美国机器人教育的特点及其启示

【摘要】机器人教育在我国还处于起步阶段，尚未有系统的理论指导，也缺乏可借鉴的成功经验。本文分别对美国基础教育与高等教育中的机器人教育现状进行分析：在基础教育领域，从实施类型出发，介绍和分析了若干典型案例及其特色；在高等教育领域，从机器人课程与机器人学习平台两方面，分别选取了较具代表性的麻省理工学院的开放课程以及俄勒冈州立大学的机器人学习平台TekBots作为案例。最后探讨了美国机器人教育的特点以及值得我国借鉴的经验。

【关键词】机器人教育；课程设置；机器人技术；技术教育

【中图分类号】G434 【文献标识码】B 【论文编号】1009—8097 (2007) 11—0108—05

一 引言

近年来，机器人技术的应用正逐步由现有的生产领域向更为广泛的人类生活领域拓展。高度智能化的机器人技术开始应用在教育、环境、社会服务、医疗等领域，小型化、轻量化且更加接近实用的人工智能机器人不断地被开发研制出来。机器人技术的进步将会对科学与技术的发展产生重要影响，只有开展机器人教育,才能使我们不在机器人时代落伍。机器人的教育价值使它既可以作为家庭的益智玩具，也可以作为学校课外活动的载体，还可以作为基础教育课程的载体[1]。同时，机器人作为一个平台能使学生全面综合地了解现代工业设计、机械、电子、传感器、计算机软件、硬件、人机交互、人工智能等诸多领域的先进技术，并亲身接触和体验现代高新技术，在学生获得科技知识和实践能力的同时激发他们的创新意识和创造发明的潜能。

二 美国中小学的机器人教育

1 美国中小学的课程设置

美国中小学没有统一设置的国家课程,联邦政府和教育部只对全国的教育课程标准提出建议。美国的教材和课程标准的制定检查权力和其他主要的教育行政权力一样主要由州政府教育部掌管。各州教育部都制定自己的课程标准,这些课程标准是学区和学校课程制定的主要依据,也是州教育部和各级教育部门对学校课程实施情况检查的主要标准。无论是国家建议还是州级标准,最终教材使用和选择的权力都在地方的学区。各学区都可以根据本州的课程标准选择不同版本的教材,教材的最终决策同其他一切事务的决策一样由学区董事会集体决定。学校根据学区的课程安排情况及教材的选择情况进行课程安排,执行学区的课程决策。学校在如何实施课堂教学,如何丰富学校课程体系上还拥有很大的自主性[2]。此外,在全国范围内有很多非盈利组织提出各种课程改革计划及对课程发展提出科学性的指导意见。

为了使学生的天赋得到充分发挥，美国非常注重英才教育[3]，美国政府于1993年发布的报告《全国性的杰出成就：培养美国人才的一个实例》中明确提出[4]：学校必须推广有效的教育计划并把更高深的材料融合到常规课程中去； 学校必须为所有学生提供机会，到现实生活中去学习、解决问题，分析材料和情境；学校必须在多种场合-----常规教室、特别课堂、社区、大学或博物馆、电脑前或者任何出现需要的场合为具有杰出才能的学生服务；学校必须建立很灵活的体制，让所有学生，包括最有能力的学生，根据他们的兴趣和需要分班、再分班。所以，美国中小学会为学有余力或在某方面有特长的学生开设选修课程。并且，美国各州的综合高中开设的课程中除了基本的核心课程外，还有丰富多样的选修课程和广泛综合的教育计划(programs)与项目(projects)。

正是由于较为自由的课程设置，为机器人教育的开展提供了便利，丰富了机器人教育的形式。

2 美国中小学机器人教育的实施类型

美国基础教育领域中的机器人教育主要有四种形式：一是机器人技术课程，一般开设在技术类课程中，其中教育计划与项目占大多数；二是课外活动，类似我国的综合实践活动课程；三是机器人主题夏令营等定期活动；第四种形式与前几者不同，它主要利用机器人技术作为辅助性工具来辅助其他课程的教学或者作为一种研究工具来培养学生能力，与此同时学习机器人技术知识，也可以归为特殊的机器人教育形式。

