中小学机器人教育的问题与对策

自2000年以来，为贯彻《2001—2005年中国青少年科学技术普及活动指导纲要》和《全民科学素质行为计划纲要（2006-2015-2020年）》，由教育部、科协等部门举办的全国中小学电脑制作活动、全国青少年机器人竞赛等蓬勃发展。同时，各地中小学也相应地开设了各具特色的机器人技术课程。其目的在于丰富中小学生学习生活，激发学生的创新精神，培养他们的实践能力，全面推进素质教育。作者作为中国自动化学会机器人竞赛委员会的委员，从2001年就参加了中小学机器人的竞赛工作，包括全国、广东省和广州市的竞赛，同时也参与了青少年机器人教育和科研项目，因此对中小学机器人教育和竞赛比较了解。本文总结、分析了中小学机器人教育及竞赛存在的一些问题，提出了一些对策，同时提出利用3D 打印和云计算平台等新技术推动中小学机器人教育发展的思路。

一、中小学机器人教育存在的问题

机器人学是一门复杂且综合性很强的学科，代表了最高级别的自动化技术，涉及面很广。与高校不同，中小学机器人教育的重点是科普而不是研究，需要把成熟的技术简化后传授给学生，着重培养学生的动手实践能力。因而，教学内容、技术的层次等等必须在教学中仔细斟酌。在目前的中小学机器人教育中，存在以下问题：

1.缺乏统一的技术层次结构

普遍的中小学机器人技术教材中，包括了机电制作

中小学机器人教育的问题与对策

*

张 祺1 李杭州2

（1广东工业大学自动化学院，广东广州 510006；2广东省教育技术中心，广东广州 510245）

【摘 要】本文总结、分析了目前中小学机器人教育及竞赛所存在的若干问题，提出了一些相应的对策,包括：规划科学的、阶梯发展的和具有前瞻性的教学内容技术层次结构；通过实验项目和研究项目的考核，完善机器人教育的评价体系；标准化机器人零部件和虚拟机器人平台，降低投入成本，提高普及度，实现机器人教育的均衡化发展,提出了利用3D 打印和云计算平台等新技术推动中小学机器人教育发展的思路，以期对中小学机器人教育起借鉴作用。

【关键词】中小学；机器人教育；技术层次结构；评价体系

*本文为全国教育信息技术研究“十二五”规划2011年度课题《中小学机器人教育教学评价及资源开发研究》（课题编号113630462）成果之一。

和编程两大方面，机电制作包括了机构、传感器、驱动器和控制器等内容，编程则为其人工智能的程序实现。但是对小学、中学各年级各阶段应该讲授到什么技术，掌握到什么程度并没有明确的统一的规划。因此教材种类虽多但比较混乱，而且部分教材针对特定厂商特定的型号编写，具有较大的局限性。

2.评价体系不完善

机器人教育不仅包含学科知识，还包括了实践能力、创新能力等能力的培养。采用传统的试卷考核方式，只能评估学生对学科知识的掌握程度，无法评价其实践能力和创新能力。若缺乏科学的评价标准，则容易造成教学目的不明确，也无法对教学方法进行改善。

目前机器人教育的评价除了采用传统的试卷考核方式外，很多时候以竞赛奖励作为评价机器人教学水平的指标。在这种畸形指标的压力下，有些学校把机器人教学从普及型变为了精英型，甚至为了比赛成绩不惜以教师代工，弄虚作假，舍本逐末。

3.教具昂贵，不利普及

实体机器人通常由各厂商自行开发设计销售，成本涵盖了研发、生产、培训、售后、比赛赞助等方面，投入很大，面对销量有限的教育市场，因此只能把高额的成本转嫁给最终用户。大部分机器人具有移动能力，实验和竞赛时经常出现零部件损耗现象，后续保养费用高。另外，竞赛新项目和新规则也促使机器人教具需要同步升级，已购买的实体机器人很快落后；为了继续比赛和

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取得好成绩，学校不得不继续投入资金更新教具，重复投资造成很大浪费，机器人教育和比赛项目变为了“烧钱”的项目。

