王同聚：智能機器人為創客教育開啟創新之門

創客教育重在實踐，貴在分享，「中國教育信息化在線」每周四開設「創客專欄」，主要分享推廣教育創客們的實踐經驗，與大家一起見證創客教育的更大發展。

歡迎踴躍投稿，優秀案例將有機會發表在《中國教育信息化》雜誌上。

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引言

15年11月23-25日，2015年世界機器大會在北京會議中心召開，國家主席習近平、國務院總理李克強、副主席李源潮、副總理劉延東分別以賀信、批示、出席開幕式和親臨現場視察等形式對大會在北京會議中心召開表示高度關注。

多位國家領導人同時關注機器人產業的發展，由此看來機器人的春天已來到，未來30年機器人發展的前景非常廣闊。

5-10年內，世界將進入智能時代，具有人工智慧性質的機器人會像水和電一樣在我們的日常生活中占據一席之地。

不久前AlphaGo在圍棋比賽中戰勝李世石九段，由此認為AI技術再一次取得了新的進步。

科大訊飛以及日本、美國的企業都正在集中力量研發上大學的機器人，在不久的將來，就會有成功升入清華大學等國際一流學府的智能機器人誕生。

1984年鄧小平同志曾說過「計算機教育要從娃娃抓起」，現在我國已湧現出一大批優秀的計算機人才;同樣，我國要想培養一大批懂得機器人技術的高科技人才，那麼我國的機器人教育也應從娃娃抓起。

所以，在中小學普及智能機器人創客教育具有重要的戰略意義。

開展機器人教育的困難

一是無所適從——載體選擇艱難。

開展機器人教育的載體很多，用何種類型的機器人?空中機器人(無人機)、陸地機器人、水下機器人;再者，目前教育機器人的品牌也很多，且沒有統一的標準，軟硬體都互不兼容，但所涉及內容太多，讓剛入道的教師覺得眼花繚亂，不知從哪裡下手。

二是缺少設備——巧婦難為無米之炊。

有些學校的教師熱情高漲，對機器人教育具有強烈的興趣，希望借創客教育和STEAM教育的春風，從機器人教育入手開展創客教育和STEAM教育，但上級教育主管部門或校長不支持，因為缺少資金，不能購買機器人設備也無法開展。

三是缺少教材——目前市面上的機器人教材極少，僅有的幾本大部分類似廠家說明書。

以機器人教材為例，目前市面上適合中小學使用的教材很少，大多數是以機器人廠家說明書的形式呈現;再者目前國內各種品牌的機器人無統一標準，針對某一品牌機器人開發的教材不能通用。

四是缺少師資——大學未設機器人專業。

目前的教師都沒有正規地接受機器人學科知識的學習，所涉及的內容都是跨學科知識，對教師的綜合素質要求較高，大部分從事機器人教學的教師都是出於興趣愛好，邊自學邊教學生學習機器人知識，因此機器人資師奇缺。

五是教法陳舊——新瓶裝舊酒。

機器人教育所涉及很多內容都是新技術、新知識、新領域，如果仍然套用傳統的教學模式顯然已不適應，必須探索與新技術相配套的新型教學模式和學習方式。

如何讓機器人進校園

在中小學推進機器人教育需要分層次、多渠道、立體化、分步驟實施，「智創空間」針對不同的對象分別採用不同的策略來推進，具體做法是：①面向教師開設繼續教育課程;②面向學生開展體驗活動課程;③面向家長開設親子互動課程;④面向學校組建創客教育協作聯盟;⑤面向社會開放科普基地。

具體到各學校，開展機器人創客教育具體做法主要包括：以興趣小組為起點、以校本課程為基石、以競賽活動為導向、以課題研究為抓手、以課程開發為引擎、以進入課堂為目標。

在中小學開展智能機器人教育，首先要讓學校領導、教師、學生和家長認識到，通過玩中做、做中學、學中做、做中創，有助於培養學生綜合能力，如圖1如示。

圖1 通過做中學對學習綜合能力的培養

1.開展智能機器人創客教育有助於培養學生合作學習的能力。

2.開展智能機器人創客教育有助於培養學生的科學素質和動手實踐能力。

在製作機器人的過程學會了多種工具的使用培養了學生的動手實踐能力和科學素質。

3.開展智能機器人創客教育有助於培養學生的創新精神。

智能機器人融合了機械製造、電子技術、傳感器、無線通信、聲音識別、圖像處理和人工智慧等領域的先進技術，代表著現代高新技術發展的前沿。

學校開展機器人創客教育，有助於培養學生的動手實踐能力、科學探究能力和創新思維能力，對提高學生的創新設計能力具有較大的促進作用。

圖2 學生通過動手實踐製作形態各異的機器人

如何具體開展機器人教育

筆者結合「智創空間」開展機器人教育活動的實踐，將3D列印技術應用和Scratch與機器人融合，對如何培養師生創客的創新設計能力進行了實驗研究。

最近對虛擬/增強現實技術應用於機器人教學進行探索，以期為中小學開展機器人創客教育提供參考。

1.3D列印與機器人教育

3D列印技術在中小學教學中的應用，為學科與技術的整合在學科教學的應用提供可借鑑的方法與途徑，目前我國一些中小學校在機器人教學中，已經用3D列印技術列印出了各種教學模型來輔助教學。

