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K-12機器人教育實訓室的設(shè)計與實現(xiàn)*

2020-11-02 13:21:22楊偉杰
中國教育信息化 2020年9期
關(guān)鍵詞:教具實訓室師資

楊偉杰

摘? ?要:在社會全面走進人工智能時代的背景下,K-12階段機器人教育師資的培養(yǎng)成為中小學階段人工智能及機器人教學課程實施的關(guān)鍵因素。建設(shè)好機器人教育實訓室,才能為師范院校實施中小學機器人教育專業(yè)課程、實訓課程和培訓課程提供產(chǎn)學一體的環(huán)境。在分析國內(nèi)外機器人教育實訓室建設(shè)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,文章系統(tǒng)地闡述了面向K-12階段師資培養(yǎng)的機器人教育實訓室的服務(wù)課程、設(shè)計理念、功能布局與體系結(jié)構(gòu)、教具軟件與設(shè)備選型、文化設(shè)計與規(guī)范管理,解決了以往機器人教育師資培養(yǎng)缺乏實踐條件的問題,為學生提供了一個可實現(xiàn)教育機器人教學實踐和仿真演練的環(huán)境,為國內(nèi)院校相關(guān)專業(yè)實訓室的建設(shè)提供了一個有效解決方案。

關(guān)鍵詞:K-12;機器人教育;人工智能教育;實訓室;設(shè)計

中圖分類號:G434 文獻標志碼:A 文章編號:1673-8454(2020)17-0046-05

機器人教育,通常是指學習有關(guān)機器人的基本知識與基本技能,或利用教育機器人優(yōu)化教育教學效果的理論與實踐。[1]機器人教育課程是一種典型的多學科交叉融合的課程,涉及機械、電子、計算機、材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳感器及測試技術(shù)、自動控制、軟件編程等學科知識和技能。在中小學階段,機器人教育課程是人工智能、STEAM和創(chuàng)客課程的重要載體。[2]2017年國務(wù)院頒布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中強調(diào),要完善人工智能教育體系,促進機器智能在教育領(lǐng)域的深度應(yīng)用,全面打造智能教育生態(tài)。[3]中小學生在校內(nèi)參加機器人社團、校外培訓機構(gòu)參加機器人教育和少兒編程教育課程方興未艾,形成了巨大的教育培訓市場和智慧教具產(chǎn)業(yè)。在機器人教育行業(yè)發(fā)展前景看好的同時,伴隨產(chǎn)生了專業(yè)師資有效供給不足的問題。專業(yè)師資緊缺的問題,已成為制約我國K-12機器人教育產(chǎn)業(yè)發(fā)展和全面實施中小學階段人工智能教育的主要因素。加強源頭培養(yǎng)、強化教師培訓是解決師資不足的有效手段。[2]機器人教育師資的培養(yǎng)涉及人才培養(yǎng)方案中課程體系設(shè)計與實施、教師專業(yè)知識與技能水平、理論教學與實踐教學條件等因素。其中,建設(shè)理念先進、功能完善的機器人教育實訓室是機器人教育師資培養(yǎng)體系中關(guān)鍵的基礎(chǔ)條件。

一、概念的界定

1.機器人教育實訓室

機器人教育實訓室是利用機器人及相關(guān)設(shè)備開展機器人教育理論和實踐教學的重要場所,是提升相關(guān)專業(yè)學生綜合素質(zhì)及實踐技能水平的主要基地,在本研究中指面向K-12階段機器人教育課程師資培養(yǎng)的機器人教育實訓室。機器人教育實訓室作為一種基礎(chǔ)教學環(huán)境,為師生開展機器人課程教學、掌握職業(yè)技能,提供了所需的場所、教學設(shè)備、軟件平臺、教學指導人員和教學計劃,是實現(xiàn)培養(yǎng)高素質(zhì)技能型機器人教育師資的重要條件。