4.过度产业化，呈现出垄断性和封闭性

中小学机器人教育已经实现产业化，产品型号众多，鱼龙混杂。实体机器人教具多是厂商提供的成品，机械和硬件部分已经实现了模块化，大部分工作已经完成，只需要简单的拼装就可以实现。这就降低了对学生动手能力的要求，对于低年级的小学生也许是合适的，但是如果对于初高中生也是类似的情况，则达不到“激发创新精神，培养实践能力”的效果。厂商针对某项竞赛进行特别优化的产品，往往能凭借竞赛优异的成绩在某段时间垄断该项目比赛的产品市场。另外，生产厂商出于知识产权保护的考虑，提供的软硬件系统底层基本是不开放的。

5.地区发展水平不均衡

以广东省为例，机器人教学开展得比较好的城市为广州、深圳、佛山、东莞、中山等经济发达城市，而粤东、粤西、粤北等山区市则较差。这其中的主要原因是地区经济实力：实体机器人教学需要较大的经费投入，对于经济欠发达地区的学校几乎是不能承受的。另外也有师资力量、指导水平方面的原因，经济欠发达地区学校相对缺乏机器人教育的专职教师，只有一些重点学校开课，普通学校无法开展。

6.教师水平参差不齐，缺乏综合知识，而且受到了职称评定等问题的困扰[1]

由于缺乏专职中小学机器人教育的辅导教师，辅导教师多由其他学科的教师兼任。机器人教育涉及了多个

学科，包括了机械、电子、计算机等，因此需要教师具有比较综合的知识和应用能力，一般兼职的教师很难满足上述要求。此外，目前我国尚未建立起科技辅导员职称评定制度，中小学，乃至大、中专院校的职称评审中都没有专职的科技辅导员评审类别，这使得大部分科技辅导员只能按照原从亊的学科专业进行职称评定，因此很多兼职教师对青少年机器人教育工作的积极性不高。

7.机器人竞赛项目设定和规则制定缺乏科学的技术层次规划

例如“机器人足球比赛”项目，学术界提出这种比赛平台的目的是研究多智能体协作的问题，即多个机器人之间应相互合作完成比赛。在目前的规则下，比赛场地小，足球检测技术和机器人定位技术非常成熟。因此很多时候，参加比赛的机器人没有太多的合作，主要依靠体重和大功率电机提供的推力互相推挤把球推入球门，对比赛策略和人工智能的要求反不高。甚至竞赛组织方需要通过机器人重量和电池电压等手段，实现相对公平的竞争。这说明了该项目的考核点出现了偏离，需要进行修改提高对检测技术、人工智能技术的考核。另外，同样是“机器人足球比赛”项目，小学组、初中组、高中组完成的机器人作品几乎没有差别，商品化高，只是小学组为1VS1，初高中组2VS2。这样就体现不出本该有的考核技术层次，因此比赛演变为“军备竞赛”，谁能购买新型的机器人，谁就能占上风。

二、对策探讨

机器人教育存在的问题，制约了中小学机器人教育的发展，不少教育者对机器人教育尤其是竞赛存在一定

简化

图1 技术层次结构示意图

的质疑。下面探讨一下相应的一些对策。

1.科学规划技术层次结构

为中小学机器人教育和竞赛规划科学的、阶梯发展的和具有前瞻性的技术层次结构，明确教学内容。按照小学低年级、小学高年级、初中、高中划分其技术层次，如图1所示,把成熟的机器人技术归入各层次，并按照学生的接受程度确定考核要求。根据规划好的技术层次结构编写教材，并以此为基础设定竞赛项目、竞赛规则、规则调整周期和调整方向，让教师做到有的放矢。同时,在保持技术层次基本稳定的基础上，每隔若干年吸收新技术进行修订。另外，可以适当引导把高级的、前沿的机器人技术简化后提供给中小学生使用，实现与高等教育的衔接。例如，人工智能的实现中，目前大部分中小学机器人采用最简单的IF THEN人工智能产生式系统，因为编程容易实现；高级一点的人工智能技术，例如模糊控制技术、专家系统、神经网络等，编程复杂不容易实现，但是可以通过软件模块化、图形化等方式让中小学生接触、使用。

2.完善中小学生机器人教学评价方法

机器人技术涉及多门学科，是科学与技术相结合最好的体现，一般来说适合采用知识讲解、实验实践和项目研究混合方式进行教学。确定了中小学生机器人教育技术层次结构及其教学内容后，根据每一级别的技术层次，可以指定实验项目和研究项目作为考核方法，其中研究项目的主题来自生活和学习，让学生从生活中体会科学的魅力。学生可以分成若干组，在教师的指导下，进行项目内容设计、分析、机器人搭建、流程图设计和编程实现，最终提交作品、实验报告或项目研究报告。新课程标准要求学生发展要遵循三个方面的导向性：知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观，在制定机器人教学评价是，这三个方面是理论依据和能力大项，要关注、评价学生的发展（表1）[2]。

