美国机器人教育的特点及其启示

—————————— 收稿日期：2006年9月 108

第17卷 现代教育技术 V ol. 17 2007年第11期 Modern Educational Technology No.11

2007 美国机器人教育的特点及其启示

王 益 张剑平

（浙江师范大学教育学院 浙江金华 321004）

【摘要】机器人教育在我国还处于起步阶段，尚未有系统的理论指导，也缺乏可借鉴的成功经验。本文分别对美国基础教育与高等教育中的机器人教育现状进行分析：在基础教育领域，从实施类型出发，介绍和分析了若干典型案例及其特色；在高等教育领域，从机器人课程与机器人学习平台两方面，分别选取了较具代表性的麻省理工学院的开放课程以及俄勒冈州立大学的机器人学习平台TekBots 作为案例。最后探讨了美国机器人教育的特点以及值得我国借鉴的经验。

【关键词】机器人教育；课程设置；机器人技术；技术教育

【中图分类号】G434 【文献标识码】B 【论文编号】1009—8097 (2007) 11—0108—05

一 引言

近年来，机器人技术的应用正逐步由现有的生产领域向更为广泛的人类生活领域拓展。高度智能化的机器人技术开始应用在教育、环境、社会服务、医疗等领域，小型化、轻量化且更加接近实用的人工智能机器人不断地被开发研制出来。机器人技术的进步将会对科学与技术的发展产生重要影响，只有开展机器人教育,才能使我们不在机器人时代落伍。机器人的教育价值使它既可以作为家庭的益智玩具，也可以作为学校课外活动的载体，还可以作为基础教育课程的载体

[1]

。同时，机器人作为一个平台能使学生全面综合地了解现代

工业设计、机械、电子、传感器、计算机软件、硬件、人机交互、人工智能等诸多领域的先进技术，并亲身接触和体验现代高新技术，在学生获得科技知识和实践能力的同时激发他们的创新意识和创造发明的潜能。

二 美国中小学的机器人教育

1 美国中小学的课程设置

美国中小学没有统一设置的国家课程,联邦政府和教育部只对全国的教育课程标准提出建议。美国的教材和课程标准的制定检查权力和其他主要的教育行政权力一样主要由州政府教育部掌管。各州教育部都制定自己的课程标准,这些课程标准是学区和学校课程制定的主要依据,也是州教育部和各级教育部门对学校课程实施情况检查的主要标准。无论是国家建议还是州级标准,最终教材使用和选择的权力都在地方的学区。各学区都可以根据本州的课程标准选择不同版本的教材,教材的最终决策同其他一切事务的决策一样由学区董事会集体决定。学校根据学区的课程安排情况及教材的选择情况进行课程安排,执行学区的课程决策。学校在如何实施课堂教学,如何丰富学校课程体系上还拥有很大的自主性[2]。此外,在全国范围内有很多非盈利组织提出各种课程改革计划及对课程发展提出科学性的指导意见。

为了使学生的天赋得到充分发挥，美国非常注重英才教育[3]，美国政府于1993年发布的报告《全国性的杰出成就：培

养美国人才的一个实例》中明确提出[4]

：学校必须推广有效的

教育计划并把更高深的材料融合到常规课程中去； 学校必须为所有学生提供机会，到现实生活中去学习、解决问题，分析材料和情境；学校必须在多种场合-----常规教室、特别课堂、社区、大学或博物馆、电脑前或者任何出现需要的场合为具有杰出才能的学生服务；学校必须建立很灵活的体制，让所有学生，包括最有能力的学生，根据他们的兴趣和需要分班、再分班。所以，美国中小学会为学有余力或在某方面有特长的学生开设选修课程。并且，美国各州的综合高中开设的课程中除了基本的核心课程外，还有丰富多样的选修课程和广泛综合的教育计划(programs)与项目(projects)。

正是由于较为自由的课程设置，为机器人教育的开展提供了便利，丰富了机器人教育的形式。

2 美国中小学机器人教育的实施类型

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。

（1）机器人技术课程

美国中小学课程的设置比较自由，除了一些核心课程外，还有内容丰富的选修课程以及一些教育计划或项目。把机器人教育列入课程，让学生系统地、有步骤地学习机器人技术，是开展机器人教育的最佳形式。这里分别通过几个实例介绍机器人技术课程的两个主要特色：

