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遠觀美國高校的機器人教育
遠觀美國高校的機器人教育
美國基礎教育領域中的機器人教育主要有四種形式:一是機器人技術課程,一般開設在技術類課程中,其中教育計劃與項目占大多數;二是課外活動,類似我國的綜合實踐活動課程;三是機器人主題夏令營等定期活動;第四種形式與前幾者不同,它主要利用機器人技術作為輔助性工具來輔助其他課程的教學或者作為一種研究工具來培養學生能力,與此同時學習機器人技術知識,也可以歸為特殊的機器人教育形式。
美國高校的機器人教育主要呈現出兩個趨勢:一方面,美國高校愈來愈多地開設了機器人相關的課程,另一方面機器人作為課程的學習平臺,已經慢慢應用于高校其他課程中。
麻省理工學院的機器人教育
 麻省理工學院(MIT)是美國私立研究性學院,世界著名的科學技術教育和科研中心。該學院在機器人技術領域成果頗豐:在1994年麻省理工學院(MIT)就設立了 “設計和建造LEGO機器人”課程(Martin),目的是提高工程設計專業學生的設計和創造能力,嘗試機器人教育與理科實驗的整合;同時,國外的一些智能機器人實驗室也有相應的機器人教育研究的內容。(源自于《《計算機世界報》》,作者 王樹國)
麻省理工學院涉及機器人教育的課程有認知機器人學、機器人學導論、自控機器人設計競賽、機器人編程競賽,結合各個專業所需以及當今機器人技術的應用領域,分別開設在航空航天學、機械工程學和電氣工程與計算機科學中。
(1)課程開設
麻省理工學院提供的機器人課程主要有兩類,一類是在整個學期中開設,例如,認知機器人學、機器人學導論;另外一類是在麻省理工學院的獨立活動期間(1AP)開設的,IAP是MIT從一月的第一個星期到月底為期4周的特別學習期,例如,自控機器人設計競賽和機器人編程競賽。在獨立活動期開設的課程沒有定期的課堂安排,學生只需要在規定的時間內完成相關的項目就可以了,并且部分課堂教學的參與也是自愿的。靈活的課程安排,學生有了更多的自主活動時間,并且能根據自己的需要選擇性的參與課堂學習來補充知識。
(2)課程評價
除了常規考試外,MIT機器人課程的學習都要求有實質性的成果,例如,在“自控機器人設計競賽課程”中,要想獲得學分,學生必須建立網頁來展示自己設計的機器人,陳述總體設計與獨到之處,完成作業并最終制作一個實體機器人。在“機器人編程競賽”課程中,要獲得6個選修學分,學生必須提交一個Robocraft選手作為自己的“實質性成果”,隨后根據該成果做出評價。如果要獲得6個工程設計分,團隊提交的選手必須打敗Robocraft軟件發布時自帶的參考選手對戰。在“機器人學導論”課程中,學生除了完成作業,參加期中、期末兩次考試以外,還必須完成相關的實驗與設計項目,在學期的不同時間需要搭建兩個不同功能的機器人:① 采礦機器人, 目標是建立一套搜尋算法能夠讓機器人自動搜尋、而且在找到礦藏后暫停在礦物上方;②圣誕老人機器人,它能沿著一條彎曲的路徑通過玄關進入機器人實驗室,用它的機械手臂將禮物送到多個房間, 以及從每個房間拿取餅干。在“認知機器人學”課程中,學生需要完成兩個項目:①選擇一個與機器人相關的主題做一份報告;②對認知機器人和嵌入智能系統中涉及的一兩個方法深刻認識后在這些方法的基礎上改進并創新應用。
俄勒岡州立大學的機器人教育
