智能机器人学科教学的探讨

智能机器人学科教学的探讨摘要：随着信息技术教育课程与教材改革的深入和人工智能技术的发展，人们已逐步认识到，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。本文拟就机器人教育的定义和机器人的学科教学作一次尝试性探讨。关键词：机器人教育定义人工智能1引言随着智能机器人技术的发展，智能机器人的教育走入中、小学校已经成为可能和必然趋势。机器人的教育也必将给信息技术基础教育带来新的活力。智能机器人会成为青少年能力、素质培养的智能平台。2机器人教育的定义机器人教育是指学习、利用机器人，优化教育效果及师生劳动方式的理论与实践。该定义的英文表述为：Robot-BasedEducationisthetheoryandpracticeofstudyingandutilizingrobotstooptimizetheeffectofeducationandthewayofteachers´andstudents´work.(PengShaodong,March.2002)该定义的理解中值得注意的几个问题：（1）机器人教育有理论和实践两大领域理论方面，机器人教育有自身的理论基础与基本理论，能形成相对独立的学科理论体系与方法体系。实践方面，机器人教育是指以机器人为主要教学内容或教学工具而开展的教与学活动，这些活动是在具体实践的过程中逐步完成的。（2）开展机器人教育有两大目的。一是优化教与学的效果，二是优化教师与学生的劳动方式。前者强调以较少的教育投入（包括人力、物力、财力、时间等）取得较大的教育效果（主要指学生的知识获得、技能形成、情感培养等）。后者是指采用机器人这种教与学的劳动工具，能改善教学方式与方法，减轻师生的劳动强度，缩短劳动时间，提高劳动效率。（4）机器人教育强调人工智能技术的应用，是信息技术教育的新发展。机器人教育的核心基础是人工智能技术在教育中以物化、人性化、智能化的形式加以利用。而人工智能技术是信息技术发展的一次重大飞跃。信息技术教育未来发展的趋势必然是向机器人教育重心转移。（5）机器人教育的普及，将引起人类教育的重大变革。主要表现在：有肋于构建新的教育哲学与教育体系；有肋于改革教育思想、方法、课程、教材与评价体系；有助于提高教育质量。3机器人学科教学3.1为什么要开展机器人学科教学机器人学科教学，是指把机器人学看成是一门科学和一种现代社会成员应该掌握的文化，在各级各类教育中，以专门课程或学科渗透（整合）的方式，使所有学生都掌握关于机器人学的基本知识与基本技能。加强机器人学科教学，具有如下几个方面的必要性：（1）普及机器人知识的需要。要破除对机器人的神秘感，提高全社会对机器人的认识，促进机器人在社会各领域的应用，必须通过加强机器人学科教学，使机器人知识普及化。（2）提高机器人应用水平的需要。机器人的应用中，存在着着编程控制、管理维护、人机关系等一系有待处理的工作。只有操作者了解机器人的原理、结构、功能、使用方法、注意事项，才能提高机器人的应用效能。（3）提高机器人研制能力的需要。机器人的研制，需要一大批懂得多学科知识的专门人才，特别是要不断学习与应用最新科研成果。这有赖于多形式多层次的机器人教育。（4）加强机器人专业建设的需要。开展机器人学科教学，有助于为机器人专业建设创设良好的环境。机器人学科课程、教材、教法的研究，能为机器人专业系列课程的改革提供参考。（5）深入开展信息技术教育的需要。开展机器人教育，有助于克服信息技术教育的一些弊端。一是避免片面强调软件工具应用技能的学习而造成的程序设计思维素质培养的缺失。二是避免重“软”轻“硬”、重模仿轻创新、重实践轻理论。（6）与国际接轨的需要。日本、美国等一些发达国家高度重视机器人学科教育对高科技社会的作用和影响，已在信息技术课与课外科技活动开设了有关机器人的课程内容。要赶超世界教育先进水平，必须大力加强机器人教育。（7）迎接智能机器人时代的需要。据预测，21世纪中期，人类社会将全面进入以智能机器人为代表的智能时代。最近10年，有关机器人的研究与应用水平将取得重大突破。机器人的广泛应用将极大促进社会生产力的发展与产业结构的调整；机器人的制造与销售将成为一个新的经济增长点。开展机器人教育，有助于使我们不至于在机器人时代落伍。3.2机器人学科教学的目标、内容、模式与方法3.2.1机器人学科教学的目标（1）知识方面：了解机器人软件工程、硬件结构、功能与应用等方面的基本知识。（2）能力方面：能进行机器人程序设计与编写，能拼装多种具有实用功能的机器人，能进行机器人及智能家电的使用维护，能自主开发软件机器人。（3）情感方面：培养对人工智能技术的兴趣，真正认识到智能机器人对社会进步与经济发展的作用，积极参加机器人编程比赛、机器人足球赛、机器人百科知识赛等各种课外活动。