究所，建立了多個機(jī)器人研究基地。2017年8月21日，在中國舉行的“機(jī)器人技術(shù)國際工程科技發(fā)展戰(zhàn)略研究高端論壇”上，IEEE機(jī)器人與自動化學(xué)會前主席拉賈·夏蒂拉認(rèn)為：目前，中國機(jī)器人發(fā)展無論是從規(guī)模還是應(yīng)用領(lǐng)域，都是前所未有的。[11]但是，國內(nèi)學(xué)者在《IEEE Trans.on Robotics》、《Int.J.of Robotics Research》等機(jī)器人領(lǐng)域國際期刊上所發(fā)表的論文數(shù)量偏少，跟歐美發(fā)達(dá)國家仍存在較大的差距。而且在國際權(quán)威期刊和機(jī)器人專業(yè)期刊上ESI高被引論文中也少見國內(nèi)學(xué)者身影。[12]從側(cè)面反映出國內(nèi)機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域原創(chuàng)性成果還是比較少、關(guān)鍵核心的技術(shù)瓶頸還亟需突破、機(jī)器人學(xué)學(xué)科交叉活力不足等特點。

目前我國機(jī)器人教育仍屬于起步階段，在我國高校專業(yè)設(shè)置上還沒有獨立開設(shè)機(jī)器人學(xué)專業(yè)。當(dāng)前機(jī)器人教育主要還是在智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)以及公共選修課等課程上開展。[13]其教學(xué)內(nèi)容一般包括機(jī)器人概述、硬件結(jié)構(gòu)、編程、比賽以及教學(xué)五部分。[14]同時，我國的機(jī)器人教育還是以專業(yè)教育和科研為主，重在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實操能力。但由于高校機(jī)器人學(xué)相關(guān)專業(yè)入門門檻較高，只能針對部分人員進(jìn)行培養(yǎng)，進(jìn)而非專業(yè)背景學(xué)生接觸機(jī)器人教育的機(jī)會少之又少。因此，當(dāng)前我國高校機(jī)器人教育呈現(xiàn)出發(fā)展不均衡的特點。[15]

三、機(jī)器人學(xué)的教育應(yīng)用

目前機(jī)器人學(xué)仍處于教育應(yīng)用探索的階段，總結(jié)和歸納機(jī)器人學(xué)的各種探索和應(yīng)用案例為機(jī)器人學(xué)的教育應(yīng)用起到了關(guān)鍵性作用。為此，本論文在大量文獻(xiàn)調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，認(rèn)為機(jī)器人學(xué)的教育應(yīng)用可以分為機(jī)器人學(xué)教育以及教育機(jī)器人兩方面。

1.機(jī)器人學(xué)教育

經(jīng)濟(jì)社會需求是機(jī)器人學(xué)和機(jī)器人技術(shù)形成的催化劑和原動力，而機(jī)器人學(xué)教育是機(jī)器人學(xué)學(xué)科和機(jī)器人技術(shù)賴以發(fā)展的強(qiáng)化劑和推動力。[16]機(jī)器人學(xué)教育又包含機(jī)器人學(xué)學(xué)科的專業(yè)與課程教育、機(jī)器人學(xué)知識的普及教育兩點：

（1）機(jī)器人學(xué)學(xué)科的專業(yè)與課程教育。機(jī)器人學(xué)教育是隨著機(jī)器人學(xué)的發(fā)展而發(fā)展的，國內(nèi)外機(jī)器人學(xué)已經(jīng)建立了較為完善的學(xué)科與課程體系?，F(xiàn)階段，中國的高等院校在機(jī)械類、自動化類、智能科學(xué)技術(shù)等專業(yè)均有開設(shè)機(jī)器人學(xué)課程，甚至一些師范院校理學(xué)類專業(yè)也因中小學(xué)越發(fā)重視機(jī)器人教育而將機(jī)器人列為專業(yè)選修課程，如：教育技術(shù)學(xué)專業(yè)。

（2）機(jī)器人學(xué)知識的普及教育。近年來，隨著機(jī)器人教育、創(chuàng)客教育在教育領(lǐng)域中不斷升溫，中國每年都在各個地區(qū)或高等院校中舉辦機(jī)器人比賽、機(jī)器人影片展示和機(jī)器人學(xué)科普講座等機(jī)器人學(xué)比賽和普及教育活動，這些比賽和活動不僅提高了學(xué)生們對機(jī)器人學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的興趣，也培養(yǎng)了廣大青少年的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維；同時，國外有不少以機(jī)器人為題材的影視作品在中國上映，如：《黑客帝國》、《變形金剛》、《機(jī)器公敵》等等，這些題材的電影每次上映都吸引了大量觀眾前去觀影，在宣傳高科技的同時，也對觀眾進(jìn)行了機(jī)器人學(xué)知識的普及教育。