知识包括了机器人的知识、基本概念、工作原理及理解、应用情况，技能为机器人设计和选择技能、搭建技能、调试技能、交流合作技能等。过程与方法方面，则重在评价学生利用机器人解决实际问题的能力、技术的决策能力和创造能力。情感态度与价值观的评价：评估学生在学习过程中是否具有精益求精、实事求是的态度，是否具有不屈不挠、克服困难、解决难题的信心和意志，是否具有良好的合作精神；是否形成积极尝试应用机器人解决实际问题的意识；设计制作的机器人作品能否体现关爱自然、珍视生命等积极向上的情感。

教学评价在不断的创新，创新性评价的研究动向有：中介性评价；发展性评价；后效性评价；区域性评价；创新型课堂教学评价。在评价中注重过程，注重质性，注重自评与他评，中山一中陈卫军建立了初中机器人教学“二三四评价模型”（如图2）。“二”就是二个结合，即形成性评价和总结性评价相结合、定性评价与定量评价相结合；“三”就是评价的三张评价表：评价细目表、作品评价表、研究报告表；“四”就是四个评价主体：即自评、小组内互评、组间互评、师评。

表1 机器人教学三维评价内容

序号一级指标二级指标

一知识与技能

1.了解机器人的零件（组件、尺寸、特点、功能）

2.了解学习任务的组装顺序和基本技巧

3.能口头表达作品的创意与构想（尺寸、结构、功能）

4.能利用多媒体表达作品的创意与构想（尺寸、结构、功能）

5. 能利用文字与图案表达作品的创意与构想（尺寸、结构、功能）

6.能利用绘图表达作品的创意与构想（工作草图、三视图、立体图、

等角图、组合图）

7.复制已有作品

8.改进已有作品

9.了解解决问题步骤中设计工作的概念

二过程与方法

10.能利用物品类比表达创意与构想（尺寸、结构、功能）

11.了解任务学习过程中的可用资源（队友、学习资料、材料、能源、

时间）

12.基本合理利用可用资源（队友、学习资料、材料、能源、时间）

13.简单分析与研究问题

14.提出解决问题的构想

15.掌握数据搜集整理的方法

16.提出一种以上解决问题的方案

17.掌握机器人调试的方法

三

态度与情感

与价值观

18.解释最佳方案的理由

19 尊重作品的原创价值

20.认可改进作品构想或重新设计的需求

图2 初中机器人教学“二三四”评价模式模型

3.制定机器人零部件和制作平台标准

技术委员会在上述技术层次结构的基础上，可以提出标准化的机器人机械部件、电气部件接口等，免费授权，降低机器人产品开发、生产和使用成本，实现机器人教育开放式产业化和DIY并行发展。例如，机械部件可以建立标准机械零部件库，分类及说明见表2，指定外形尺寸、安装孔位等物理尺寸，同时给出材料、加工工艺要求及DIY指引，便于厂商大量生产和学生自行DIY。电气部件则实现接口标准化，目前教育机器人电

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路板一般有4大部分：电源电路板、传感器电路板、控制电路板、驱动电路板，可以统一定义每种电路板接口的功能、物理特性和电气特性。例如，把控制电路板分为8位单片机、16位单片机、32位单片机等三种，每种必须带有一定数量的开关量I/O、模拟量I/O，一定数量的PWM输出、串行接口、I2C接口等。电路板可以由厂商生产也可以DIY，只要符合电路板物理特性和电气特性的电路板均可以组装在一起，利用我国强大的制造能力把造价降低。采用标准化的机械零部件和电气部件，可以很快组装出具备一定功能的机器人。若机器人教育课程和竞赛的开设基于上述机器人，零部件的有效使用周期将大大延长。

