| 标题 | 针对工科类大学生的教育机器人教学实践探究 |
| 范文 | 李映 孙令真 刘杰 摘 要： 本文介绍了教育机器人并讲解了应用教育机器人教学的意义。结合工科类大学生教学主流模式及其发展方向，分析教育机器人的结构组成及特点，提出了八点相应的改革措施。最后对未来教育机器人进行展望。 关键词： 教育机器人;创新能力;STEM 中图分类号：G40-057? 文献标识码：A 1 绪论 2018年8月15日，刘鹤副总理在2018世界机器人大会上的讲话强调：“机器人是当前科技变革的最重要领域之一，最领先的国家、最活跃的投资者和最富有想象力的人们都大显身手，这将对人类社会的生产模式和生活方式产生深刻影响。”[1]一个国家的竞争，很大程度上体现在人才的竞争;当代社会的发展，对具有创造性解决现实问题能力的、能满足社会需要的人才迫在眉睫。当前，机器人在教育领域的应用和发展发挥着无可比拟的作用。 根据应用领域的不同，机器人可分为工业机器人和服务机器人，其中教育机器人属于面向教育领域的专业服务机器人。教育机器人是一个典型的机电一体化产品，它融合了教育学、数学、物理、机械、电力电子、传感器、计算机软件、硬件和人工智能等众多领域的科学与技术知识，具有突出的多学科交叉融合的特性和科学探究性特点。[2]为培养具有创造力，解决现实问题的能力，具有STEM素养（STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineer）、和数学（Math）四门学科英文首字母的组合）的人才，提供一个良好的平台。 2 国内外教育机器人研究现状 目前，在英、美、日等发达国家，教育机器人已经得到广泛的应用。在学校，上至高等院校，下至中小学、幼儿园，教育机器人除了被用作竞赛这类课外活动，还引进课堂，作为教具辅助课堂教学。Pleo、Lego等品牌的智能教育机器人，是孩童的好同伴，寓教于乐地引导学生学习语言、生活、社交、科学等知识;网龙华渔的未来教师以课堂机器人助教的身份，协助教师完成课堂辅助性和重复性的工作;日本东京理科大学Saya教师，能根据不同的教学情境，独立完成一门课程的教学，并达到良好的教学效果。在家里，Jibo、Pepper、Buddy实体化为家庭智能助理，解决家庭生活的各项问题以及提供相关服务，并可以个性化的作为学习服务的助理;Zora Bot是老人的专业陪护伴侣，具有娱乐、脑力训练、复健教学等功能。工业上，Baxter能培训企业内专业人员，如工业制造的培训能满足生产线的需求。公共服务上，Robotronics传递安全教育知识。 国内教育机器人的开展已有近十几年的时间，但极少用在日常课堂教学中。针对工科类大学生的机器人教学发展起步较晚、发展滞后，因此在髙校尤其是高校工科学院开展机器人教育是一个亟待解决的问题。2016年教育部出台的《教育信息化“十三五”规划》中明确指出要有效地推进STEM教育。[3]针对工科类大学生开展教育机器人教学实践活动，将有助于培养学生成为具有STEM素养的人才。学生可以多维度地了解熟悉机器人、控制技术和人工智能等工程概念，系统地综合地应用机械、电子、传感器和信息等工程科学技术，还能培养创新实践能力、设计能力及团队合作能力。 3 教育机器人的组成及特点 教育机器人主要包括执行机构、驱动-传动装置、检测与监控系统和控制系统四部分组成。执行机构是完成工作任务的实体，通常由杆件和关节组成。驱动-传动装置与机器人执行机构连成机械本体，为机械本体运动提供能量。检测与监控系统通过各种检测器、传感器，检测机械本体的运动状况，根据需要反馈给控制系统。控制系统相当于人的大脑，对驱动-传动装置进行控制，使执行机构按照要求进行工作。控制系统一般由控制计算机和伺服控制器组成。控制计算机发出指令，协调各关节的运动，同时还要完成编程、示教-再现以及各设备间的信息传递和协调工作。[4]教育机器人分为可编程与不可编程机器人，其中可编程又分为示教再现编程和离线编程。 教育机器人主要应用在教育领域，具有跨多学科、多领域研究的特点，是为培养综合性，能对现实问题进行分析、解决的人才而专门研发的。一般具有教学适用性、易教益学、良好的性价比、可扩展性和开放性等特点。模块化教育机器人还可以根据实际需要方便的增、减功能模块，学生还可以进行自主创新。[5]教育机器人未来的发展方向是如同真人一样，能与人交流互动、能学习思考和灵活动作。语音识别技术、人工智能和仿生技术是未来发展教育机器人的关键技术。 4 工科类大学生教学现状与应对措施 工科类大学生是适应时代的发展，满足社会的需求的人才，是综合性的、宽口径的复合型人才。工科类大学生应该能系统地综合地应用所学专业科学知识和技能来解决问题。工科类大学生所学课程是跨众多领域的，如机械工程、电力电子技术、软件工程和信息技术。