（1）机器人技术课程

美国中小学课程的设置比较自由，除了一些核心课程外，还有内容丰富的选修课程以及一些教育计划或项目。把机器人教育列入课程，让学生系统地、有步骤地学习机器人技术，是开展机器人教育的最佳形式。这里分别通过几个实例介绍机器人技术课程的两个主要特色：

1）灵活的课程开设

①作为技术教育课程体系的一部分

美国中小学的机器人课程大部分归属于技术教育课程体系。例如：南卡罗莱纳州在技术教育中，要求学生了解自动化技术与机器人技术；美国加利福尼亚州高中工程与技术联盟在为高中生开设的工程与技术选修课程中，提供了ROBOTICS课程，主要介绍机器人技术历史，基础，术语，微控制，传感器，程序控制等方面的知识；美国犹他州K-12 核心课程分成两部分：常规课程以及职业技术教育，其中的职业技术教育中技术及工程课程标准（6-8年级）要求对机器人技术有所了解[5]。

②作为研究项目的组成部分

美国部分学校的机器人技术课程从属于某个项目。例如：佛吉尼亚州在4-H 科学技术课程中开设了ROBOTICS[6]。4-H是头脑，心，健康，手的缩写，这个项目是帮助年轻人通过“做中学”来发展；美国国家航空航天局的机器人教育联合项目[7]中的Educational Robotics Matrix项目[8]提供了一个与机器人技术有关的适合各个年龄组的课程计划列表；美国国家自然基金支持的项目“K-12教育中的机器人技术”[9]，目的是帮助K-12教师以及其他教育者开发或改进以机器人作为一种工具来教授STEM的课程和开发机器人技术课程。

2）不同的课程目标

尽管同样是机器人技术课程，各个学校制定的课程目标却不同。例如：美国佛罗里达州Boca Raton Christian学校在该校的高中课程中开设ROBOTICS [10]，课程目标是提供学生各种微型计算机硬件及使用的理解途径，有关微型计算机结构、人机接口和诊断、修复和维护的指导和机器人技术的基本概念；而美国纽约Chapin学校的[11] K-12课程中在2年级的计算机科学中开设ROBOTICS 、5年级的科学课程中开设了ROBOTICS，主要目的是通过动手操作，提供途径来应用在课堂中学习的科学规则，物理知识和计算机编程。

（2）机器人课外活动

以课外活动形式的机器人教育主要特点是与各种机器人竞赛结合。例如：宾夕法尼亚州的K12ROBOT课外活动计划[12]；印地安那州的Purdue大学与LAFAYETTE学校合作，在5至8年级学生课外活动中开展的ROBOTICS项目[13]。

（3）机器人主题夏令营

美国中小学的机器人主题夏令营活动，采用的方式是高校和中小学建立共同体，高校负责设计各类机器人活动，并组织在中小学实施。例如，Carnegie Mellon大学提供的ROBOCAMP暑期机器人计划，通过八星期的课程，使学生懂得一些基本的与机器人有关的电子，机械和计算机科学知识。该课程主要针对高中生，但是需要一定的入门技能。由于参与人数有限，报名者通常需经过筛选才能参加。

（4）作为研究和理解工具

对于中小学生而言，机器人技术本身可以不作为学习的主体，而是作为学习其他课程的工具或者是创新能力培养的一种工具。学生使用这些技术工具来强化学习，激发创造力，培养创新能力，同时也可以增强协作能力。例如俄亥俄州技术标准的标准三“生产应用技术”中提出把机器人模型作为一种研究工具，同时在标准七“设计世界”中，利用机器人来理解输入与输出操作、电子设备如何与计算机连接等概念。

如上所述，美国基础教育领域中的机器人教育的实施类型主要是机器人技术课程、夏令营、课外活动等。以上各种形式的机器人教育所使用的机器人平台大多为实体机器人。虽然机器人教育的较好形式是以课程方式开设，但由于种种原因，以课程形式开设的机器人教育并未针对所有学生、也没有大范围的列入常规课程中。较灵活、自由的夏令营与课外活动是常采用的机器人教育的形式。

三 美国高校的机器人教育

美国高校的机器人教育主要呈现出两个趋势：一方面，美国高校愈来愈多地开设了机器人相关的课程，另一方面机器人作为课程的学习平台，已经慢慢应用于高校其他课程中。

1 麻省理工学院的机器人教育 [14]