2.機器人教育實訓室建設(shè)相關(guān)研究

截至2019年12月,在CNKI中以“機器人教育實訓室”為關(guān)鍵詞進行檢索,共找到密切相關(guān)文獻31篇。分析結(jié)果表明,國內(nèi)機器人教育實訓室相關(guān)研究主要集中在高校和中職學校的工業(yè)機器人實訓室建設(shè)方面,未涉及K-12階段機器人教育師資的培養(yǎng)。工業(yè)機器人作為“工業(yè)4.0時代”智能制造行業(yè)中的典型領(lǐng)域,受到了前所未有的重視。[4]工業(yè)機器人實訓室及實訓基地的建設(shè)主要集中在機電工程、自動控制、物流管理(自動化倉儲)、汽車制造、航務(wù)和醫(yī)藥自動化工程等專業(yè)領(lǐng)域,不同學者分別從智慧化設(shè)計、軟件環(huán)境、輔助教學機器人、實訓項目設(shè)置、校企合作等方面對工業(yè)機器人實訓室的建設(shè)和利用提出了相應(yīng)對策。[5]例如,任洪鋒等人提出利用云計算、物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)等,打造具有“互聯(lián)網(wǎng)+”時代特色的機器人智慧實訓室;[6]楊秀文對工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)實驗實訓室的建設(shè)目標、軟硬件建設(shè)與實驗實訓項目體系、項目體系工作流程做了解讀。[7]工業(yè)機器人實訓室的建設(shè)對本研究有一定的借鑒作用,但從現(xiàn)有文獻分析來看,面向師范院校的K-12階段機器人教育師資培養(yǎng)所需的機器人教育實訓室建設(shè)相關(guān)研究比較缺乏。

二、承載的課程

機器人教育實訓室中承載的課程是實訓室設(shè)計的基本邏輯起點,它主要服務(wù)的課程包括專業(yè)課程、實訓課程與培訓課程三種類型。其中,專業(yè)課程主要有機器人教育概論、電子趣味制作、可視化少兒編程、機器人教學與趣味編程,此類課程的目標是讓學生系統(tǒng)地學習和掌握機器人教育的專業(yè)理論知識和操作技能,了解機器人教育的前沿科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢,培養(yǎng)分析解決專業(yè)范圍內(nèi)實際問題的能力。實訓課程主要有機器人教育教學技能實訓、機器人教育教學資源設(shè)計和工作室綜合項目,此類課程的課程目標是通過開展機器人教育相關(guān)的教學技能和教學資源設(shè)計實訓項目,讓學生掌握開展機器人課程教學設(shè)計與實施、教研活動、競賽組織、門店運營、客戶溝通管理等典型工作和任務(wù)過程的方法,發(fā)展學生開展機器人教育的實務(wù)能力和職業(yè)素養(yǎng)。培訓課程包括面向?qū)W生的企業(yè)培訓(行業(yè)宣講與公益實訓課)、考證輔導(全國青少年機器人技術(shù)等級考試、中國機器人教育師資實訓技能資格證書),面向企業(yè)員工的培訓(行業(yè)發(fā)展、教學技能、課程設(shè)計),以及面向中小學學科教師的省培項目(小學信息技術(shù)教師教學技能培訓、創(chuàng)客師資培訓、“人工智能+教育師資”培訓等),此類課程的目標是以校企合作形式,通過面向?qū)W生、企業(yè)員工、中小學教師開展機器人教育培訓類課程,開展社會技術(shù)服務(wù)和師資培訓工作,服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展,提升專業(yè)的社會影響力。