这些学科要求学生能将理论知识应用于实践过程当中，培养的人才是技能型人才，通常学生需要通过实际训练等方式来巩固所学知识，提高学生的专业技能水平和团队协作能力。 然而，工科类大学的教学方式更多是以老师课堂讲解为主，而很多技术知识是比较抽象的，没有相应的模型学生难以理解和掌握。将教育机器人作为模型教具引进课堂，教师现场演示讲解机械原理、机械设计、与传感器检测与控制等专业基础知识，学生会更好的理解和熟悉掌握工科类基础知识。[6]机器人教具组装套装，激发学生对机械、电力、信息技术等相关专业课程的学习兴趣和动力，如：机械原理、机械设计、机械传动、自动控制原理、传感器与检测装置等工科类课程，不仅让学生系统的理解所学知识，还可以培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。提高学生的动手能力和创新意识。机器人的控制，为大学生提供一个集成的編程平台，更好的学习程序语言设计、面向对象程序语言编程等课程。 针对工科类大学生教育机器人教学实践活动可以采用以下措施： （1）构建完善的教学研体系，应该研发出标准化体系化的教学模式，打磨出优质的教育机器人产品。 （2）线上线下课程结合，线下互动学习，激发兴趣，培养创新思维;线上练习，强化训练，提升逻辑思维。除了将教育机器人引进线下课堂，以其作为教具，系统讲解机器人技术的基础知识以及发展历程、软硬件组成、不同领域的应用、未来的发展趋势和展望等，让学生更加直观的了解机器人的重要组成部分，掌握机械、传感器、控制等相关知识。同样要将线上课程垂直化，重點在直播课、录播课垂直内容的打磨，以趣味性、吸引力和互动性扭转用户习惯，优化线上体验。 （3）具有整套打包解决方案，教育机器人教学实践的需求不仅仅是教育机器人系统平台和课件，还应该在师资培养、师资教学等方面有一整套的打包解决方案。 （4）让学生初步了解机器人技术的内涵，由“浅到深”、“点到面”、“少数带动多数”地去探究机器人的奥秘及其具有前瞻性的关键技术。可以举行不同主题的系列讲座、开设相关的选修课程。 （5）根据相关专业课程特点，增加课程设计、毕业设计等教学环节，让学生在做项目中学习。 （6）组织大学生、专业科研人员以及机器人爱好者参加各类科技创新活动和机器人比赛。在研制中学习并提高。 （7）搭建教育机器人创新教学平台： 通过基于创新教学平台，对教育机器人零部件进行装配、调试来熟练掌握机械系统的设计与制作。模块化教育机器人由不同的套件组合而成，不同模块可以方便地、自由地、创意地组合。学生可以发挥想象力和创新精神，对教育机器人进行结构设计; 通过基于创新教学平台，学生可以通过单片机或者嵌入式等形式进行电路控制系统设计，巩固学生控制方面的知识，提高学生的动手能力和创新思维能力; 通过基于创新教学平台，学生可以通过图形化编程语言或者程序语言进行控制系统设计，巩固学生软件方面知识，培养学生的算法与程序设计能力。提高学生逻辑思维能力。 另外，可以通过传感器技术、以及可拓展模块，来改善机器人功能，提高学生的创新实践能力。 （8）开发教育机器人虚拟平台，通过计算机图形技术，在计算机上构建教育机器人系统的物理模型，并可以对其进行编程和、仿真、校验和优化等操作。学生可以不占用现实的教育机器人学习。 5 总结与展望 针对工科类大学生，培养有知识、有能力、有素养的创新型、实践型人才，是时代发展的需求，是教育改革的方向。教育机器人活动知识覆盖面广、能力锻炼多样、情感体验丰富，应用教育机器人教学将适合新时期的要求，必将为我国的素质教育做出应有的贡献。教育机器人的前途是光明的。目前，教育机器人得到越来越多的人的关注，尽管市场上出现了不少产品，但还只是拉开了教育机器人大发展的序幕，依然还有很大的发展空间。 参考文献： [1]刘鹤：推动全球机器人领域开放合作发展，更好造福人类社会[OL]. [2]高海涛，韩亚丽，郝飞，朱松青;应用教育机器人培养大学生创新实践能力的探索与实践[J].科教文汇（上旬刊），2013-03-10. [3]教育部关于印发《教育信息化“十三五”规划》的通知[J].苏州教育信息化，2016（03）：7-11+18. [4]韩鸿鸾，工业机器人与数控加工的集成[J].金属加工（冷加工），2016-02-15. [5]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. [6]王玉珏.我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究[D].兰州大学，2013. |
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