麻省理工学院（MIT）是美国私立研究性学院，世界著名的科学技术教育和科研中心。该学院在机器人技术领域成果颇丰：在1994年，MIT的工程师发明了一种机器人，它可以向物理治疗家学习体操，并帮助患者学习这种运动，它还会记录一些病人的一些数据及过程；麻省理工媒体实验室的专家设计的机器人战地报道系统“阿富汗探险者”，它是可远程遥控的机器人战地报道系统，能够实时地报道战场图像、声音并进行现场采访；麻省理工学院人工智能实验室研制的类人机器人“科戈”等等。2001年，麻省理工学院宣布开放课程计划（OCW）启动，该计划的目标是把几乎所有的课程材料上网，供全世界的人们免费自由下载。因此，我们选取麻省理工学院，通过对其开放课程中的机器人课程调查后，总结机器人教育的概况。麻省理工学院涉及机器人教育的课程有认知机器人学、机器人学导论、自控机器人设计竞赛、机器人编程竞赛，结合各个专业所需以及当今机器人技术的应用领域，分别开设在航空航天学、机械工程学和电气工程与计算机科学中。

（1）课程开设

麻省理工学院提供的机器人课程主要有两类，一类是在整个学期中开设，例如，认知机器人学、机器人学导论；另外一类是在麻省理工学院的独立活动期间（IAP）开设的，IAP是MIT从一月的第一个星期到月底为期4周的特别学习期，例如，自控机器人设计竞赛和机器人编程竞赛。在独立活动期开设的课程没有定期的课堂安排，学生只需要在规定的时间内完成相关的项目就可以了，并且部分课堂教学的参与也是自愿的。灵活的课程安排，学生有了更多的自主活动时间，并且能根据自己的需要选择性的参与课堂学习来补充知识。

（2）课程评价

除了常规考试外，MIT机器人课程的学习都要求有实质性的成果，例如，在“自控机器人设计竞赛课程”中，要想获得学分，学生必须建立网页来展示自己设计的机器人，陈述总体设计与独到之处，完成作业并最终制作一个实体机器人。在“机器人编程竞赛”课程中，要获得6个选修学分，学生必须提交一个Robocraft选手作为自己的“实质性成果”，随后根据该成果做出评价。如果要获得6个工程设计分，团队提交的选手必须打败Robocraft软件发布时自带的参考选手对战。在“机器人学导论”课程中，学生除了完成作业，参加期中、期末两次考试以外，还必须完成相关的实验与设计项目，在学期的不同时间需要搭建两个不同功能的机器人：①采矿机器人，目标是建立一套搜寻算法能够让机器人自动搜寻、而且在找到矿藏后暂停在矿物上方；②圣诞老人机器人，它能沿着一条弯曲的路径通过玄关进入机器人实验室，用它的机械手臂将礼物送到多个房间，以及从每个房间拿取饼干。在“认知机器人学”课程中，学生需要完成两个项目：①选择一个与机器人相关的主题做一份报告；②对认知机器人和嵌入智能系统中涉及的一两个方法深刻认识后在这些方法的基础上改进并创新应用。

2 俄勒冈州立大学的机器人教育[15]

机器人作为学习平台，已经慢慢应用于大学的课程中，俄勒冈州立大学电子工程与计算机科学系，分别在电子设计概念导论、电子基础、数字逻辑设计、信号与系统、计算机原理与汇编语言、机械设计课程中使用TekBots机器人作为学习平台。把TekBots整合进课程中，可以把课堂上学习的理论应用到机器人中，加深对理论的理解。例如在计算机原理与汇编语言这门课程中，让学生使用TekBots调试自己的程序，观察自己写的程序及运用的概念是如何在实际设备中产生作用的。

利用学习平台有以下几个作用：①加强课程连贯性：帮助学生理解各个学科之间的联系，能让学生综合自己所学知识。②提供理解课程的情境：通过学习平台，使概念变的具体，并提供学生以解决复杂问题的情境。③形成学习共同体：有着共同兴趣的学生形成学习共同体。④增加动手经验：能为学生提供动手操作的空间。⑤模拟工程实践：平台提供一个工程实践的模拟环境。

四 美国学校机器人教育的特点

1 机器人教育形式多样

在美国，机器人教育形式丰富，机器人教育在中小学中或作为机器人技术课程，或作为课外活动，或作为机器人主题夏令营等定期活动，或作为辅助性工具。在高校中，机器人教育既可以通过课程来进行，也可以作为学习平台。

