《中小学机器人教育研究（论文）11000字》

国内中小学机器人教育现状及优化策略研究TOC\o"1-3"\h\u13093引言 引言随着科技进步和时代发展的现实需要，教育机器人受到越来越多学者的关注，成为国内外研究热点之一，并涌现了一批教育机器人的研究机构，研究方向涉及机器人教学、人机互动和自闭症儿童教育等，并被应用于STEAM教育、儿童娱乐教育同伴和远程控制机器人等方面。机器人教育是科学与技术教育的重要载体，对于培养学生的科学素质、创新精神与实践能力有着重要意义。教育机器人是机器人应用于教育领域的代表，是人工智能、语音识别和仿生技术在教育中应用的典型，并以培养学生的分析能力、创造能力和实践能力为目标。教育机器人具有广阔的市场前景，但目前仍处于起步阶段，在实践过程中面临着课程管理平台、相关学习内容和师资等缺乏的诸多困境，需要广大研究者在理论与实践方面进行不断探究。因此，论文从探析机器人教育的概念与意义出发，基于对国内中小学机器人教育的目标与内容、开展途径的现状分析，探析当前在我国基础教育领域推进机器人教育过程中面临的主要课题，包括优化机器人教育目标与内容、改进机器人教育环境、探索有效的机器人教育模式、加强机器人教育师资建设以及加强机器人教育现状研究与对比研究。一、机器人教育的概念与意义机器人教育的概念机器人技术是一门新学科,可以使学生综合了解现代工业设计、电子工程、机械工程、运动力学、传感器技术、计算机技术、通讯技术、智慧教育等诸多领域的先进技术,并激发学生的创造意识和创造发明的潜能。关于机器人教育有专家预言,从信息产业的角度看,本世纪第一个十年将是智能机器人时代。随着信息技术教育课程与教材改革的深入和智慧教育技术的发展在信息技术教育中渗透机器人学科知识与机器人应用前景方面的教育已势在必行。机器人最早只是在工厂里使用,现在已经在娱乐、医院和家庭等日常生活中使用。机器人教育也会越来越普及而且可以学到此计算机更全面的知识除了能够学到编程语言、程序设计以外,同时还能学到机电方面的知识,所以机器人进入中小学教育是当今科技发展的一个必然趋势。机器人教育的意义在中小学开展的机器人等教育具有重要的意义。主要体现在以下几个方面:1促进教育方式的变革,培养学生的综合能力在机器人教育中,课堂以学生为中心,教师作为指导者提供学习材料和建议，学生必须自己去学习知识构建知识体系提出自己的解决方案，从而有效培养了动手能力、学生创新思维能力。按照马丁机器人教育学院制定的培养方案机器人教育可以培养学生的时间管理、资源分配团队合作、信息采集、系统分析、设计工程等能力。2有效激发学习兴趣、动机“寓教于乐”是我们教育追求的目标。这也是当前教育游戏成为当前研究热点一个原因。学习兴趣是学生的学习成功重要因素。马丁机器人教育可以通过比赛形式,得到周围环境的认可和赞赏能够激发学生学习的兴趣,激发学生的斗志和拼博精神。3培养学生的团队协作能力丁机器人教育中大多以小组形式开始,机器人的学习、竞赛实际上是-一个团体学习的过程。它需要学习者团结协作,包容小组其他成员的缺点和不足,能够与他人进行有效沟通与交流。在实践锻炼中提高自己的团队协作能力,其效果比普通的教育方式、方法更加有效。4扩大知识面,转换思维方式在机器人的学习过程中，通过制作机器人过程中的实际问题解决可以学到模拟电路、力学等方面知识不但对物理学科、计算机学科的教学起到促进作用,同时也扩大、加深了学生科学知识:通过完成任务和模拟项目使学生在为机器人扩充接的过程中学习有关数字电路方面的知识通过为机器人编写程序，不但学到计算机编程语言、算法等显性知识更有意义的是通过为机器人编写程序学到科学而高效的思维方式,逻辑判断思维、系统思维等隐性知识。二、国内现状分析(一)国内中小学机器人教育的目标与内容国内目前比较明确地规范中小学机器人教育目标与内容的有三个。