国外高校机器人教育的现状分析

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：美国高校的机器人教育主要呈现出两个趋势：一方面，美国高校越来越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。主要特点有以下几方面：机器人教育形式多样。高校的机器人教育更是做了具体规定，学生往往需要预修过若干先修课程。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得十分明显，当今机器人技术在各个领域都发挥着它的作用。

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，它主要是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。

美国高校的机器人教育主要呈现出两个趋势：一方面，美国高校越来越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。主要特点有以下几方面：

（1）机器人教育形式多样。在美国高校中，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（麻省理工学院）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。高校的机器人教育更是做了具体规定，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概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得十分明显，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的。该课程结合当前机器人技术成果，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。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。

1.麻省理工学院的机器人教育

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年麻省理工学院（MIT）就设立了“设计和建造LEGO机器人”课程，目的是提高工程设计专业学生的设计和创造能力，尝试机器人教育与理科实验的整合；同时，国外的一些智能机器人实验室也有相应的机器人教育研究的内容。

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，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，还能根据自己的需要选择性地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。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

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，使概念变得具体，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。

日本的机器人教育水平和机器人文化普及水平是世界上最高的国家之一，不仅每所大学都有高水平的机器人研究会，而且每年定期举行机器人设计和制作大赛。大赛得到日本政府、企业界和教育主管部门的重视与支持。不仅加速了日本机器人文化的普及，而且调动了社会各方面的力量，开发了大量的机器人产品，增强了社会应用机器人技术的积极性。同时，为日本的创新教育提供了好教材、好课题，并培养了大批创新人才和机器人研究与应用人才。机器人技术的应用，促进了日本工业的发展，提高了社会劳动生产率和产品质量，为日本带来了巨大的经济效益和社会效益。

韩国充分认识到机器人教育的重要性，也加大投入开展机器人教育方面的研究。同时，新加坡、中国台湾、中国香港等国家和地区，也在机器人教育方面取得了长足的发展。新加坡国立教育学院（NIE）和乐高教育部于2006年6月在新加坡举办了第一届亚太ROBO-LAB国际教育研讨会，通过专题报告、论文交流和动手制作等方式，就机器人教育及其在科技、数学课程里的应用进行交流，以提高教师们开展机器人教育的科技水平与应用能力。

在美、日、德、法、韩等国，机器人产业的开发正在受到重视，一般采取所谓“官产学”形式。“官”即政府制定政策及倾斜支持，调整产业结构。据情报显示，日本政府正在调整全国的产业制造结构，名古屋中部地区的未来产业为新型汽车工业，以大阪为中心的关西地方将以机器人产业为主，东京地区以资讯情报化为中心，等等；“产”即产业界自我分类的研究与开发，并将之变成产品，取得经济效益；“学”即学校设置专门的课程（学科），教材既有大学教授编写的，也有产业研究所编写的。许多公司改变既有行业，转而生产为此服务的产品，专门出售关于机器人制作的教科书、教材及装配零件、专门杂志等。虽然，断言这一切将导致一场IT（信息技术）业革命还为时过早，但可以预计的是，未来20年，机器人产业将成为新产业的一个领先潮流，介入到综合国力竞争、现代化高科技战争以及青少年教育之中。

国外高校机器人教育的现状分析

相关推荐