三、整體設(shè)計理念

1.結(jié)合專業(yè)行業(yè)發(fā)展,體現(xiàn)職業(yè)和崗位需求

結(jié)合專業(yè)和行業(yè)的發(fā)展,充分體現(xiàn)一線職業(yè)和崗位需求是機器人實訓室設(shè)計的首要考慮因素。在實訓室中營造機器人教育教學、機構(gòu)運營、管理和服務(wù)的仿真職業(yè)環(huán)境,目的是為了最大程度上讓學生適應(yīng)從學校培養(yǎng)到就業(yè)環(huán)境的無縫對接。因此,要從設(shè)備、流程、管理、文化上接近一線工作環(huán)境,形成“企業(yè)文化”和“教學氛圍”,重視職業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng),強化學生的安全意識和質(zhì)量意識。市場調(diào)研結(jié)果表明,目前K-12階段機器人教育師資主要工作崗位分為中小學學校教學和企業(yè)培訓機構(gòu)教學兩類需求。中小學類崗位需求集中了信息技術(shù)教師崗位和機器人社團課程教師,主要開展少兒編程、機器人和人工智能類課程的教學,以及指導學生參加各級科技協(xié)會、電教館組織的機器人比賽、科技創(chuàng)新競賽及STEAM創(chuàng)客比賽。企業(yè)類崗位需求則相對寬泛,具體包括機器人教師、少兒編程教師、機器人教研員、課程開發(fā)師、區(qū)域主管和執(zhí)行校長等,其學生包含學前學員和學齡段學員,一般結(jié)合企業(yè)品牌教具(如樂博樂博、能力風暴)或選用樂高系列教具開設(shè)課程,同時也有不少機器人培訓機構(gòu)企業(yè)到學校、少年宮、科技館等地,開展合作教學、代理授課和指導比賽的活動。在設(shè)計機器人實訓室的環(huán)境時要充分體現(xiàn)這兩類行業(yè)的工作場景,讓學生通過沉浸式的課程學習和完成典型工作任務(wù),真實立體地體驗與感知機器人教育行業(yè)的內(nèi)涵和需求。

2.注重專業(yè)核心技能訓練,沉浸STEAM創(chuàng)客文化

在設(shè)計機器人實訓室的環(huán)境時,要滿足專業(yè)課程教學和校內(nèi)實訓課程教學兩種核心功能需求,重視核心專業(yè)技能訓練與STEAM創(chuàng)客文化的沉淀和浸染。根據(jù)前期調(diào)研和畢業(yè)生反饋,無論在中小學從事機器人教育工作,還是在企業(yè)培訓機構(gòu),具備扎實的機器人教育專業(yè)理論知識、過硬的教學技能與教學研究能力,是學生在行業(yè)中初次成功就業(yè)和尋求職業(yè)發(fā)展的必要前提條件。機器人教育課程作為STEAM教育、創(chuàng)客文化、人工智能課程落地的有效載體之一,要在課程實施和環(huán)境氛圍中重視和強化對學生的信息素養(yǎng)、團隊協(xié)作、創(chuàng)新思維、批判性思維、工程教育等專業(yè)核心素養(yǎng)的培育、體驗和浸染,從而有效培養(yǎng)學生從事機器人教育的行業(yè)興趣和職業(yè)忠誠度。

3.多元化功能資源復用,提高使用率和開放性

實訓室的邏輯功能設(shè)計上注重多元化,提高實訓室的整體使用率;除了常規(guī)課程教學和實訓教學,還要具有機器人教育相關(guān)教學資源設(shè)計開發(fā)、專業(yè)競賽團隊培養(yǎng)、師資培訓和考證培訓的復合功能,減少實訓設(shè)備閑置。通過三至五年建設(shè),將機器人教育實訓室打造成機器人教育產(chǎn)業(yè)實訓基地,并向社會開放,通過開展“校政行企”多方參與的“產(chǎn)學研”合作,為社會提供多方位的服務(wù),包括提供社會培訓、推廣新產(chǎn)品和技術(shù),或者承擔企業(yè)的真實技術(shù)服務(wù)項目。例如,筆者所在單位承擔廣東省小學教師發(fā)展中心主辦的教師培訓項目,因此實訓室設(shè)計必須滿足省內(nèi)小學教師開展信息化教學、小學信息技術(shù)教師開展機器人教育和人工智能課程教學的師資培訓,機器人教師進行資格考證的實際需求。此外,通過與東軟睿道、廣州能力風暴、樂博樂博等企業(yè)合作,承擔部分課程資源設(shè)計和員工培訓項目,在保證專業(yè)教學的前提下,創(chuàng)造一定的經(jīng)濟效益。