--是《普通高中技术课程标准》中规定的内容;二是2004年12月中国教育学会中小学机器人教育专业委员成立的“中国教育学会中小学机器人教育专业委员会中小学机器人教学组”提出的“中小学智能机器人课程指导意见(参考)”;三是部分地区在本地区的技术课程标准中有机器人教育的相关规定，其中比较典型的是江苏省与哈尔滨市的机器人教育课程设置。其它地方多数是根据竞赛的需求，比较随机地设置教学目标与教学内容，主要是根据某--个比赛当年的比赛主题、比赛要求设置教学目标与教学内容。(二)国内中小学机器人教育的开展途径目前在中小学开展机器人教育有四种基本的途径:一是在信息技术课程中设置机器人教育模块;二是开设机器人教育校本课程;三是开展以课外活动为主的机器人教育兴趣活动;四是通过组织学生参加青少年机器人比赛开展机器人教育活动。1.在技术课程内设置机器人教育模块机器人教育是面向21世纪基础教育课程改革的一个重要内容。2003年教育部把“智慧教育基础"课程作为信息技术教学的技术选修模块引人中小学选修课程中之后，我国的智慧教育教育在大众化和普及化层面上进入了个新的阶段。2.以地方课程或校本课程为载体例如，在哈尔滨市，机器人教育课程已经逐步成为中小学的一I]独立的知识性与技能性相结合的基础性学科，将为学生适应现代信息社会中的学习、工作和生活方式打下必要的基础。机器人教育课程将成为同数学、讲文一样的必修课。充分重视机器人教育课程在中小学课程设置中的地位和作用。校本课程是相对于国家课程、地方课程而言的。面向机器人教育的校本课程--般是基于学校立场，以本校教师为开发主体，是旨在满足本校学生多样化的兴趣和发展需求的课程。3.课外兴趣小组本着学生爱好与自愿相结合的原则，组成机器人学习小组，定时定点开展活动，由专门的指导教师指导学生进行活动。同时，也会有组织地安排学生参观机器人博览会、观看机器人比赛等。4.组织学生参加机器人比赛通过开展机器人的知识竞赛、游戏等活动开展机器人教育。机器人比赛一般是通过举办一系列机器人竞赛来促进机器人教育的普及和发展。目前国内比较有影响的机器人大赛包括:(1)中国青少年电脑机器人竞赛(由中国科协举办)，主要项目有“智能机器人单项竞技”、“机器人工程设计”、“机器人足球杯”、“FLL机器世锦赛中国区赛”等四个项目;(2)中小学电脑制作活动(全国决赛由中央电教馆举办)，主要项目分为"FLL机器人赛"、“机器人足球”和“机器人灭火”等三个项目;(3)中国机器人大赛昏Robocup中国选拔赛(由中科院自动化学会主办)，该项赛事涵盖了大中小学;(4)全国中小学信息技术创新实践活动(由教育部关心下-代工作委员会举办)，智能机器人是该项赛事的-一个主要项目。目前国内中小学比较重视的国际青少年机器人比赛包括:(1)Robocup(机器人世界杯)，含电脑仿真比赛、小型机器人赛、中型机器人赛、SONY有腿机器赛;(2)FLL(FirstLeguLeague)比赛(由美国的FIRST和LEC0赞助举办);(3)FI-RA机器人足球赛(由国际机器人足球联合会举办);(4)WRO(国际机器人奥林匹克竞赛)，由中国、日本、韩国等13个国家和地区的科普组织和机器人技术推广组织共同发起的-一项国际青少年竞赛，包括机器人工程设计、机器人创意设计和机器人足球3个项目。三、机器人教育中的主要课题我国在中小学开展机器人教育势在必行。参照国外经验并结合我国实际情况，笔者认为，目前我国中小学开展机器人教育的主要课题如下。(一)机器人教育内容与教育目标的优化要确定科学的机器人教育内容与日标，除了与当前社会发展与整体教育需要相关外，还要注意以下四点。第一是要紧跟机器人本身的发展。自20世纪60年代以来，随着技术的发展，机器人的发展也经过不同的阶段:第--代示教再现型机器人(可以根据操作人员所编程序完成--些简单的重复性的工作，每一一步动作都要需要操作人员发出指令)、第二代感知型机器人(带有外部传感器，可进行离线编程，能在传感系统支持下，具有不同程度感知环境并自行修正程序的功能)，以及第三代智能机器人(不仅具有感知功能，还具有一定的决策和规划能力。