3.2.2机器人学科教学的内容模块一机器人概况包括：机器人概念、机器人原理、机器人历史、机器人与人、机器人与社会等内容。模块二机器人编程包括：学会使用Java、VisualC++/C、VBasic、QBasic、MSWLOGO、PROLOG等编程语言及编程平台的使用，学会数据库程序的编写，能面向问题、面向代理进行编程设计，能开发出实用机器人程序。模块三机器人硬件了解机器人的硬件结构体系，重点了解其机械结构、驱动系统、控制系统、感觉系统、通讯系统的原理与结构，学会机器人的模块化组装、控制与维护方法。模块四机器人应用了解机器人的功能、应用领域、应用方法与效能，了解机器人以及其他智能电器的操作、使用与维护方法。能在各种机器人知识与能力竞赛中，创造性地综合运用所学知识。3.2.3机器人学科教学的模式机器人学科教学的模式主要有两种：一是专门课程模式，二是学科整合专门课程模式有如下特点：①在学校教学计划与课程安排中有“机器人”方面的专门课程，如“机器人编程”、“机器人应用”、“机器人概论”、“机器人学”等。②配有专业教师。③每周按课表开展一系列的有关机器人的课堂教与学活动。④有课程评估考核要求。杭州市浙江大学附属中学作了一次机器人学科教学的尝试，已取得较为成功的经验。他们于2002年下半年对保送生班的计算机课改成为“机器人编程课”，并自编了《信息技术——智能机器人教程》教材。该教材以“纳英特积木式机器人”这种较简单的教学用编程机器人为主要教具，共安排了16课内容。包括：机器人的定义、分类，“纳英特积木式机器人”的结构、组装、运行环境、随机软件，C语言编程与对“纳英特积木式机器人”的运行控制，机器人的发光、发声、探测等实用程序的编写，未来机器人展望等。学校还建立了机器人实验室。学科整合模式是指将机器人教学内容整合到其他课程的教学中，以其他课程的形式开展机器人学科教学。例如，在自然、劳技、物理、语文、信息技术、人工智能等课程中，都可安排一定的章节，介绍机器人的某一方面的知识与技术。华东师大陶增乐教授在全国高等师范计算机教育研究会举办的“2001全中学小学信息技术教育研讨会”上，作了题为《对信息技术课程建设的思考（提纲）》的报告。他在报告中提出中小学信息技术课程应以“信息科技素养”为宗旨，在小学、初中、高中的教学中贯穿四条主线：“网络通信基础知识的学习和应用”、“算法与程序设计能力的培养”、“常用软件工具的使用”、“技术与课程的整合”。其中的“算法与程序设计能力的培养”中，要求学生能编制简单的机器人程序。（1）拓展实践1：自制能说会听的教学机器人如果你的学习条件较好，拥有一台带声卡、话筒、音箱的多媒体电脑，你不妨在电脑上安装语音识别与合成系统，让电脑学会听懂你的语言，并能说话与唱歌。然后命令电脑进行各种以前你必须用键盘和鼠标才能完成的工作。例如，让电脑充当你的秘书，记录你口述的文章。或让电脑充当钢琴演奏家，自动弹奏美妙的歌曲。还可以安装英语学习软件，让电脑充当老师，自动纠正你英语发音练习中的错误。有趣吗？此外，你能在电脑上安装摄像头、图像识别系统，使电脑能识别你的头像、理解你的喜怒哀乐等情感吗？（2）拓展实践2：寻找“智能代理”机器人目前，智能代理（Agent）技术在计算机中已有较广泛的应用。如“Office助手”中的“大眼夹”，瑞星杀毒软件中的“安全助手”黄毛狮等。它们可以跟踪检测软件运行状态、智能推测帮助主题、自动采取杀毒行动。比一比：看谁找到的这种“智能代理型”机器人的种类最多，看谁能讲清楚其设置与使用方法，看谁能发现其源程序。（3）拓展实践3：给“机器人”在网上安个家实践目标：①学习专题网站的设计、制作、使用方法。②综合本研究性学习单元的研究活动成果。③培养基于网络的学习与研究能力。实践过程：建立机器人专题网站的过程，可分为6个基本步骤（略）。3.2.4机器人学科教学的方法机器人学科教学的方法很多。各种基本教学方法与综合性教学方法几乎都可用于机器人学科教学。某一方法的具体选用中，应考虑教学目标的要求、教材内容的难度、教学对象的学习基础与教学条件的差异。其中，机器人基本理论知识的教学可采用讲授法，机器人编程的教学可采用实验法、任务驱动法，机器人哲学内容的教学可采用讨论法，机器人应用内容的教学可采用参观法、演示法，机器人设计、制作的教学可采用竞赛指导法、自主探索法等。4总结我国智能机器人的基础教育方兴未艾，有识的信息技术基础教育的决策者和工作者应该抓住这一教育改革创新的先机，将我国的信息技术教育推进到一个新的水平上。当今的教育是为以后的经济和社会发展打基础的。有超前意识的教育工作者，应该关注经济的发展趋势，思考未来社会对人才培养的需求，并为培养高素质的人才打好基础。