表2 机械零部件分类及说明

分类说明

主体结构标准件用于搭建机器人的主体结构，采用积木的概念

装配五金标准件螺丝、螺柱、螺母、垫片、轴、轴承、安装支架等机械传动标准件用于电机与执行、驱动机构之间的匹配，包括齿轮、

齿条、同步带、皮带、皮带轮、齿轮变速箱等

电机标准件包括直流有刷、无刷电机、微型步进电机等

驱动和执行机构标准件各种驱动轮、手爪等

虚拟机器人为纯软件，价格远低于实体机器人，甚至可以免费提供，因此很容易推广到经济欠发达地区，实现机器人教育的均衡化，发展潜力很大[3]。虚拟机器人和虚实结合机器人竞赛时采用统一的设备，需要现场编程才能完成，充分保证了比赛的公平性。虚拟机器人目前没有全国统一的平台，以广东省为例，有广州市教育信息中心委托开发的“易时代”3D虚拟机器人平台，还有其他厂商自行开发的虚拟机器人平台。虚拟机器人平台的核心技术，例如物理仿真引擎、3D显示技术等的研发需要大资金的投入，仅靠几个单位和公司的投入远远不够，且目前的虚拟机器人平台均是封闭的，出现“各自为战”的局面。因此由上级主管部门组织开发统一标准的虚拟机器人仿真平台非常有意义，平台可以采用开源模式，各厂商能在其基础上进行二次开发，提供有特色的虚拟机器人产品。虚实结合机器人是近年新开展的项目，既有虚拟机器人仿真平台，也有对应的实体机器人，例如广州市教育信息中心委托开发的“易时代”3D 仿真虚拟机器人软件实现了虚拟机器人模型与“洛奇”实体机器人的结合[4]，已经进行了教育推广和竞赛。但是，虚实结合的机器人同样存在物理仿真引擎需要不断改进的问题，统一化和标准化是其发展趋势。

4.推动新技术在机器人教育教学中的应用

（1）3D打印技术的应用

3D打印技术为一种快速成型技术，能根据数字模型文件，采用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。3D打印技术构造的零件，具有一定的机械强度，绕开了设备繁多、工艺复杂的机加工，适合学生进行DIY设计，非常适合用于中小学机器人教育。3D打印技术已经在中小学教育进行了应用研究[5]，在中小学机器人竞赛现场，也有厂商展示了3D打印机。目前在中小学中，3D打印机大部分用于艺术类作品的快速成型，还没有适合中小学生使用的3D零件设计软件，这成为了3D打印在机器人教育应用中的障碍。设想中适合中小学生使用的3D零件设计软件平台应具备下列特点：包含对策中所述的标准机械零件库；可以通过图形化、模块化软件调整零件参数；模拟装配功能；提供易用友好的界面。可以预见，在合适的软件配套后，3D 打印技术将会大大推动机器人教育的发展。

（2）云计算平台的应用

云计算平台能通过互联网，简化用户终端功能，把复杂的计算与处理过程转移到的“云”上完成。用户应用程序并不需要运行在用户的个人电脑、手机等终端设备上，而是运行在互联网大规模服务器集群中；用户所处理的数据也无需存储在本地，而是保存在互联网上的数据中心里。在任何时间和任何地点，用户只要能够连接至互联网，就可以访问云，实现随需随用[6]。云计算平台的这种特性，非常适合用于设计实现虚拟机器人平台，虚拟机器人所需要的物理仿真引擎和3D引擎运行于云计算平台的云服务器，计算结果回送终端，终端只需要完成界面和显示就可以了。这样，利用云计算平台实现的虚拟机器人平台，可以很方便地通过个人电脑或平板电脑、手机等移动终端进行使用，降低对终端的计算能力要求，同时也实现了平台的公平化。利用云计算平台，还可以组织远程机器人竞赛，降低比赛成本，吸引更多的学校和学生投入竞赛。

5.加强教师专业化培训

机器人学科的知识综合性强，很多来自其他学科的兼职老师难以覆盖这样的知识面，因此可以吸收机电一体化、自动化专业的毕业生作为专职教师，另外对已在教学岗位上的专职教师可组织培训、讲座、论坛等形式，提高其综合知识能力。建议为机器人教育专职教师编制专用培训教材，教材的技术层次水平界于高中和大学本科之间。

在动手实践能力方面，可以在省或地级市的教育技术中心，设置专门的教师培训实验室。采用进阶式实验实践培训教程，参与培训的教师除熟悉自身技术层次的实验实践外，还参与高一级技术层次的（下转第17页）