能够根据人的命令或按照所处的环境，自行做出决策，规划动作)。第二是要遵循机器人技术本身的知识与技术体系，关注机器人教育内容的系统性、关联性与实用性。机器人技术经过多年的发展，已经形成了一门综合学科一机器人学(robotics)*，包括:机器人基础理论与方法，机器人设计理论与技术，机器人仿生学，，机器人系统理论与技术，微机器人学等。第三，对内容的选择与设计一定要符合学生的实际学习特点，以激发学生的兴趣为途径，以合适的教学目标为导向。不--定非要直接让学生制作出智能机器人。第四，针对不同的教育形式，要开发出不同的适应性较强的课程。比如，可以参考美国的“机器人竞赛课程开发框架"国，该框架结合国家科学标准、技术素养标准、职业生涯标准、国家数学标准等四个标准。(二)改进机器人教育环境机器人教育环境的改进是机器人教育发展的前提;同时，机器人教育环境的改进又要考虑到我国经济实力和实际需要。国家、地方相关部分，尤其是教台部门与科技部[]可以出台相关政策与指导意见，对机器人教育进行统--的规划，有相关的政策与项目支持。这一点可以借鉴美国与日本的经验:比如，日本文部科学省与经产省共同出台政策支持机器人教育;我国可以结合我国的“2049科学索养发展"规划来对中小学的机器人教育进行统一.规划。另一方面，教育部门要出面引导机器人大赛的发展(正确导向)，让竞赛真正为机器人教育服务，为培养学生的创新能力与实践能力服务，而不是为机器人产品作广告。在软硬件环境建设方面，要适当加大投入。同时,要鼓励企业的无偿投人。（三）更新机器人教育理念，探索有效的机器人教育模式，加强机器人教育实证研究开展机器人教育，不但在教育观念上要有新的突破，更重要的是必须有效定位机器人教育的内容与目标，改革教学内容和课程体系，优化培养模式、教学方法和教学手段,探索出有效的机器人教育模式。要确定机器人教育研究实践基地，积极开展机器人教育的实践研究，探索适合我国社会发展需要与学生发展特点的机器人教育的模式。在更新机器人教育理念、构建机器人教育模式方面可以借鉴国际上比较重视的STS(Science、Technology、Sociely)教育。STS教育是科学教育改革中兴起的一-种新的科学教育构想，其宗旨是培养具有科学素质的公民。它要求面向公众，面向全体;强调理解科学、技术和社会三者的关系;重视科学、技术在社会生产、人们生活中的应用;重视科学的价值取向，要求人们在从事任何科学发现、技术发明创造时，都要考虑社会效果，并能为科技发展带来的不良后果承担社会责任。(四)建立机器人教育的教师培训体系笔者认为，可以把“机器人教育”作为机器人师资职前培养阶段的必修课，并在其中充实与机器人教育素质相关的内容。另一方面，逐步对现职教师进行包括提高机器人教育素质在内的现代教育技术在教学中应用的培训，并且形成体系。在高师院校教育技术学专业或计算机专业开展机器人教育的专业课程，教育技术学专业学生不但具有信息技术知识，而且具有专业的教育教学知识，所以可以更好地胜任机器人教育任务。作为教育技术学的内容之--的教学技术可以分为教授技术和学习技术。从教学的本质来说，促进学生的学习是根本。正如信息技术教育是教育技术学研究的重要内容一样，可以将机器人教育视作教育技术学的重要研究内容。(五)加强现状研究与对比研究系统的、科学的研究可以有效发现、分析、解决当前我国中小学机器人教育开展中存在问题，尤其是加强机器人教育的现状研究与应用研究对于中小学机器人教育有效教育模式的构建与改善有着重要意义。“加强现状研究"，旨在深入了解当前我国中小学机器人教育开展中存在的主要问题，为机器人教育体系的构建与改善提供最直接的依据与现实支持。现状研究包括:通过文献检索与调查研究，了解国内中小学机器人教育课程设置、资源建设、培养模式、课时安排、培养效果、存在的问题等基本情况。