1、机器人在教育领域应用的探索与实践机器人在教育领域应用的探索与实践摘 要关键词：机器人，教育，DIY1教育机器人及其研发与应用现状1.1 教育机器人简介通俗地讲，教育机器人就是服务于教育的机器人。开发教育机器人是推动机器人在教育领域应用的重要基础和保障。从结构上看，教育机器人大体上可分为成品、散件和套装三种类型。机器人成品是指固定结构的机器人产品，一般不支持用户自行拆装，经常用于演示或者编程实验等。典型产品如仿人机器人NAO，结构非常复杂，具有25个自由度、100多个传感器，非专业人员不可以拆装机器人本体，大量研究工作集中在机器人软件开发上，产品使用门槛比较高，适用人群数量较少。机器人散件产品是
2、指支持多种不同类型机器人重构的产品，这种产品零配件较多，机器人组成形式多样，入门容易，但用户需要长期接受专门培训才能完成复杂结构的机器人设计。典型产品如乐高，幼儿就可以参与简单的拼装，但多数人只能停留在简单机械搭建的水平上，很多资源都没有真正得到开发和应用。机器人套装是指可拼装成特定机器人的产品，其结构复杂性相对较低，使用门槛不高，适合人群较为广泛。典型产品如MINIROBOT，这是具有17个自由度的仿人机器人产品，包括17个舵机、控制器和外壳、支架等，用户可从组装机器人开始学习其结构，通过编程了解其原理，组装的成品也可以实现教学演示和机器人功能展示等。图1不同类型的国外教育机器人产品1.2
3、教育机器人市场教育机器人市场前景广阔。从应用模式上看，教育机器人可以作为教学资源出现在课堂上，可以作为竞赛资源出现在赛场上，可以作为提升大众科学素养的展品出现在科技馆里，也可以作为机器人演员出现在舞台上。目前，教育机器人主要应用领域有四个：教育机器人走进校园，从资源建设开始探索新的教育模式和课程体系；教育机器人走进培训机构，探索激发学习者兴趣的机制和目标；教育机器人走进科普场所，探索展品的互动性和活动的开放性设计方法；教育机器人走进家庭，探索机器人产品的普适性设计方法。可以预见，在不久的将来，教育机器人用户群会远远超过工业机器人。在欧美国家有大量的机器人发烧友，曾经一款微型仿人机器人“索宝”在
4、欧美等发达国家销售了10万台，主要用户群就是机器人发烧友。他们热衷于新型机器人功能体验，并在原有的机器人资源上开发自己创意的表演功能等。我国澳门特区对教育机器人走进学校非常重视，在全部60余所大、中、小学中，有一半以上设立了机器人兴趣小组，学生们自主设计开发了多种仿人机器人、轮式机器人和履带式机器人，并且在国内外各种比赛中获得了很多奖项。他们利用3D打印、CNC加工、激光雕刻、模型翻制等多种不同方法实现机器人结构创意，充分展现了学生的创新创意能力。我国内地由于应试教育压力很大，参与机器人素质教育的学生占比相对较小，但随着素质教育越来越受重视，教育机器人需求必将迅速提升。图2机器人应用模式1.3
5、 我国教育机器人研发与应用现状我国机器人教育起步于20世纪末，主要从培养低龄儿童的动手动脑兴趣入手，代表性资源为乐高产品。同一时期，机器人竞赛开始走入高等学校，竞赛发起单位多以国外机器人研究机构为主，最早出现的是ROBOCUP和FIRA两种足球机器人比赛，促进了机器人研究在高校的开展，但早期中小学机器人教育几乎是空白。随着通用技术课程的设置，中小学生才开始接触机器人。当时，我国教育机器人产品主要以国外引进为主，自主研发的产品很少，批量化的教育机器人产品更是无从谈起。近年来，国内开始出现自主研发的教育机器人产品，而且随着技术进步，种类迅速增多，产品不断成熟，但不论是在产品开发还是在教学应用等方面
6、，国内都有一个明显不足，就是缺乏自主创新，很多都是模仿国外机器人产品的结构、功能和使用方式，例如套装式机器人大多类似于乐高，仿人机器人大多与NAO和MINIROBOT类似。图3国产教育机器人资源2以DIY理念推动教育机器人研发与应用推动机器人在教育领域应用是一项创新性工程。教育机器人的研发与应用，同样需要有创新的理念来引领，DIY就是一种很好的模式。2.1 DIY使机器人教育轻松快乐DIY（Do It Yourself）是一种具有开放性的教学模式，也是一种主动学习模式，让学习者自己动手做起来，在做中学。很多机器人教学都是从DIY开始的。通过这种模式的教学，学习者很快能够看到成果而对学习产生兴趣
7、，并且对后续的进一步学习怀有期待。在DIY教学过程中，学生拿在手里的资源往往都是零件，在一定指导下，通过自己动手完成整体构造，这个过程可以看作是“集零成整”的过程。如果把这种模式贯穿到机器人教育全过程，将极大地调动学生主动学习的积极性，老师也会变得轻松，学习的过程将会乐趣横生。面向DIY教学过程，设计者需要做好“化整为零”的工作，即提供具有可重组功能的“零配件”，这种零配件不仅限于机械和电子，也包括软件。将DIY模式引入创意和活动之中，更是一种创新性的探索和尝试。2.2 DIY将教育内容“化整为零”以DIY模式开展机器人教育，可以充分展示教育机器人的魅力，激发学习者的热情。在开发机器人课程时，