「智創空間」購買了10台3D印表機和2台3D掃描儀設備，通過開設3D列印技術設計課程，將設備應用於機器人模型的設計，讓學生結合書本理論知識，主動參與創新設計，發揮想像力和創造力，把頭腦中想像的東西通過3D列印變成現實。

例如廣州市中小學電腦機器人競賽活動中設置了「智能機器人垃圾分類」項目，要求參賽的機器人配件必須用3D印表機製作完成，目的是將3D列印技術應用到智能垃圾分類機器人的製作中，充分發揮學生的想像力和創造力。

把3D列印引入到機器人的設計製作中，踐行了創客教育的核心理念，提高了創客們的創新設計能力。

2.Scratch與機器人融合

Scratch是麻省理工學院開發的一款開源編程軟體。

經過二次開發能夠與教育機器人實現無縫連結，用Scratch編程來控制機器人完成相關任務 ;也可以用機器人來控制Scratch中的設計對象在螢幕上運動。

具有趣味性、娛樂性、交互性和「所思即所得」的動態控制特效。

圖3 Scratch2-JMD軟體的介面

例如在講授「邊唱歌邊跳舞的機器人」這個主題時，搭建邊唱歌邊跳舞的機器人需要E2控制器1個，LED燈2個、帶編碼盤的直流減速馬達2個，各種連接件和連線若干，2個馬達分別連接在M1和M2埠，2個LED燈分別連接在P7和P8埠，最後搭建的機器人如圖4。

圖4 會跳舞閃燈的機器人

用Scratch2-JMD軟體進行編程，電腦螢幕的舞台上有2個人在隨著音樂翩翩起舞，同時機器人也隨著節奏一邊跳舞，其頭頂的LED燈在變換顏色不停地閃爍，實現了軟硬交互和虛實結合的演示效果。

Scratch程序如圖5所示。

圖5 Scratch與機器人融合完成機器人與計算機交互的邊唱歌邊跳舞程序

3.虛擬/增強現實技術應用

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)，是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關於視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物。

增強現實(Augmented Reality，簡稱AR)，它通過電腦技術，將虛擬的信息應用到真實世界，真實的環境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間同時存在。

VR、AR在教育領域的應用，同樣引發了學生方式的創新和教學形式的變革。

在美國，超過100個學區在使用zSpace STEAM進行教學，zSpace系統為學生提供了一種現實的學習環境以及身臨其境的學習體驗，zSpace操作筆可以將虛擬全息圖像從螢幕中提取出來進行操作，有些應用程式還提供了多種感知反應。

例如，學生戴上3D追蹤眼鏡，可以用雷射筆在螢幕搭建機器人，對馬達進行連線操作，螢幕會顯示出當前所用電池的電壓值及馬達的轉速，電池反接馬達會反轉，去掉電路串聯的電阻會顯示出電機被燒壞的情境，學生可以深臨其境，獲得體驗感和沉浸感，體驗到虛擬現實技術的魅力。

國內教育機器人競賽活動

參加比賽是中小學提高學生創新能力發展、促進創客教育推進的主要途徑之一。

目前我國開展的適用中小學生參加的科技競賽活動很多，與中小學教育機器人相關的競賽活動主要有以下幾種：

1.由中國科協舉辦的「中國青少年機器人競賽」，2001年開始舉辦，每年一屆，到2015年已舉辦了第15屆。

2.由教育部和中央電化教育館舉辦的「全國中小學電腦製作活動」，自2004年將機器人競賽項目納入了該活動中，至2015年已舉辦12屆。

3.由教育部關心下一代工作委員會和中國發明協會舉辦的「全國中小學信息技術創新與實踐活動(NOC)」，其中包含有機器人競賽項目，2003年開始舉辦，至2015年已舉辦13屆。

4.由中國科協、教育部舉辦的「全國青少年科技創新大賽」，1979年開始舉辦，2015年已舉辦了30屆，機器人創造發明作品可以參加比賽。

5.由宋慶齡基金會、中國發明協會、中國教育學會、全國少工委組織的「宋慶齡少年兒童發明獎」，2004年開始舉辦，至2015年已舉辦了11屆，機器人創造發明作品可以參加比賽。

在網際網路+教育的時代背景下，人們的教育理念、學習環境、學習內容、學習方式都將發生革命性變革。

通過智能機器人創客教育，讓機器人走進校園，走進社區創客空間，讓創客們在創客空間裡利用機器人來動手體驗、開拓創新，激活學生創造思維與創新意識，培養學生動手實踐能力和創新思維能力，挖掘學生創新潛能，促進學生全面發展。

為學生開啟創新智慧的火花，為創客教育和STEAM教育圓夢!

(本文由中國教育信息化在線記者魯利瑞根據王同聚老師在2016年新媒體新技術教學應用研討會上的演講PPT、發表於《數字教育》16年第2期的《基於創客教育「三劍客」培養師生創新設計能力》、發表於《中國教育信息化》16年第10期的《基於創客教育理念的「智創空間」實踐研究》等材料中關於機器人教育的內容整理而成，經王老師確認並完善內容。

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