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浅谈教育机器人(吴洁等)

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浅谈教育机器人(吴洁等)

    随着机器人技术的迅速发展,美国、日本等一此发达国家越来越看好教育机器人对未来高科技社会的作用和影响,他们在中小学信息技术教育中都不同程度地对学生进行机器人教育。我国许多有条件的中小学也纷纷将智能机器人引入到学校教育中。到2005年底,我国已有76所中小学成为机器人教学实验学校。教育机器人正在逐步走入我国的各类学校。
1教育机器人简介
      教育机器人是由生产商专门开发的以激发学生学习兴趣、培养学生综合能力为目标的机器人成品、套装或散件。它除了机器人机体本身之外,还有相应的控制软件和教学课本等。
      从外形来说,教育机器人可以分为两类:一种是有基本形状的机器人,学生可以在此基础上增加模块,进行改装。另一类是没有固定形状,只有一堆零部件的积木式机器人,学生可以根据白己的想象来自主搭建各种形状的机器人。两类机器人的基本结构主要包括主板、各种传感器、运动装置以及发声器等功能模块。
      各种教育机器人的教学侧重点不同。有的以培养学生动手能力为主,如积木式的机
器人,学生首先要发挥想象力,自己动手把一大堆零件组装起来。有的以培养学生程序设计能力为主,为用户提供多种语言编程的平台。如:支持训练小学生思维的Logo语言或图形语言,支持适合中学生编程的QBasic语言和适合较高层次学习的类C语言或汇编语言等。还有的教育机器人为相关专业的学生或研究生服务,为他们提供人工智能、机器控制、人机交互的研究平台。许多教育机器人同时配有仿真系统,仿真软件不仅可以仿真机器人,而且可以仿真机器人的运动场地、周边环境和设施。学生可以自己配置虚拟机器人,自己在仿真环境中为机器人搭建运行环境。
2教育机器人走入学校的方式
      不论在国内还是国外,教育机器人都是一个新事物。除了部分高等院校的极少数专业外,大多数学校以前都没有接触过机器人。教育机器人应该以怎样的方式进入教育领域呢?
2. 1教育机器人走入高校的方式
2.1.1作为专门学科的教学内容
      据预测,21世纪中期,人类社会将全面进入以智能机器人为代表的智能时代。机器人的广泛应用将极大地促进社会生产力的发展与产业结构的调整,机器人的制造与销售将成为一个新的经济增长点。社会需要机器人方面的人才,高等教育就应该加强机器人专业建设,为其培养能胜任机器人工作的毕业生。高校可以在与机器人相关的专业中,开设专门的机器人课程。机器人的核心是智能技术,其外延则涵盖了机械、电子、通讯、控制等多个学利和技术领域,是一个学科技术群。各个学校可以根据白己的实际情况,侧重不同方面,开发各具特色的机器人课程。
2.1.2作为创新课程的教学载体
      事实证明,我国大学生需要进一步培养动手能力和创新精神。教育机器人具有良好
的开放性和扩展性,非常适合培养学生的综合能力。可以在大学低年级为所有的工科学生开设一门以教育机器人为载体,以培养学生综合能力和创新精神为目标的创新实践课。通过该课程可以使学生对上利的基础专业知识如:机械零件、机械设计、电子、单片机、控制、编程等有直观的认知;可以培养学生的基础能力和复合能力;激发学生学习上科学知识的兴趣。
2. 1. 3作为传统学科的研究平台
      程序足教育机器人的灵魂。而程序设计也正是许多理工科院校的重要教学内容之一。
      利用教育机器人,能使学生看到程序设计的应用效果,蒙生自我成就感,从而激发学生的学习兴趣。教育机器人能够支持多种编程语言,教师可以根据需要进行选择。机器人的流程图界面可以帮助学生整理思绪,仿真环境能使学生及时验证自己的思路是否正确,从而提高编程效率。
      机械设计、单片机等课程更加适合以机器人作为研究平台,开发各种项目。比如,可以用积木型机器人搭建自动化工厂,模仿电梯、自动洗衣机等的工作过程。
2. 2教育机器人走入中小学的方式
      在中小学引入教育机器人,并不是要将大学的相关专业课程简单地”下放”到中小学来,而是根据基础教育的教育目标和学生的认知特点,选取适当的教学内容,使青少年学习一点机器人的基础知识和基本技能,以培养他们的创新精神和综合实践能力。
    教育机器人可以通过以下几种方式,走进中小学课堂。
2. 2. 1与信息技术教育相融合