8、需要考虑将教育内容“化整为零”，这对于降低介入门槛、启发个性化思维、培养团队意识，都具有重要意义。图4方方机器人东北大学赵姝颖教授团队自主研发的 “方方机器人”，是一款立方体结构的仿人轮式机器人，造型新颖、独特。作为机器人教学资源，为使学习者尽快了解它的结构和原理，团队打破常规的教学模式，针对机器人本体结构、机电一体化、控制软件、多机器人系统等教学环节，将学习内容“化整为零”，由浅入深，逐步让学习者产生兴趣。本文仅以机器人本体结构学习内容“化整为零”过程为例进行阐述，其他有关方方机器人教育内容设计的详细内容他文另述。团队提供一个与方方结构组成一致的机器人模型“小方方”，它是由14种零配件组成的
9、机器人模型套装，将方方机器人的本体结构模拟分解成14个独立部分，用于实施对方方机器人本体结构组成原理的教学，实现“化整为零”。在DIY教学过程中，学习者可以按照装配图纸，将这些零配件“集零成整”，组装成完整结构的机器人模型，达到了解熟悉机器人本体结构的目的。图5 “化整为零”与“集零成整”在应用方方机器人实现机器人教学过程中，还有很多“化整为零”与“集零成整”的过程。利用多个“小方方”做各种各样的多机器人协同姿态模拟，使学习者在熟悉方方机器人本体结构的同时，也可以对机器人控制和多机器人系统设计等内容有所了解，并且通过自主创意的过程充分调动学习者的主观能动性。图6机器人竞赛DIY机器人竞赛的几种
10、DIY创意如图6所示。通过这些创意，启发学习者充分利用方方机器人资源开发出更多新的互动学习项目，使更多人体会到DIY学习的乐趣。2.3 DIY使机器人教育具有“后开发”优势将DIY模式引入机器人教育的创意过程，就是在每个不同教学阶段给学习者留出创意空间，这样不仅可以开阔学习思路，而且能够进一步丰富教学内容，实现教学相长，使教学过程变得轻松有趣。我们把这种依赖学习者创意开发出新的教学内容的过程叫做“后开发”。例如，利用“小方方”模型进行创意设计，可以用一个或多个“小方方”，通过不同的造型、姿态和组合形式，打开无限的创意空间，达到千变万化的效果。这个过程可以在几分钟内完成，比如做一个机器人姿态摆拍
11、，留下学习成果纪念；也可以是较长的过程，比如设计一个大型活动，大家一起动手做起来，既可以磨练团队合作精神，也可以培养良好的意志品质。图7机器人模型姿态摆拍通过DIY模式的学习，很多机器人爱好者都可以对机器人进行“后开发”，不断丰富学习内容，提升机器人教育的吸引力和生命力，使之成为大众创新的有效载体。3机器人在教育领域的应用实践我国教育机器人开发应用虽然起步较晚，但赵姝颖教授团队在该领域的探索和实践已经进行了十几年，团队创建的机器人科普基地被命名为“全国科普教育基地”。近年来，团队在“科技与艺术融合”理念的引领下，不断创新科普教育形式，通过“人机同台”等互动方式充分展示了科技的艺术之美和艺术的科
12、技之美，极大地提升了科技传播的吸引力。图8大众互动的机器人秀图9科普教育机器人赵教授的团队基于人工智能与机器人技术开发了60余项科普展品，在北京、辽宁、澳门、新疆等多地公开展示，受到了广泛好评。其中，我国第一套“1V4下棋机器人”，使观众在与机器人的对弈中真实地体验了机器人技术的魅力；动感过山车系统，让观众亲身体验了自己参与设计的动感过山车，彻底颠覆了过山车的传统玩法；机器人自动展演系统，充分展示了机器人控制、协作、互动等功能，自主研发的方方机器人在其中尤其引人注目。2015年7月，该团队应邀为澳门夏令营团开展了为期两天的机器人培训。在培训过程中，团队采用DIY模式，精心设计了机器人集体舞编制
13、任务，将学生分成若干小组，通过成果展示、分享创作心得等形式激发学生的创新创意能力，收到了良好效果，得到了澳门方面的充分肯定。2015年11月，受科技部邀请，该团队为全国科普领域专业人员作了“科艺融合的机器人大众互动科普活动”专题报告。通过机器人教育理念、互动式教学模式设计、现场体验和创意设计等多个环节的交流和互动教学，营造了一个教育机器人创新应用探索与实践的体验现场，受到与会代表的广泛好评。图10互动教学过程与现场创意展示目前，我国教育机器人的研发与应用和机器人教育模式的探索还处于起步阶段，机器人资源十分有限，机器人教育模式还相对简单、缺乏创新。随着素质教育的深入落实，教育机器人作为教育活动的重要载体，将会成为人们终身学习的“智能伙伴”，无时不在、无处不在，因而具有光明的前途。机器人在教育领域的应用正在展现出越来越广阔的前景，无论是机器人技术发达的美国还是人口众多的中国内地，对此都进行了很多探索和实践。机器人在教育领域的应用面临很多复杂问题，教育机器人的资源需要不断开发，应用模式需要持续创新，应用领域需要积极拓宽，本文将结合作者多年来的探索与实践，对机器人在教育领域的应用进行阐述。