2.教育機(jī)器人

教育機(jī)器人是指在教育領(lǐng)域中所采用的機(jī)器人，其最終目的是要培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)分析能力、創(chuàng)造能力和實踐能力，具備教學(xué)適用性、開放性、可擴(kuò)展性和人機(jī)交互界面友好等特點。[17][18]教育機(jī)器人為當(dāng)前教育教學(xué)提供豐富教學(xué)資源的同時，隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展以及廣大學(xué)生對智能技術(shù)學(xué)習(xí)興趣的不斷提升，在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來越普遍。按教育機(jī)器人的用途來分類，大致可分為8類，如表1所示。

（1）娛樂玩具機(jī)器人

這是一種針對兒童開發(fā)設(shè)計的教育機(jī)器人，既可以滿足孩子們的玩樂需求，又有助于兒童智力開發(fā)和語言文字學(xué)習(xí)。如：美國UGOBE公司研發(fā)的Pleo電子寵物、Wonder Workshop（奇幻工房）公司研發(fā)的Dash-Dot兒童教育機(jī)器人等。

（2）智能助理機(jī)器人

這類機(jī)器人可以成為學(xué)習(xí)者個性化學(xué)習(xí)服務(wù)的助理。典型案例有：麻省理工研發(fā)的Jibo機(jī)器人、藍(lán)蛙機(jī)器人公司生產(chǎn)的Buddy智能機(jī)器人、日本軟銀集團(tuán)和法國Aldebaran Robotics共同研發(fā)的Pepper等。

（3）遠(yuǎn)程控制機(jī)器人

使用者可以遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，打破了時空的界限，異地參與教和學(xué)活動。典型案例有：韓國科學(xué)技術(shù)研究院研發(fā)的可遠(yuǎn)程控制教學(xué)機(jī)器人“Engkey”、Cambridge公司為提升企業(yè)溝通效率而研發(fā)的遠(yuǎn)程機(jī)器人Vgo等。

（4）STEAM 教具

STEAM是一種新的基于學(xué)科背景的綜合教學(xué)方法。而STEAM教具是指那些為適應(yīng)STEAM教育而開發(fā)設(shè)計出的教學(xué)工具，其中就包括有：makeblock公司開發(fā)的Mbot機(jī)器人、樂高公司和美國麻省理工學(xué)院共同開發(fā)的Mindstorms機(jī)器人等。

（5）特殊教育機(jī)器人

特殊教育機(jī)器人是一種應(yīng)用于特殊教育，為特殊癥狀使用者而設(shè)計開發(fā)的教學(xué)機(jī)器人。如Aldebaran Bobotics公司打造的人形機(jī)器人Ask Nao，其內(nèi)含特別編制的游戲和應(yīng)用程序有助于自閉癥孩子學(xué)習(xí)、發(fā)展和融入社會；還有Robokind公司生產(chǎn)的仿生機(jī)器人Milo。

（6）培訓(xùn)類機(jī)器人

針對為企業(yè)內(nèi)專業(yè)人員和醫(yī)療專業(yè)人員培訓(xùn)而開發(fā)的一類機(jī)器人。如：美國再思考機(jī)器人（Rethink Robotics）公司推出的Baxter機(jī)器人、美國直覺手術(shù)公司研發(fā)的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。

（7）康復(fù)保健機(jī)器人

為老年人專門設(shè)計使用的，具備娛樂、腦力訓(xùn)練、復(fù)健教學(xué)等復(fù)健照護(hù)功能的機(jī)器人。如：養(yǎng)老院服務(wù)機(jī)器人Zora Bot、韓國科學(xué)技術(shù)研究所推出的為老年人服務(wù)的Sil-bot機(jī)器人、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研發(fā)的為老年人或殘疾人提供護(hù)理幫助的Ballbot機(jī)器人。

（8）安全教育機(jī)器人

安全教育機(jī)器人通過角色扮演，利用機(jī)器人向群眾普及安全教育知識。該類機(jī)器人應(yīng)用在各個群體和情境中，具有十分良好的空間。如：安全教育機(jī)器人Robotronics。

表1 教育機(jī)器人的應(yīng)用案例及研發(fā)機(jī)構(gòu)一覽表

四、我國機(jī)器人學(xué)在教育中應(yīng)用展望

目前，世界各國紛紛將機(jī)器人的發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，如美國國家科學(xué)基金會2017年發(fā)布的“國家機(jī)器人計劃2.0”戰(zhàn)略、德國聯(lián)邦政府2015年公布“升級版工業(yè)4.0”、日本的“機(jī)器人新戰(zhàn)略”等。[19]而我國也把握世界潮流、抓住發(fā)展機(jī)遇，在《中國制造2025》中明確將機(jī)器人列入重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)。

