基于教育機器人平臺的“機器人教育+競賽”教學模式研究

李舒媛 張雪峰

摘要：當前，中學生機器人教育仍然停留在組織“競賽”層面，真正意義上的機器人教育在普通高中學校還未能得到落實。在現有教育狀況下，積極探索適合普通高中實施機器人教育的教學模式，提出“機器人教育+競賽”教學模式，通過將機器人教育與機器人競賽相結合，構建兩者相互融合、相互促進、相互保障的機器人教育課程，拓展機器人教育教學實踐，推動普通高中機器人教育的可持續發展。

關鍵詞：教育機器人;機器人教育;教學模式;機器人競賽

一、研究背景

（一）普通高中機器人教育現狀

現階段，我國普通高中沒有系統的機器人教育課程，只有在《普通高中通用技術》中設置了“簡易機器人制作”模塊，不論是知識內容還是編程方式都相對比較簡單，無法讓學生得到系統化的知識積累和能力提升。其次，各學校機器人教育資源短缺，主要表現在：其一，機器人教育教師隊伍緊缺。幾乎沒有專業的機器人教育教師，一般都是由物理、信息技術教師兼職擔任教學，仍然受專業知識的限制，教學水平與能力都無法滿足教學需求。其二，機器人教育器材配置不足。一方面現有機器人教育器材普遍昂貴，要配齊所需教學器材大多數學校資金不足，這也是造成當前校外培訓機構多、學校教學少的根本原因;另一方面各品牌開源硬、軟件之間兼容性差，限制器材的適用范圍和效率，且增加了教學的難度和復雜性。再次，有許多學校組織學生參加各類機器人比賽，這在一定范圍內開展了機器人教育，但也只能是對機器人教育教學的補充。

（二）教育機器人平臺的作用。

所謂教育機器人，是指能夠為學校機器人教育提供服務的硬、軟件組件系統。教育機器人平臺就是開發和生產機器人硬、軟件組件的單位，如未來伙伴機器人有限公司、樂高公司等，這些教育機器人平臺不但為學校機器人教學提供資源，而且通過組織全國性的機器人競賽來推廣機器人教育，如Abilix教育機器人承辦的“WER全國青少年教育機器人大賽”; LEGO教育機器人承辦的全國青少年機器人大賽等，這些比賽通常都會提供教師和學生的學習和技能培訓、練習等，實質是在一定范圍內開展了機器人教學，舉辦競賽的過程也為學生搭建了相互交流和學習的平臺，為推動學校機器人教育產生了積極的作用。

（三）機器人競賽對中學生機器人教育的影響

相較于學校機器人教學，機器人競賽受到的關注度卻相對較高，很多學校有組織學生參加各類機器人競賽活動，但競賽畢竟不能等同于教學。一方面參與學生人數有限，達不到普及性教育的目標;另一方面是比賽項目中學生所學到的知識僅限于比賽規則所確定的內容，因此學生掌握的機器人知識與技能具有局限性。即便如此，機器人競賽給中學生機器人教育帶來的影響還是不可忽視的。其一，機器人競賽項目中，各個任務模塊的搭建、任務機器人的設計與制作、任務編程等，都涉及機器人教育的內容，其實就如同機器人教學中的“項目型”實踐教學，但任務多、難度大、綜合程度高。其二，機器人競賽的器材為學校機器人教學提供了條件。由于機器人競賽規則變化比較快，器材更新周期短，因此，競賽完成后會有大量的競賽器材被淘汰并閑置，將這些器材應用于機器人教學是一種不錯的選擇。其三，機器人競賽可以激發學生機器人學習興趣，可以吸引更多的學生參與機器人知識與技能的學習，這也是機器人競賽的核心目標，同時對推動機器人教育有著十分重要的意義。

二、機器人教育與機器人競賽的整合

將“機器人教育”與“機器人競賽”進行科學、合理的整合是構建“機器人教育+競賽”教學模式的關鍵。從現實狀況來看，現階段普通高中實施機器人教育的方式主要有通用技術課與機器人競賽，要將這兩種方式整合成為實施機器人教育的常態化教學模式，主要應從以下幾個方面