機器人作為學習平臺,已經慢慢應用于大學的課程中,俄勒岡州立大學電子工程與計算機科學系,分別在電子設計概念導論、電子基礎、數字邏輯設計、信號與系統、計算機原理與匯編語言、機械設計課程中使用TekBots機器人作為學習平臺。把TekBots整合進課程中,可以把課堂上學習的理論應用到機器人中,加深對理論的理解。例如在計算機原理與匯編語言這門課程中,讓學生使用TekBots調試自己的程序,觀察自己寫的程序及運用的概念是如何在實際設備中產生作用的。利用學習平臺有以下幾個作用:①加強課程連貫性:幫助學生理解各個學科之間的聯系,能讓學生綜合自己所學知識。② 提供理解課程的情境:通過學習平臺,使概念變的具體,并提供學生以解決復雜問題的情境。③形成學習共同體:有著共同興趣的學生形成學習共同體。④增加動手經驗:能為學生提供動手操作的空間。⑤模擬工程實踐:平臺提供一個工程實踐的模擬環境。
遠觀美國高校的機器人教育
美國學校機器人教育的特點
(1)機器人教育形式多樣
在美國高校中,機器人教育既可以通過課程來進行,也可以作為學習平臺。
(2)為學生創設自主發揮空間
大多數機器人課程都是以團隊為活動單位,在教師指導下以學生為中心開展活動。學生有較大的自主發揮空間。例如,MIT的“自控機器人設計競賽”這個課程完全由學生來運作,沒有教員來協助。“機器人編程競賽”也幾乎都是由學生操作,學生組成團隊,編寫機器人程序,參加比賽。學生自主性強,增加了學生的主動參與意識。
(3)評價方式多樣
 機器人課程的評價要注重學生在活動過程中的自我反思,多樣化的評價方式有助于全面反映學生在課程中所獲得的知識以及知識的靈活運用情況。評價可以根據學生的實驗與設計項目的完成情況,也可根據學生的實質性成果來進行。
(4)課程具有明顯的學科交叉性
由于機器人技術自身的綜合性和機器人技術應用領域的廣泛性,導致機器人課程跨學科、交叉性的特點十分明顯。高校的機器人教育更是作了具體規定,學生往往需要預修過若干先修課程。例如,MIT的“機器人學導論”要求預先學習“動力學建模與控制”課程,課程內容涵蓋了平面與空間運動學、動作規劃、機械手臂和移動機器人的結構設計、多剛體動力學、3D繪圖模擬、控制系統設計、傳感技術、無線網絡、人機接口、嵌入式系統等。有些機器人課程雖然沒有明確指定相應的先修課程,但由于課程本身涉及的知識面廣,如果沒有一定的基礎也是較難完成的,例如,MIT的“自控機器人設計競賽”課程涉及設計與制造、電子運算結構、電路與電子學、計算機程序的結構與應用等課程; “機器人編程競賽 課程要求有一定的JAvA編程基礎: “認知機器人”課程則需要預先學習過機率系統分析和人工智能技術、人工智能,或自治和決策原則中的任一門課程。
(5)涉及機器人技術的最新成果
這個特點在美國高校的機器人教育中表現的十分明顯。當今機器人技術在各個領域都發揮著它的作用,例如,美國航空航天局(NASA)的火星探測漫步者就是機器人技術在航空航天領域的一個典型應用。MIT航空航天學中的“認知機器人學”課程,正是通過對NASA的火星探路者、護士機器人、博物館導游等實際例子的討論來學習建模與算法, 以及研究算法是如何在這些系統中應用。該課程結合當前機器人技術的成果,加深了學生對相關理論和技術的理解。
(6)充滿趣味的“做中學”
美國機器人課程幾乎都有實驗課,學生借助各種工具平臺制作、組裝實體機器人或編寫、調試機器人程序,十分強調在做中學。例如,在“機器人編程競賽”課程的學習中,學生組成團隊開發機器人選手程序,在整個開發過程中結合了作戰策略與軟件設計,并用于參加比賽。“自控機器人設計競賽”也是個需要動手的“做中學”課程,參與者設計和制作機器人,在月底參加比賽。該課程需要學生設計出一個機器人,能夠在比賽場地行駛,識別對手。兩者最大的不同在于,一個是使用非實體機器人,即編寫一個機器人選手程序,一個是使用實體機器人,即制作一個實體機器人,從而實現不同知識點的學習。
在大力提倡素質教育的今天,如何通過有效途徑提高學生全面綜合能力一直是教育界探討的話題之一。機器人的出現為創新素質教育提供了一個嶄新的平臺。

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