因此，隨著如今國家對機(jī)器人領(lǐng)域的重視、機(jī)器人學(xué)的迅速發(fā)展和機(jī)器人學(xué)教育的實際應(yīng)用需要，預(yù)計我國機(jī)器人學(xué)的教育應(yīng)用可能在以下幾方面會有所突破：

1.機(jī)器人學(xué)教學(xué)改革

目前，機(jī)器人學(xué)課程在教學(xué)開展過程中，表現(xiàn)出傳統(tǒng)機(jī)器人學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容繁雜、教學(xué)內(nèi)容單一以及重理論輕實踐等不足，從而嚴(yán)重影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。[20]為改變這一現(xiàn)狀，勢必要針對機(jī)器人學(xué)學(xué)科教學(xué)過程中所存在的不足進(jìn)行教學(xué)改革，以適應(yīng)國家對機(jī)器人學(xué)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需要。

因此，在務(wù)實機(jī)器人學(xué)理論基礎(chǔ)的前提下，做好學(xué)科課程頂層設(shè)計，對機(jī)器人學(xué)理論教學(xué)內(nèi)容進(jìn)一步優(yōu)化尤為重要。各個院校應(yīng)結(jié)合教學(xué)的實際情況，兼顧機(jī)器人學(xué)學(xué)科知識的深度和廣度，對機(jī)器人學(xué)學(xué)科的理論知識進(jìn)行組織與再組織，將教學(xué)內(nèi)容與實踐有機(jī)地結(jié)合起來；同時，也要注重對教學(xué)方法的改進(jìn)，增加現(xiàn)場教學(xué)的環(huán)節(jié)，提高課堂的積極性；另外，要規(guī)范器材配置，建立相應(yīng)的教學(xué)實驗平臺，進(jìn)一步拓展實踐教學(xué)內(nèi)容；最后，要強(qiáng)化對教學(xué)相關(guān)人員（教師和實驗員等）的培訓(xùn)，改進(jìn)對學(xué)生的考核方式。

2.機(jī)器人學(xué)高素質(zhì)人才培養(yǎng)

人才是第一資源，機(jī)器人學(xué)學(xué)科的發(fā)展規(guī)劃與技術(shù)推廣都離不開高素質(zhì)人才的培養(yǎng)。對于機(jī)器人學(xué)高素質(zhì)人才的培養(yǎng)，建立完善的學(xué)科人才培養(yǎng)制度和總方針是首要，規(guī)范各級機(jī)器人學(xué)教育是關(guān)鍵，“產(chǎn)學(xué)研結(jié)合”是培養(yǎng)機(jī)器人學(xué)高素質(zhì)人才的重要方法。同時，可以加大技術(shù)裝備的投入和機(jī)器人平臺（如：虛擬仿真教學(xué)平臺和智慧工廠微型實訓(xùn)平臺等）的構(gòu)建，充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)為機(jī)器人學(xué)人才培養(yǎng)營造一個良好的發(fā)展環(huán)境。

3.中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)

機(jī)器人產(chǎn)業(yè)為機(jī)器人學(xué)學(xué)科和機(jī)器人技術(shù)形成和發(fā)展提供了源源不斷的動力。據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)前制約我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的因素有以下八點[21]：①制度不完善；②低端技術(shù)存在鎖定隱憂；③機(jī)器人成本高；④沒形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈；⑤企業(yè)定位盲目、無龍頭；⑥國外品牌產(chǎn)品有絕對的市場優(yōu)勢；⑦產(chǎn)業(yè)園重復(fù)建設(shè)嚴(yán)重；⑧人才系統(tǒng)建設(shè)沒有得到足夠的重視。

中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)要得到長足發(fā)展，筆者認(rèn)為需要做到以下四點：①政府部門要出臺相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)制度，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時也要加大對機(jī)器人產(chǎn)業(yè)相關(guān)項目的扶持力度；②設(shè)立相應(yīng)的機(jī)器人協(xié)會，匯聚高端人才；③相關(guān)企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)要加強(qiáng)對核心技術(shù)的研發(fā)力度；④國內(nèi)企業(yè)也要不斷探索錯位競爭的機(jī)會，不斷發(fā)展壯大中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)集群。

五、結(jié)束語

本文在查閱大量文獻(xiàn)以及與機(jī)器人學(xué)教育應(yīng)用相關(guān)案例研究的基礎(chǔ)上認(rèn)為，我國機(jī)器人學(xué)在教育應(yīng)用中的探索歷程主要有探索初期、中期和平穩(wěn)期三個階段，且我國機(jī)器人學(xué)呈現(xiàn)出學(xué)科交叉活力不足、高校機(jī)器人教育發(fā)展不均衡的特點。