“加强对比研究”包括三个方面的含义:---是在加强国内外机器人教育的比较研究;一是国内不同区域的中小学的机器人教育比较研究;三是加强不同领域的机器人教育，比如高等教育领域、职业技术教育领域与基础教育领域的机器人教育比较研究。比较研究旨在借鉴重在发展。四、智慧教育对中小学机器人教育的推动(一)推动了教育理念的变革智慧教育是信息化教育发展的高级阶段，也是对未来教育发展的一种预期。通过智慧教育使得教育活动跨越了传统教育模式中的各种制度与形式的边界，从而形成一种新型的教育形态，促进教育与技术的智能化融合。这种智能化的融合使得智慧教育在教育领域内的广泛应用，在计算机教学中通过人工智能的各种技术能够打通学生在不同学习阶段的壁垒，能够在空间上将家庭教育、社会教育、学习教育融为一体，从而实现机器人教育的“大观念”间。通过智慧教育所建立起的智慧校园连接起学习社区和学生的个人空间，从而使得学生对于计算机知识技能的学习不再是依赖于学校这唯一的场所，从而建立起终身式的学习体系。智慧教育所体现出的新人本教育理念，基于智慧教育的充分应用给中小学生推送个性化的学习资源，从而使得机器人教育真正实现因材施教。(二)推动了教学内容的变革智慧时代下的智慧教育在推动技术算计教学内容变革具体表现在:首先，学习能够建立起智慧教育辅助教学系统对中小学生学习计算机知识技能的情况进行统计分析，并将统计的结果进行有效分析后反馈教师，教师将其作为下一步教学的依据，通过对中小学生学习的薄弱之处进行更具有针对性的教学，从而实现因材施教。其次，智慧教育辅助教学系统根据学生对计算机技能知识学习的需求为学建立起具有针对性的学习平台，在这个平台师生之间能够实现有效的交流和沟通，学生对于自己在课堂上没有学懂的知识点可以通过这个平台向老师提问，老师在进行解答之后，根据中小学生所提出的不同问题来安排自己的后续教学工作回。除此之外，智慧教育辅助学习系统能够通过对学生日常学习数据的分析从而得出其相应的行为模式，以此为依据帮助学生学习计算机课程的进度，并为学生指明今后的学习方向。再次，智慧教育辅助教学系统能够通过深度学习和自然语言来生成计算机教学中的特定内容，与真人编写的计算机教材能够相媲美"”。(三)让教师从繁琐的工作中解脱出来在智慧教育时代背景下，智慧教育在教育领域内的应用中的一个主要益出是能够将教师从繁琐的工作中解脱出来，能够将更多的精力和时间应用到教学实际中。在机器人教育中，教师承担了来自各方面的压力,对学生的学习指导工作并不能够做到细致入微，而智慧教育技术的应用能够使得计算机教学变得更加快捷，其为教师替代了许多重复性的工作，让他们能够拥有更多的时间来投身于关注计算机科学领域内的.前沿知识，更新其知识结构。例如，计算机教师可以通过智慧教育进行批改作业，当前智慧教育技术的批改作业能力已经非常接近真正的老师，其已经能够作为一种相当可靠的技术来替代人工以及传统测评软件。因此，将其应用于计算机教学中，可以有效减少批改作业这种繁琐的工作占用教师大量的时间。(四)改变了传统的授课方式在传统的计算机教学中，都是教师根据教材和教学进度等编写教案，然后在课堂上为学生传授知识。但是，在计算机教学过程中，通过对智慧教育的应用,.能够建立起交互式的教学系统。如此一来，中小学生就能够通过系统作为，结合自身的学习需求，索取想要的知识。这就使上课方式由老师教转变为了学生，更有利于学生获得想要的知识"五、机器人教育模式的方案策略（一）建立完善的中小学机器人教育的生态系统1.从教育管理层面进行顶层设计在中小学开展机器人教育，从机器人教育整体性方面，需要国家教育部门给予相关的政策支持;从国家、省、市、县区分层次推进机器人教育活动的开展。从横向发展分析，在机器人教育推进方面，需要国家教育部门给予相关的政策支持和资金投入，结合教育部门，地方高校和企业公司进行合作，以点带面，以赛促制，进行指导中小学机器人教育顺利的开展。