1）灵活的课程开设

①作为技术教育课程体系的一部分

美国中小学的机器人课程大部分归属于技术教育课程体系。例如：南卡罗莱纳州在技术教育中，要求学生了解自动化技术与机器人技术；美国加利福尼亚州高中工程与技术联盟在为高中生开设的工程与技术选修课程中，提供了ROBOTICS课程，主要介绍机器人技术历史，基础，术语，微控制，传感器，程序控制等方面的知识；美国犹他州K-12 核心课程分成两部分：常规课程以及职业技术教育，其中的职业技术教育中技术及工程课程标准（6-8年级）要求对机器人技术有所了解[5]。

②作为研究项目的组成部分

美国部分学校的机器人技术课程从属于某个项目。例如：佛吉尼亚州在4-H 科学技术课程中开设了ROBOTICS[6]。4-H 是头脑，心，健康，手的缩写，这个项目是帮助年轻人通过“做中学”来发展；美国国家航空航天局的机器人教育联合项目[7]中的Educational Robotics Matrix项目[8]提供了一个与机器人技术有关的适合各个年龄组的课程计划列表；美国国家自然基金支持的项目“K-12教育中的机器人技术”[9]，目的是帮助K-12教师以及其他教育者开发或改进以机器人作为一种工具来教授STEM的课程和开发机器人技术课程。

2）不同的课程目标

尽管同样是机器人技术课程，各个学校制定的课程目标却不同。例如：美国佛罗里达州Boca Raton Christian学校在该校的高中课程中开设ROBOTICS [10]，课程目标是提供学生各种微型计算机硬件及使用的理解途径，有关微型计算机结构、人机接口和诊断、修复和维护的指导和机器人技术的基本概念；而美国纽约Chapin学校的[11] K-12课程中在2年级的计算机科学中开设ROBOTICS 、5年级的科学课程中开设了ROBOTICS，主要目的是通过动手操作，提供途径来应用在课堂中学习的科学规则，物理知识和计算机编程。

（2）机器人课外活动

以课外活动形式的机器人教育主要特点是与各种机器人竞赛结合。例如：宾夕法尼亚州的K12ROBOT课外活动计划[12]；印地安那州的Purdue大学与LAFAYETTE学校合作，在5至8年级学生课外活动中开展的ROBOTICS项目[13]。

（3）机器人主题夏令营

美国中小学的机器人主题夏令营活动，采用的方式是高校和中小学建立共同体，高校负责设计各类机器人活动，并组织在中小学实施。例如，Carnegie Mellon大学提供的ROBOCAMP暑期机器人计划，通过八星期的课程，使学生懂得一些基本的与机器人有关的电子，机械和计算机科学知识。该课程主要针对高中生，但是需要一定的入门技能。由于参与人数有限，报名者通常需经过筛选才能参加。

（4）作为研究和理解工具

对于中小学生而言，机器人技术本身可以不作为学习的主体，而是作为学习其他课程的工具或者是创新能力培养的一种工具。学生使用这些技术工具来强化学习，激发创造力，培养创新能力，同时也可以增强协作能力。例如俄亥俄州技术标准的标准三“生产应用技术”中提出把机器人模型作为一种研究工具，同时在标准七“设计世界”中，利用机器人来理解输入与输出操作、电子设备如何与计算机连接等概念。

如上所述，美国基础教育领域中的机器人教育的实施类型主要是机器人技术课程、夏令营、课外活动等。以上各种形式的机器人教育所使用的机器人平台大多为实体机器人。虽然机器人教育的较好形式是以课程方式开设，但由于种种原因，以课程形式开设的机器人教育并未针对所有学生、也没有大范围的列入常规课程中。较灵活、自由的夏令营与课外活动是常采用的机器人教育的形式。

三 美国高校的机器人教育

美国高校的机器人教育主要呈现出两个趋势：一方面，美国高校愈来愈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。

1 麻省理工学院的机器人教育 [14]

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，MIT的工程师发明了一种机器人，它可以向物理治疗家学习体操，并帮助患者学习这种运动，它还会记录一些病人的一些数据及过程；麻省理工媒体实验室的专家设计的机器人战地报道系统“阿富汗探险者”，它是可远程遥控的机器人战地报道系统，能够实时地报道战场图像、声音并进行现场采访；麻省理工学院人工智能实验室研制的类人机器人“科戈”等等。2001年，麻省理工学院宣布开放课程计划（OCW）启动，该计划的目标是把几乎所有的课程材料上网，供全世界的人们免费自由下载。因此，我们选取麻省理工学院，通过对其开放课程中的机器人课程调查后，总结机器人教育的概况。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。

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