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习适合自己的程序，完成难度不同的机器人编程任务。

（3）针对线路规划的任务拓展

在虚拟机器人教学中线路规划是最为灵活的一部分，也最能反映学生的编程技能和所学知识的综合运用水平。在设计任务地图时先设计从一房间到另一房间的任务，该任务主要训练学生利用机器人转向和直行两个基本动作的组合运用；而后再增加搜救任务和小球障碍物，从而增加组合运用的动作数量和难度。由于线路规划的任务地图需要较多的机器人转向和机器人直行语句的重复运用，为此教师可以引导学生尝试运用子程序来简化程序设计，掌握了子程序的设计，就使学生的编程水平达到了较高的层次，多种层次学习任务的设计，采用任务驱动法进行教学，提高了学生编程的技能。

三、任务驱动法教学评价

在虚拟机器人教学中，运用任务驱动法组织教学，还必须让学生在学习中进行有效的学习评价，让学生可以根据自己任务地图的完成情况，寻找改进的方向，或进一步探索新的解决问题的方法。

1.建立虚拟机器人程序后台成绩管理平台

让学生在完成不同任务地图时，可以实时提交给服务器，同时在数据库中计入学生的成绩，并将成绩根据不同任务地图通过网站显示出来。学生不仅可以查询自己的各地图成绩，也可看到其他学生的成绩。利用网络平台评价机器人教学的效果，以提供更优的解决方案和策略，从而进一步提高教学的效果。

2.设置差异性的学习评价方案

接着将所有任务地图放在管理平台上，根据任务难度顺序排列，学生可以浏览各个任务地图的截图。但是学生要下载任务地图和提交相对于任务地图的成绩，就必须完成前一个任务地图。这样通过这种完成任务的通关机制，不仅老师可以根据学生完成任务的情况直接对学生进行评价，而且也可让学生体验学习的成功，激发学生学习的积极性。

四、结束语

机器人走进中小学课堂是近年来新兴起的研究领域，依托校本课程开展机器人的普及教育是目前许多学校计划开展的工作。在虚拟机器人教学中运用任务驱动法，设计由易到难的任务地图的课程内容，并通过管理平台将任务地图以通关的形式体现，通过网络平台展示学生的成绩，做好学生学习机器人课程的过程性评价，引入激励评价体系，提高学生学习的积极性，培养学生分析问题和解决问题的能力。

参考文献：

［1］何克抗.e-Learning的本质——信息技术与学科课程的整合.电化教育研究,2002,(1):3-6.

［2］徐杏梅.谈信息技术课程中的“任务”设计.中国电化教育,2003,(7):38.

［3］潘瑜凤.运用“任务驱动”优化信息技术课堂.科学教育研究,2011,(19):84.

责任编辑：李杭州

（上接第6页）培训，消除技术层次之间的隔阂。同时，配合教师编制专用培训教材提出创新性、探索性的实验，拓宽教师的指导思路。

另外中小学机器指导教师与机器人研究者应加强交流，了解工业机器人、智能机器人等领域的研究现状，比如可以开放高校的机器人研究室，让中小学指导教师参加其中的一些研究项目，更好地实现中小学机器人教育与高校机器人研究的衔接。

三、结束语

本文根据中小学机器人教育存在的一些问题提出了对策供探讨，目的除了与各教育工作者进行交流之外，还希望能引起有关部门的重视，特别是在科学规划技术层次结构、标准化机器人零部件和平台方面。在大家共同努力下，机器人教育将在中小学生科学素质培养中发挥重要的作用。

参考文献：

[1]薛清平.青少年机器人教育的误区. 价值工程, 2012, 31(7): 147-148.

[2]王 宁,李杭州.小学机器人学习评价研究. 教育信息技术,2013(7):125-127.

[3]钟毅.基于虚拟仿真的城乡中小学机器人科技教育均衡化发展的研究.无线互联科技. 2013(8):235.

[4]李赞坚.构建中小学“虚实结合”机器人竞赛活动模式的思路与实践. 中国信息技术教育.2014(7): 73-76.

[5]童宇阳.打印技术在中小学教学中的应用研究. 现代教育技术. 2013(12),Vol.23:16-19.

[6]汪萃萃,黄志芳,赵呈领.云计算在教育中的应用. 中国教育技术装备.2009(24):9-11.

责任编辑：欧阳慧玲

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