从纵向发展分析，在中小学阶段，注重培养学生的编程思想、创新意识，普及机器人知识，同时要注重学生身心发展的顺序性;在大学阶段，则应注重机器人学科的建设、学生实践创新能力的培养。2.从科研层面进行理论指导在中小学目前缺少系统成熟的理论支撑和实践成果。在国内外研究现状方面可以了解到目前对于机器人教育的理论研究以高校为主。所以，各中小学校可以结合地方高校，进行机器人教育理论的深入研究，理论指导实践。研究理论是影响机器人教育发展的重要因素。3.从实践层面进行技术指导只有顶层的规划和理论依据,依然是撑不起机器人教育的发展，实践是检验真理的标准，同时，中小学的机器人教育主要是动手操作为主。所以，机器人教育的实践操作和实践成果是推动机器人教育发展的基本动力。但是，目前，中小学机器人教师普遍缺少。所以，可以根据现实需求，与企业进行产学研结合，从实践层面对学生和老师进行技术的指导，以促进学生和老师的快速成长。熟的实践能力。（二）加快机器人教育师资队伍建设教师是教育发展的第一资源，高素养的教师队伍是保证机器人教育顺利开展的强大动力和保障，加强专业化，创新型师资队伍的建设是非常必要的。但是现实情况是在中小学专业从事机器教育的教师是断层的，很多都是由其他学科的老师兼任的，比例最大的就是由信息技术教师担任，信息技术课程中有机器人相关的知识，内容包含或涉及一定的机械装置、电子电路、传感器、程序设计知识等”。信息技术教师具有一定的学科基础知识，可以对其进行机器人方面的知识培训，短时间内可以有效解决师资短缺的问题。但是机器人教育作为当下发展学生的创新能力的重要途径，并且提升到国家战略层.面，建设--支专业化的机器人教师是非常必要和及时的。1.从政策层面加大支持机器人教师不足的主要原因就在于政策支持力度不够，应该从国家层面出发，制定有关机器人教师的保障制度，确保机器人教师不管是从数量还是质量上都能够满相应的需求。比如在2018年教育部《关于开展智慧教育助推教师队伍建设行动试点工作的通知》，开启智慧教育教师的筹建工作，开展教师的培训，宁夏与北京外国语大学分别作为示范点。同时，设置相应的认证机构，比如，中国电子学会和国家教育信息化联盟中心颁发的全国青少年机器人创客教师资格证，目前分为八级，每两级的考试通过，就会颁发相应的等级证书，很好的激励了机器人教师的学习积极性，也让老师们感受到了从专业层面的认可度。2.从培训层面加大力度在理念意识层面:教育部门应加大对机器人教育的支持和宣传力度，让老师们意识到机器人教育的意义和价值，能够积极参与到机器人教育中，学习机器人有关的知识。在理论知识层面:作为一-名机器人教师，应该要掌握机器人的综合知识。比如，机器人硬件平台，软件编程,机器人各部分器件的功能，包括机器人电子器件，编程方法,机械结构等;同时，在教学时能够确定教学目标，使用合适的教学策略以及评价方法，具备一定的科研能力。在实际操作层面:教师应该熟练使用机器人器材搭建机器人，能够自行进行编写和设计程序，对机器人进行日常的诊断与维护。学生兴趣方面:机器人教师在进行教学时，应该以学生为主体，注重学生的身心发展特点，进行教学，注重配养学生学习机器人的兴趣，在机器人的教学过程中尽量做到实用性、科学性与趣味性相结合。在机器人教师的认可方面，应该在每次的培训中设置上课课时，教师在完成培训课程后，取得相应学分，合格的教师获得相应的证书，让机器人教师获得职业的价值感和存在感。（三）注重教学资源的开发1.注重机器人教材的开发教材是教师在进行传授知识时参考的理论依据，对机器人教育有着至关重要的作用，到目前为止，中小学的机器人教育还没有普遍通用的教材，大部分都是机器人商家所推荐的机器人器材配套的使用说明书不具备通用性。