2 为学生创设自主发挥空间

大多数机器人课程都是以团队为活动单位，在教师指导下以学生为中心开展活动。学生有较大的自主发挥空间。例如，MIT的“自控机器人设计竞赛”这个课程完全由学生来运作，没有教员来协助。“机器人编程竞赛”也几乎都是由学生操作，学生组成团队，编写机器人程序，参加比赛。学生自主性强，增加了学生的主动参与意识。

3 评价方式多样

机器人课程的评价要注重学生在活动过程中的自我反思，多样化的评价方式有助于全面反映学生在课程中所获得的知识以及知识的灵活运用情况。评价可以根据学生的实验与设计项目的完成情况，也可根据学生的实质性成果来进行。

4 课程具有明显的学科交叉性

由于机器人技术自身的综合性和机器人技术应用领域的广泛性，导致机器人课程跨学科、交叉性的特点十分明显。在中小学的机器人教育中，往往结合进一些其他学科的知识，高校的机器人教育更是作了具体规定，学生往往需要预修过若干先修课程。例如，MIT的“机器人学导论”要求预先学习“动力学建模与控制”课程，课程内容涵盖了平面与空间运动学、动作规划、机械手臂和移动机器人的结构设计、多刚体动力学、3D绘图模拟、控制系统设计、传感技术、无线网络、人机接口、嵌入式系统等。有些机器人课程虽然没有明确指定相应的先修课程，但由于课程本身涉及的知识面广，如果没有一定的基础也是较难完成的，例如，MIT的“自控机器人设计竞赛”课程涉及设计与制造、电子运算结构、电路与电子学、计算机程序的结构与应用等课程；“机器人编程竞赛”课程要求有一定的JAVA编程基础；“认知机器人”课程则需要预先学习过机率系统分析和人工智能技术、人工智能，或自治和决策原则中的任一门课程。

5 涉及机器人技术的最新成果

这个特点在美国高校的机器人教育中表现的十分明显。当今机器人技术在各个领域都发挥着它的作用，例如，美国航空航天局（NASA）的火星探测漫步者就是机器人技术在航空航天领域的一个典型应用。MIT航空航天学中的“认知机器人学”课程，正是通过对NASA的火星探路者、护士机器人、博物馆导游等实际例子的讨论来学习建模与算法，以及研究算法是如何在这些系统中应用。该课程结合当前机器人技术的成果，加深了学生对相关理论和技术的理解。

6 充满趣味的“做中学”

美国机器人课程几乎都有实验课，学生借助各种工具平台制作、组装实体机器人或编写、调试机器人程序，十分强调在做中学。例如，在“机器人编程竞赛”课程的学习中，学生组成团队开发机器人选手程序，在整个开发过程中结合了作战策略与软件设计，并用于参加比赛。“自控机器人设计竞赛”也是个需要动手的“做中学”课程，参与者设计和制作机器人，在月底参加比赛。该课程需要学生设计出一个机器人，能够在比赛场地行驶，识别对手。上述两门课程都是按照图1所示的模式来进行的，两者最大的不同在于，一个是使用非实体机器人，即编写一个机器人选手程序，一个是使用实体机器人，即制作一个实体机器人，从而实现不同知识点的学习。

五 对我国开展机器人教育的几点启示

1 机器人教育的归属问题

在我国，机器人教育正处于起步阶段，由于各个学校的条件限制，机器人教育没有在大范围内开展也没有十分明确的学科归属。小学、初中阶段并未明确将机器人教育列入课程体系，一部分有条件的学校将其列入综合实践活动中，也有学校将其列入校本课程开展教学；高中阶段，根据新的普通高中课程标准，机器人教育是作为技术教育的一部分，普通高中技术课程包括信息技术和通用技术。信息技术是由信息技术基础、算法与程序设计、多媒体技术应用、网络技术应用、数据管理技术和人工智能初步6个模块组成。通用技术是由技术设计1、技术设计2、电子控制技术、建筑及其设计、简易机器人制作、现代农业技术、汽车驾驶与保养、服装及其设计和家政与生活技术九个模块组成。机器人教育直接或间接地包含在技术课程各部分之中[16]；在高校，从我国普通高等学校专业设置来看，并没有独立开设机器人学专业，机器人教育主要还是在其他专业中开展：在智能科学与技术专业中开展机器人教育；在机械设计制造及其自动化专业中开设机器人教育等等。部分高等院校在公共选修课程中开设机器人课程。