（一）將機器人競賽規則開發成為機器人教學內容

每一項機器人競賽規則都是由若干個任務單元組成，而每一個任務單元都有一個任務模塊，并規定一個機器人操作、控制任務功能。在教學時，可以將機器人競賽中的某一項任務開發成為一個機器人教學內容，通過任務模塊制作，設計搭建任務機器人，讓學生掌握機器人的基本構成，以及完成任務機械爪的設計、制作等知識，然后通過編程控制機器人的活動，完成競賽規則中設定的任務，即完成教學任務。比如，在教學“利用攝像頭進行圖像識別”內容時，將第二十屆青少年機器人創新挑戰賽項目中的“無人超市購物任務”作為學習任務：第一步，制作任務模塊。學生根據任務模型，利用積木件組裝任務模塊，如圖1所示。第二步，設計制作機器人。根據完成任務需要，利用競賽器材設計制作完成機器人。第三步，根據完成任務要求，設計制作便于完成任務要求的機械爪，并安裝在制作完成的機器人上，如圖2所示。第四步，編制程序。根據完成任務的操作過程需要編寫程序，調試機器人完成規定任務。

（二）整合機器人競賽器材滿足機器人教學器材需求

普通教育機器人結構基本是由電源模塊、傳感器模塊、控制模塊和驅動模塊等四個部分構成，各個模塊需要若干元件進行組裝或單獨構成。就拿傳感器模塊來看，可能需要多種類型的傳感器，如超聲波傳感器、顏色傳感器、熱電阻溫度傳感器、速度傳感器、濕度傳感器、力敏傳感器等等，在一個競賽項目或一屆競賽項目器材中配置的傳感器不可能滿足教學需要，因此，通過整合和積累多次競賽、多個項目的器材，就能夠逐步滿足機器人教學所需的器材。另外，對于不同品牌的器材之間可能存在不能相互兼容和匹配的情況，一方面，要根據不同的教學需要對器材進行分類或分組，形成組合式教學套件。另一方面，要對器材進行必要的改裝，使得兩種器材之間能夠實現相互融通與匹配，更為方便地應用于實際教學之中。比如，不同競賽項目所使用的主機往往是不同的，教師可以通過改裝或使用開源擴展板的方法達到教學的需要，拓展機器人競賽主機在機器人教學中的應用場景。

（三）將機器人教學實踐融入機器人競賽項目練習中

機器人教學是一種集知識性、實踐性、創新性于一體的綜合性教育教學活動。因此，機器人教學實踐是機器人教學的重要環節，而機器人競賽項目必須通過不斷的實操訓練和創新優化，才能取得好的成績?；诖?，我們可以把機器人教學與機器人競賽項目訓練進行整合，將機器人教學實踐融入機器人競賽項目練習中，取得教學與競賽雙豐收的效果。例如，在教學“機器人的抓取功能實現”內容時，選擇“第十八屆中國青少年機器人競賽 VEX 機器人工程挑戰賽項目”實施教學，首先讓學生根據競賽項目要求制作機械爪，學習機械轉動系統知識，然后通過編程控制機器人，利用競賽項目模塊實現：將錐筒抓起并放置到固定樁上。通過這樣的教學實踐，不但很好地完成了機器人教學任務，而且進行了機器人競賽項目練習，同時激發了參與機器人競賽的興趣，提升了學生機器人制作的能力。

三、“機器人教育+競賽”教學模式構建

中學生機器人教育教學活動主要涉及教學內容、教學實踐、教學器材等方面。如何將機器人教育與機器人競賽整合成為“機器人教育+競賽”教學模式，就要從教學內容、教學實踐、教學器材等方面進行融合、聯通、優化，形成共同、共育、共享的機器人教育教學共同體。為此，我們研究構建如下“機器人教育+競賽”教學模式結構，如圖3所示：

以上“機器人教育+競賽”教學模式設計，主要實現三個方面的整合優化：其一，機器人教學器材與機器人競賽器材整合，為機器人教學提供物質保障;其二，機器人教學內容與機器人競賽項目內容整合，為機器人教學目標實現提供優質教學資源;其三，機器人教學實踐與機器人競賽訓練整合，為機器人教學創造良好的教學環境。通過三個方面的整合優化，實現機器人教學有教學內容、有教學條件、有教學手段、有教學環境，從而建立機器人教育生態，確保中學生機器人教育的可持續發展。

總之，在當前技術環境下，將機器人教育與機器人競賽相結合，充分發揮各自的教學功能和教育優勢，建立“機器人教育+競賽”教學模式，是構建中學生機器人教育生態的主要途徑。當然，這一教學模式還處于充實與完善階段，要讓其發揮出更為有效的教學作用，還需要一線教師在教學實踐中進行深入研究與探索，期待有更為豐富、更有價值的研究成果的不斷涌現。

參考文獻：

[1]許麗.基于創客教育的初中機器人教學模式研究[J].教書育人：校長參考，2019（8）：1.

注：本文系定西市教育科學“十三五”規劃2020年度立項課題《基于教育機器人平臺的中學機器人教育模式實踐研究》成果（立項號：DX[2020]GHB337）。