4.高起點高水平建設(shè),兼顧發(fā)展性和協(xié)作性

機器人教育的技術(shù)變化發(fā)展很快,行業(yè)對師資的要求也越來越高。機器人實訓室的設(shè)計必須做到起點先進,與市場一線充分對接。機器人的編程語言經(jīng)歷了從C到Scratch,再到Python的演變,教具主機也經(jīng)歷了從單片機和Mind Storm的 Linux主機向Rospberry Pi、Arduino、Micro:bit、物聯(lián)網(wǎng)主機、無人機和人型機器人等多種主機并存的演變。只有實訓設(shè)備和設(shè)施做到高技術(shù)新起點,實訓教學內(nèi)容反映行業(yè)前沿的最先進技術(shù)與教學理念方法,才能培養(yǎng)出適應(yīng)機器人教育產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要、滿足社會需求的高素質(zhì)技能型機器人教育師資人才。要發(fā)揮實訓室的教學科研和社會服務(wù)平臺作用,引入機器人教育行業(yè)骨干企業(yè),通過合作辦學、共建專業(yè)課程、師資互聘等形式提高機器人教學的整體水平,通過共同承擔省培項目、接受企業(yè)設(shè)備捐贈、開設(shè)企業(yè)課程培訓等形式,將政府、學校、行業(yè)和企業(yè)的優(yōu)質(zhì)資源引入學校,保障實訓室的持續(xù)發(fā)展,進而打造機器人教育產(chǎn)業(yè)協(xié)同育人平臺和發(fā)展聯(lián)盟,提高實訓室的投資效益和社會服務(wù)影響力。

四、功能布局與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前實訓室的布局通常有按工藝流程、生產(chǎn)流程、實務(wù)流程和技術(shù)模塊布局的四種常規(guī)模式,[8]而機器人教育實訓室的布局要以實務(wù)流程為主,形成具有教學、器具、競技、展示、創(chuàng)作和研討功能的綜合性實務(wù)環(huán)境,旨在為學生提供真實的職業(yè)環(huán)境和實訓教學條件。

1.功能的區(qū)域劃分

機器人教育實訓室在功能上包含了互動教學區(qū)、教具工具區(qū)、專業(yè)競技區(qū)、綜合展示區(qū)、自主創(chuàng)作區(qū)、研討發(fā)展區(qū)。

(1)互動教學區(qū)。互動教學區(qū)為師生提供了交互式電子白板一體機、投影儀、移動平板電腦和學生臺式機,采用TCP/IP標準協(xié)議網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)連接,將多媒體設(shè)備、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機、無線網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備聯(lián)接起來,用于師生開展機器人教育課程示范和互動教學。教師和學生可以通過移動智能終端軟件及控屏軟件進行教學內(nèi)容傳送、實時教學反饋、在線調(diào)研、學生演示、課堂監(jiān)控等功能。互動教學區(qū)的桌子為訂制的顯示器機箱折疊一體電腦桌,可將顯示器收入桌子內(nèi)部,形成面積較大的平面,用于開展機器人拼裝和編程實操。

(2)教具工具區(qū)。教具工具區(qū)提供機器人教具和電子制作工具存儲和管理功能,對貴重的機器人主機和教學套件、平板電腦、電子制作工具、電子元器件、激光切割設(shè)備等上鎖存放。

(3)專業(yè)競技區(qū)。提供綜合機器人比賽場地和LEGO FLL比賽場地,機器人比賽場地配有專業(yè)比賽圖紙(WRO常規(guī)賽、FLL工程挑戰(zhàn)賽等)以及常規(guī)的巡線、關(guān)卡等實訓圖紙。綜合機器人比賽場地由木質(zhì)板材構(gòu)成,支持不同結(jié)構(gòu)賽臺拼裝,形成錐臺、陷阱、坡度等結(jié)構(gòu),方便學生體驗和實施比賽的組織。LEGO的FLL比賽場地則根據(jù)比賽場地要求定制。