    信息技术包括信息获取、信息存储、信息加工、信息传递和信息输出。多年来,我国的信息技术教育都以计算机作为唯一载体,教学内容以讲授微软的各种常用软件为主,较少体现出信息技术所涵盖的感测、控制、通信等方面的内容。机器人技术涉及传感器、计算机软件、硬件、人机交互、人工智能等多门学科,几乎涵盖了信息技术的各个方面。教育机器人能够极人地丰富信息技术教育的教学内容。
      通过教育机器人,教师可以向学生介绍机器人的发展和应用状况,使学生理解科能机器人的概念和工作原理。各种外露的传感器能够强烈地激发学生的好奇心,教师可以趁机讲授各种传感器的原理和作用。这些都可以为学生进一步学习相关知识打下基础。另外,程序设计也正是中小学校信息技术学科教育的重要内容之一。外形可爱的机器人,友好的人机交互界面,丰富多彩的虚拟环境,能使以往枯燥的程序设计变得妙趣横生。
2. 2. 2与传统课程相整合
      将教育机器人用于传统课程的教学中,可以开发学生早期智力,激发教师和学生的学习兴趣。在各门传统学科中都可以引入教育机器人,给传统课程注入新鲜血液,增加新活力。
      平面几何图形是中小学数学的重要部分。用Logo语言编写程序,可以让机器人走出各种轨迹,并可以在仿真环境中画出相应的图形,从而直观形象地让学生理解各种图形。比如在给小学生讲正三角形时,与其让学生硬背三角形的概念,不如指导学生用Logo语言给机器人画个三角形。教师讲解后,学生会明白正三角形有三条边,其外角为120度,内角为60度。教师也可以采用任务驱动法,让学生自己观察,找出规律。
      物理是一门试验学科,教师可以利用教育机器人来做物理试验。比如,可以利用机器人代替传统的小车来验证匀速直线运动的速度、位移和时间的关系;可以将机器人改装,让机器人以一定速度原地旋转,从而学习匀速圆周运动的相关知识。还可以用机器人来讲授基本的电学知识等。
      教育机器人是能歌善舞的小演员,是音乐老师的好帮手。在传统教学中,简谱学习是令人乏味的教学难点,现在可以通过编程将乐曲的简谱输入到机器人中,让机器人演奏音乐。这样学生在训练机器人唱歌的过程中,自然地就学会了乐谱知识。老师还可以让机器人根据音乐的节拍,翩翩起舞(做各种动作),从而培养学生的节奏感。
2. 2. 3与课外活动相结合
      教育机器人还可以作为学生课外活动的好朋友。教师可以组织有兴趣的同学组成机器人小组,利用课余时间开展各种机器人活动,参加各类机器人比赛,使他们在娱乐的过程中学到先进的机器人知识,提高综合能力,培养团队精神。
3对教育机器人的几点意见
3. 1具备较高的教学适用性
      顾名思义,教育机器人的主要目的就是为教学服务。因此,教育机器人首先应该具备
良好的教学适用性,应当“易教益学”,教育机器人的零部件要尽量坚实耐用。为了培养学
生的动手能力和创新精神,教育机器人要有一定的可扩展性,可拆可装,但并不是拆得越散越好,零部件过于细小,容易去失,会影响课堂教学的顺利进行。另外,过多的零部件组装,会耗费学生大量时间,在课时有限的情况下,学生在拧完众多螺丝之后,几乎没有时间去做其它事情。这就相当于使用最先进的技术上了一门传统的手工课。故教育机器人各零部件的集成度要适中。
      教育机器人要具有开放性。各种传感器和其它核心部件要尽量外露,这样比较容易
激发学生的好奇心,方便教师讲解。
      教育机器人要具有较好的性能价格比。我国目前的经济水平还不是很发达,特别要在中小学广泛开展机器人教育,机器人的性能要满足教学要求,价格也必须在中小学可承受的范围内。
3. 2期待出现网络型教育机器人
      目前,大多数的教育机器人还只停留在单机模式。如果能出现网络型机器人,在不同物理位置的学生可以通过网络来一起组装仿真机器人,设置仿真场地,并开展各种类型的
比赛。这必将极大地促进机器人教育的发展。网络机器人有助于在教学中实现人机交互、师生交流、小组协作等新型教学方式,从而更有效地实现教学目标。各种类型的仿真比赛又可以做到离教于乐,帮助那此沉溺于电脑游戏中的同学在玩的过程中学到先进的机器人知识,真正做到玩有所获”。
      同时,网络型教育机器人还可以使暂时没有条件购置物理机器人的学校顺利地开展机器人教学活动。
4结束语
      教育机器人作为崭新的教学载体,符合建构主义提倡的教育理念,能够使学生在探
索中学习,在活动中发现,在问题中创造性地建构知识;能够培养学生分析问题,解决问题的能力。随着教育机器人的出现,教师会更容易地接受建构主义等新的教学理念,采用任务驱动,研究性学习等新的教学方法去组织教学。这一切都是其它教学上具所无法比拟的。
与君共勉!
个人博客:http://www.waterylife.com

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