中小学机器人教育的问题与对策

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自2000年以来，为贯彻《2001—2005年中国青少年科学技术普及活动指导纲要》和《全民科学素质行为计划纲要（2006-2015-2020年）》，由教育部、科协等部门举办的全国中小学电脑制作活动、全国青少年机器人竞赛等蓬勃发展。同时，各地中小学也相应地开设了各具特色的机器人技术课程。其目的在于丰富中小学生学习生活，激发学生的创新精神，培养他们的实践能力，全面推进素质教育。作者作为中国自动化学会机器人竞赛委员会的委员，从2001年就参加了中小学机器人的竞赛工作，包括全国、广东省和广州市的竞赛，同时也参与了青少年机器人教育和科研项目，因此对中小学机器人教育和竞赛比较了解。本文总结、分析了中小学机器人教育及竞赛存在的一些问题，提出了一些对策，同时提出利用3D 打印和云计算平台等新技术推动中小学机器人教育发展的思路。

一、中小学机器人教育存在的问题

机器人学是一门复杂且综合性很强的学科，代表了最高级别的自动化技术，涉及面很广。与高校不同，中小学机器人教育的重点是科普而不是研究，需要把成熟的技术简化后传授给学生，着重培养学生的动手实践能力。因而，教学内容、技术的层次等等必须在教学中仔细斟酌。在目前的中小学机器人教育中，存在以下问题：

1.缺乏统一的技术层次结构

普遍的中小学机器人技术教材中，包括了机电制作

中小学机器人教育的问题与对策

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张 祺1 李杭州2

（1广东工业大学自动化学院，广东广州 510006；2广东省教育技术中心，广东广州 510245）

【摘 要】本文总结、分析了目前中小学机器人教育及竞赛所存在的若干问题，提出了一些相应的对策,包括：规划科学的、阶梯发展的和具有前瞻性的教学内容技术层次结构；通过实验项目和研究项目的考核，完善机器人教育的评价体系；标准化机器人零部件和虚拟机器人平台，降低投入成本，提高普及度，实现机器人教育的均衡化发展,提出了利用3D 打印和云计算平台等新技术推动中小学机器人教育发展的思路，以期对中小学机器人教育起借鉴作用。

【关键词】中小学；机器人教育；技术层次结构；评价体系

*本文为全国教育信息技术研究“十二五”规划2011年度课题《中小学机器人教育教学评价及资源开发研究》（课题编号113630462）成果之一。

和编程两大方面，机电制作包括了机构、传感器、驱动器和控制器等内容，编程则为其人工智能的程序实现。但是对小学、中学各年级各阶段应该讲授到什么技术，掌握到什么程度并没有明确的统一的规划。因此教材种类虽多但比较混乱，而且部分教材针对特定厂商特定的型号编写，具有较大的局限性。

2.评价体系不完善

机器人教育不仅包含学科知识，还包括了实践能力、创新能力等能力的培养。采用传统的试卷考核方式，只能评估学生对学科知识的掌握程度，无法评价其实践能力和创新能力。若缺乏科学的评价标准，则容易造成教学目的不明确，也无法对教学方法进行改善。

目前机器人教育的评价除了采用传统的试卷考核方式外，很多时候以竞赛奖励作为评价机器人教学水平的指标。在这种畸形指标的压力下，有些学校把机器人教学从普及型变为了精英型，甚至为了比赛成绩不惜以教师代工，弄虚作假，舍本逐末。

3.教具昂贵，不利普及

实体机器人通常由各厂商自行开发设计销售，成本涵盖了研发、生产、培训、售后、比赛赞助等方面，投入很大，面对销量有限的教育市场，因此只能把高额的成本转嫁给最终用户。大部分机器人具有移动能力，实验和竞赛时经常出现零部件损耗现象，后续保养费用高。另外，竞赛新项目和新规则也促使机器人教具需要同步升级，已购买的实体机器人很快落后；为了继续比赛和

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取得好成绩，学校不得不继续投入资金更新教具，重复投资造成很大浪费，机器人教育和比赛项目变为了“烧钱”的项目。

4.过度产业化，呈现出垄断性和封闭性

中小学机器人教育已经实现产业化，产品型号众多，鱼龙混杂。实体机器人教具多是厂商提供的成品，机械和硬件部分已经实现了模块化，大部分工作已经完成，只需要简单的拼装就可以实现。这就降低了对学生动手能力的要求，对于低年级的小学生也许是合适的，但是如果对于初高中生也是类似的情况，则达不到“激发创新精神，培养实践能力”的效果。厂商针对某项竞赛进行特别优化的产品，往往能凭借竞赛优异的成绩在某段时间垄断该项目比赛的产品市场。另外，生产厂商出于知识产权保护的考虑，提供的软硬件系统底层基本是不开放的。

5.地区发展水平不均衡

以广东省为例，机器人教学开展得比较好的城市为广州、深圳、佛山、东莞、中山等经济发达城市，而粤东、粤西、粤北等山区市则较差。这其中的主要原因是地区经济实力：实体机器人教学需要较大的经费投入，对于经济欠发达地区的学校几乎是不能承受的。另外也有师资力量、指导水平方面的原因，经济欠发达地区学校相对缺乏机器人教育的专职教师，只有一些重点学校开课，普通学校无法开展。

6.教师水平参差不齐，缺乏综合知识，而且受到了职称评定等问题的困扰[1]

由于缺乏专职中小学机器人教育的辅导教师，辅导教师多由其他学科的教师兼任。机器人教育涉及了多个

学科，包括了机械、电子、计算机等，因此需要教师具有比较综合的知识和应用能力，一般兼职的教师很难满足上述要求。此外，目前我国尚未建立起科技辅导员职称评定制度，中小学，乃至大、中专院校的职称评审中都没有专职的科技辅导员评审类别，这使得大部分科技辅导员只能按照原从亊的学科专业进行职称评定，因此很多兼职教师对青少年机器人教育工作的积极性不高。

7.机器人竞赛项目设定和规则制定缺乏科学的技术层次规划

例如“机器人足球比赛”项目，学术界提出这种比赛平台的目的是研究多智能体协作的问题，即多个机器人之间应相互合作完成比赛。在目前的规则下，比赛场地小，足球检测技术和机器人定位技术非常成熟。因此很多时候，参加比赛的机器人没有太多的合作，主要依靠体重和大功率电机提供的推力互相推挤把球推入球门，对比赛策略和人工智能的要求反不高。甚至竞赛组织方需要通过限制机器人重量和电池电压等手段，实现相对公平的竞争。这说明了该项目的考核点出现了偏离，需要进行修改提高对检测技术、人工智能技术的考核。另外，同样是“机器人足球比赛”项目，小学组、初中组、高中组完成的机器人作品几乎没有差别，商品化高，只是小学组为1VS1，初高中组2VS2。这样就体现不出本该有的考核技术层次，因此比赛演变为“军备竞赛”，谁能购买新型的机器人，谁就能占上风。

二、对策探讨

机器人教育存在的问题，制约了中小学机器人教育的发展，不少教育者对机器人教育尤其是竞赛存在一定

简化

图1 技术层次结构示意图