(4)綜合展示區(qū)。提供空間展示學生的機器人作品實物、企業(yè)主流教育機器人教具與介紹資料、學生實訓相片、獲獎成果展示,讓學生感受專業(yè)制作水平和企業(yè)實際需求,激發(fā)學生努力學習的拼勁和參與比賽的積極性。

(5)自主創(chuàng)作區(qū)。提供高清攝像和輔助器材,方便師生錄制機器人教學微課資源及制作網(wǎng)絡(luò)課程,用于開展云端教學或基于翻轉(zhuǎn)課堂的混合教學。此外,提供了激光雕刻切割設(shè)備、掃描儀、手繪板、彩色噴墨打印機等,用于設(shè)計制作教育機器人作品以及相關(guān)多媒體課件作品,為學生參加全國教育教學信息化交流展示活動、全國大學生計算機設(shè)計大賽及機器人類比賽提供工作環(huán)境和訓練場地。

(6)研討發(fā)展區(qū)。研討發(fā)展區(qū)給學生提供開展自由討論、頭腦風暴活動等交換智慧與靈感的空間,由可自由移動的椅子構(gòu)成一個非正式學習和自我反思的學習場所。

2.空間布局

機器人教育實訓室的空間布局如圖1所示。

3.系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)主要由網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)和智能系統(tǒng)集成控制系統(tǒng)兩個體系組成,其中網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)完成網(wǎng)絡(luò)接入和連接,接入網(wǎng)絡(luò)的有線終端包括教師主機、學生主機、智能中控主機和無線AP,無線終端則包括學生平板電腦和電子白板一體機,主要使用WIFI連接。而智能系統(tǒng)集成控制系統(tǒng)則主要由智能中控主機完成對終端控制,使用有線連接到多媒體控制器和智能充電柜,由多媒體控制器來控制電子白板一體機、音響系統(tǒng)、實物投影儀和投影儀,使用Zibee無線通信連接燈光控制器、窗簾控制器和空調(diào)控制器來分別控制燈光、窗簾和空調(diào)。系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

五、教具設(shè)備與軟件選型

機器人教育的教具與軟件選型要堅持適宜教學、功能安全、具有發(fā)展性和經(jīng)濟性等原則,在實訓室建設(shè)過程中,核心教具和拓展教具以集中批量采購為主,展示性教具以合作企業(yè)贊助和少量采購為主。國內(nèi)機器人教育的教具與設(shè)備供應(yīng)商主要包括機器人硬件供應(yīng)商、機器人教育培訓機構(gòu)以及兼具機器人設(shè)備與培訓的綜合體三類公司。硬件供應(yīng)商的主要商業(yè)模式以B2C銷售機器人教具為主,如大疆、優(yōu)必選、韓端科技等;機器人教育培訓公司則主要通過采購硬件和配套課程,加上部分自研課程形式開展教學,目前大部分的機器人培訓機構(gòu)均屬于這種類型;而設(shè)備和培養(yǎng)綜合體公司則兼具機器人硬件供應(yīng)和教育培訓服務(wù)商角色,例如深圳西覓亞、樂博樂博等。對于教具的選擇,鐘柏昌等人[2]在2014年開展的一項研究表明,目前一線機器人教學中市場占有率較高的品牌主要有樂高、中鳴、納英特和Arduino,也有紫光、諾寶蘿卜圈仿真機器人和其它品牌。綜合上述選型思路和企業(yè)分析,結(jié)合一線教學和開展教師省培項目實施的需求,最終采用的主要教具設(shè)備和軟件如表1所示。