机器人教育到底应该归到哪类教育中比较合适且利于发展，这些问题都值得探索。美国的机器人教育没有明确的归位，它既作为技术教育的内容，普及机器人技术知识，也作为科学教育的工具，用于提高学生的科学素养，并利用夏令营、课外活动等深入开展。

在机器人教育的起步阶段，可以不明确定位机器人教育的学科归属。在基础教育领域，各学校根据自己的实际情况开展各种机器人教育，以普及机器人知识为主，以各种机器人活动来推动机器人教育的开展，各个学校可根据地方、学校条件开设校本课程或作为学校的特色项目来开展机器人教育；在高等教育领域，机器人教育的开展应结合社会的需要、各学科的需要、科技发展对人才培养的需要。总之，灵活的课程归属有利于机器人教育的进一步开展。

2 机器人的活动组织形式

美国的机器人活动一般是以项目为单元，并以团队为活动单位，从而可以提高学生项目管理能力、小组协作能力，提高组员的交流能力。这样的活动组织形式有利于充分发挥机器人平台的作用。在机器人教育中，应该考虑学生在活动中的组织形式来达到良好的教育效果。在条件有限的学校，可以通过机器人活动的组织规划来合理利用有限的机器人教育资源。

3 机器人课程的评价

国外有学者曾提出要降低机器人竞赛的“竞赛性”，注重学生在竞赛过程中的自我反思[17]。评价要注重学生的学习过程，关注学生在学习过程中的体验。同时，机器人教育的评价方式不一定要采用常规的考试，可以从多角度进行评价，用作品或成果来评价，可以是一份报告，一个实物，也可以是一个方案。

4 机器人作为素质教育的平台

借鉴美国俄勒冈州立大学的经验，把机器人作为程序设计、电子技术、机械与力学等课程的学习平台；更进一步，借助于通用型、插接式的机器人组件，可以将其作为信息技术环境下学生的创新设计平台。国内在这方面也有一些尝试，例如应用“慧鱼”创意组合在本科教学实验中，构建大规模工程模型，提高学生的设计与创造能力[18]。

5 校-企协作推动机器人教育的健康发展

机器人产商是机器人教育的一个隐性推动者，在美国，部分课程的顺利实施得益于产商的支持，产商提供机器人产品供学校使用，有些颇具实力的产商甚至提供配套的机器人课程。在我国，机器人产商也在各个地区活跃着，积极和学校联系，推动着机器人教育的发展，利用好这股力量，可以为机器人教育提供条件。例如，产商提供产品给高校试用及研究，高校对产品进行分析后设计应用形式，随后与中小学合作开展教学实验，同时，在分析过程中对产商产品反馈意见，提供生产指导，使得产商产品尽量与教育应用需求吻合，这也是一种比较理想的合作方式。

参考文献

[1]张剑平, 王益. 机器人教育: 现状、问题与推进策略[J].中国电化教育, 2006, (12): 65-68.

[2]杨志成. 美国基础教育课程设置的若干特点[EB/OL]. <.cn/gb/jybzt/2002ztwgjy /139.htm, 2007-1-6>

[3]王维臣.为天才学生设置的拓展课程[J]. 外国中小学教育,2003, (2): 29-32 .

[4]兰祖利, 里斯著.《丰富教学模式》[M]. 华华等译.上海:华东师范大学出版社,2000.

[5]美国犹他州K-12教育网站[EB/OL].

[15]俄勒冈州立大学网站[EB/OL].

< http://eecs.oregonstate.edu/ education/tekbots.html,2007-1-6>

[16]中华人民共和国教育部.普通高中技术课程标准(实验)[S]. 北京:人民教育出版社,2003.

[17]Petre M, Price B. Using Robotics to Motivate‘Back Door’ Learning [J]. Education and Information Technologies, 2004, 9(2): 147-158 .

[18]蔡理, 郭鲁家.“慧鱼”模型在本科教学中的多层次应用[J]. 实验室研究与探索, 2004, (7): 81-83.

推荐访问:美国 机器人 启示 教育