所以，在中小学，普及机器人教学教材是急需解决的问题，可以进行区域性的校本教材开发，教材在编制时应根据不同年龄阶段的学生进行合理的编排，符合学生的心理和认知特征，在小学阶段，应注重机器人基础知识的普及，和基本的搭建;在中学阶段，应该进行物理、机械、数学等方面知识的综合性，将编程知识，智慧教育知识等纳入课本教材中。2.在中小学设置相关课程目前在中小学机器人教育在中小学主要的开展形式大致可分为三种，第一种是依托信息技术课程进行教学;第二种是在课外实践活动中或社团活动中进行;第三种是根据机器人比赛主题而进行的机器人教学活动。但是把机器人教育作为常规课程引入课堂的学校很少，比如，汉中市北关小学的机器人教育活动主要是以社团为主，两到三人一-组进行学习，并没有正式的相关课程学习。所以有必要在中小学设置相关课程，使得机器人教育能够得以重视并且常规化。（四）构建科学的机器人教育评价体系教育评价是根据教育活动中的现象按照--定的标准进行科学，系统的判断的过程。在教育教学过程中，有效的教育评价体系是为了更好地促进教师的教与学生的学。科学完善的中小学机器人教育评价体系更能凸显机器人教育倡导的创新、实践与合作，是中小学机器人教育最基本的机制保障，能够有效地促进人才培养质量的提升，同时也能够激励广大的教师和学生积极参与到机器人教育教学活动中，以保障机器人教育活动的顺，利开展。教育评价可以从评价标准、评价方式、评价对象不同的三个层面进行分析。1.制定科学的评价标准评价标准主要指从国家层面、教育部门等进行系统的评价标准的制定;包括对整个机器人教育系统进行评价，包括各级政府教育管理、教育管理体制、教育投入、师资建设、学校办学水平等;政府、教育等部门应该重视机器人教育学科的建设，构建科学,可信度高的评价规则，确保机器人教育健康发展，削弱其功利性的一面;并且实行除了学校、教育主管部门以外的社会第三方参与的评价方法。我们可以借助网络爬虫技术建立机器人教育数据统计平台，基于大数据的精确分析，从而使得相关部门做出科学的决.策，进一步制定出相应的评价机制。2.采取多样的评价方式尽管在机器人教育的实施过程中还存在许多问题，但是由于机器人教育在中小学正处于普及阶段，我们应该积极鼓励与机器人教育有关的活动，在评价方式上应该允许其多样性。目前对于中小学机器人教育的评价方式主要有竞赛活动的评价和全国青少年机器人等级考试的评价。机器人竞赛活动中，主办方的不同，给予的评价标准不同。全国青少年机器人等级考试分为理论和实操两部分，与其对应的评价标准也不相同。3.定位不同的评价对象评价对象主要从学生、教师、教学内容、和教学媒体等方面进行①。在教学前，应该对学生进行诊断性评价，由于机器人教育是理论和实践相结合的过程，更加注重学生的动手实践能力。最为有效的评价就学生对自己的学习建构情况做出合适的评价。在教师层面，加强教师的教学内容和教学效果方面的评价;在教学方面，教学评价是教育评价中重要的环节，是对教师和学生的教学活进行价值判断的过程。在机器人教育教学过程中，对其进行评价应该以学生学习之后是否可以独立的完成某项任务为基本标准;在课程和教材评价方面，可以借鉴“网络课程和各类电子教材评价指标体系”的标准，分别制定想应的一级指标、二级指标、三级指标，并细化每级指标的具体内容。比如，教学内容的适应性符合本学科或者课程要求，教学目标明确，取材合适，深度适宜，分量适度;认知规律性要符合学生认知规律逻辑性强，富有启发性，便于学生学习，有利于学生能力培养;结构合理性要求教学内容组织及其结构合理，学习路径明确，知识关联清晰;以及生动趣味性要求表述知识生动趣味，能引起和保持学习者的学习动机和注意力等。（五）注重机器人教育的伦理性，树立正确的价值观目前在中小学进行基础的和简单的机器人教育活动，主要是基本的机器人结构的搭建和图形化编程的学习，由于学生的认知水平和接受能力，没有涉及过于复杂的有关机器人方面的知识，但是并不意味着学生们认为机器人就是一堆机器零件搭建而成的冷冰冰的塑料或者金属结构，