六、文化設(shè)計與規(guī)范管理

1.機器人文化氛圍

沉浸式實訓教學強調(diào)給學生提供真實的工作環(huán)境和文化氛圍,要發(fā)揮文化的引導、美化、激勵和約束作用,引導師生進入機器人教育實踐訓練的狀態(tài)和氛圍,提高學生對機器人教育的興趣和職業(yè)認同。具體做法包括利用機器人教學場景、學生相片墻、榮譽獎狀、課程介紹、作品展示等圖形元素及作品實物展示來美化實習環(huán)境、營造氛圍,通過專業(yè)元素和案例向?qū)W生傳遞專業(yè)文化,形成機器人教育專業(yè)素養(yǎng)的沉浸式培育環(huán)境,激勵學生投身機器人教育與少兒編程事業(yè)。讓學生在實訓室中體驗一線企業(yè)和學校的教學環(huán)境,感知企業(yè)文化和體驗職場紀律的約束,從而最大程度上實現(xiàn)實訓教學與頂崗工作的無縫對接。

2.實訓室管理制度與規(guī)范

制度建設(shè)是實訓室環(huán)境文化建設(shè)不可或缺的一部分。[9]機器人專業(yè)實訓室的制度建設(shè)包括了人員安全規(guī)范、實訓室管理規(guī)范、設(shè)備使用規(guī)范、設(shè)備維護規(guī)范等。在人員安全規(guī)范方面,形成實訓人身安全教育制度;在實訓室管理規(guī)范方面,重點形成實訓室使用規(guī)范、預約制度、衛(wèi)生清潔要求。設(shè)備使用規(guī)范方面,要形成設(shè)備借用簽領(lǐng)和歸還制度,讓學生形成機器人主機、核心部件等貴重器械的保管責任意識;形成教具分區(qū)管理與使用制度,讓學生明白教具本身不僅要符合安全標準,還要做好區(qū)域劃分和獨立管理,例如幼兒段與學齡段教學區(qū)域要分開,大小顆粒積木和電子原器件的管理要分開。在設(shè)備維護規(guī)范方面,強調(diào)學生的團隊合作和主動參與,分組定期在課后清潔實訓室衛(wèi)生,對積木教具進行消毒和清潔。

3.安全規(guī)范教育與管理措施

安全規(guī)范教育與管理措施是保障機器人教學正常開展的前提和常規(guī)工作,尤其在培訓機構(gòu)要特別引起重視。在企業(yè)培訓機構(gòu)中機器人學員主要有學前的幼兒和學齡階段的中小學學生,幼兒的特點是認識能力尚在啟蒙階段,對自我和社會認知水平低,動作協(xié)調(diào)性差,自我保護能力較弱,而中小學生則活潑好動,動手能力強,但自控能力有限,有時會出現(xiàn)打架情況,兩種人群的安全管理風險都比較高,因此有必要通過安全規(guī)范教育提高學生的預防意識。安全規(guī)范教育與管理措施的主要工作包括設(shè)施安全、防疫工作和人身安全三個方面,要在機器人教育實訓環(huán)境設(shè)計中得到體現(xiàn)。在設(shè)施安全方面,在實訓室內(nèi)提供課室布局和樓層走火通道示意圖,在門口放置防火面罩和滅火器材,讓學生清楚安全通道和防火逃生指引,提示學生設(shè)施和消防安全是防止傷害事故的重要措施;在用電插頭旁邊貼上用電安全提示,提示學生要避免幼兒靠近;在靠近空調(diào)的墻面上貼有空氣檢測報告,提示學生注意課室內(nèi)空氣質(zhì)量和安全標準(如甲醛等)要求;在防疫工作方面,在實訓室門口放置免洗消毒液和紅外溫度探測器,提示學生理解幼兒防疫和健康管理;在實訓室配有藥箱,讓學生了解簡單的防護和醫(yī)護知識。在人身安全方面,在桌角貼上軟質(zhì)防撞條,在實訓室門縫裝上防夾條,提示學生理解要避免學員摔倒、劃傷、磕碰和夾傷,造成人身傷害事故。

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(編輯:王天鵬)

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中國火炬(2015年8期)2015-07-25 10:45:50
高職高專師資培訓基地發(fā)展及創(chuàng)新思考
建筑類專業(yè)識圖實訓室建設(shè)及實訓組織研究
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