教育机器人在儿童智能开发中的应用研究 |
| 2012-07-03 11:07 作者：张宁 徐敏敏 吕翠萍 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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摘要：在介绍教育机器人的基础上，对儿童教育机器人的结构功能及应用做探讨，并对儿童智能要素进行分析，在结合教育机器人的安装与比赛，对儿童智能要素开发训练与培养进行研究。
关键词：智能开发；机器人；智商
中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1671—7597（2012）0120
【《硅谷》杂志2012年1月刊文】
1教育机器人简介及功能分析
1.1教育机器人简介
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，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。在发达国家，尤其是英、美、日等国家，已将机器人作为一种教学辅助工具，上至高等院校，下至中小学、幼儿园，都正在积极开展机器人相关的教研活动[1]。为适应未来科技社会对人才培养的需要，教育部从2003年起把中小学机器人比赛纳入全国中小学电脑制作活动中，同年颁布的普通高中新课程标准，又将“人工智能初步”及“简易机器人制作”列入教材内容[2，3]。
机器人是一种能够通过程序控制，自主完成某类任务的机器系统。教育机器人则是一类应用于教育领域的机器人，它一般具有以下特点：首先是教学适应性，符合教学使用的相关需求；其次是具有良好的性能价格比，特定的教学用户决定了其价位不能过高；再次就是它的开放性和可扩展性，可以根据需要方便地增、减功能模块，对学生进行智能开发和自主创新。
1.2儿童教育机器人功能分析
不同阶段学生的认知水平和教学要求各不相同，不同层次的教学对象需要选用不同的教育机器人产品，以便提供合适的功能、配件以及人机界面。那么，目前适用于中学生教学用机器人产品种类型号较多，适用于小学生（儿童）教学用机器人的种类型号则较少，无法满足教学的需要，只能作为玩具或工业产品使用。
小学阶段的机器人教育，定位于机器人启蒙教育，主要是让学生了解机器人应用价值，培养使用机器人的兴趣。考虑到小学生活泼好动、形象思维活跃、好奇心强等特点，该阶段的教育机器人，结构上应力求简单，通常采用较大粒度的零部件，避免使用小尺寸零件，每个零部件具有相对独立的功能。材料选用上考虑结实、耐用、安全。外观具有一定的形象性，易于辨识，方便装配。整机功能不宜复杂，性能上要求稳定、可靠。
在机器人本体设计方面，主要体现在插件应用上，对于机械传动系统与电路控制系统可选用积木式、插件式或变形式三种类型。功能的集成化设计，零部件的积木式、插件式和变形设计，有利于小学生凭自己的想象任意搭建机器人，设计出形态各异、功能丰富的作品。
在人机交互方面，强调具有易用性、趣味性、益智性和反馈性。通过综合利用发声（如警报、音乐、语音等）、发光、运动（如旋转、移动等）等多种途径，激发孩子的好奇心和求知欲，引导小学生去做进一步的探索和思考。在程序传输方式上主要基于传输线把指令导入到实体机器人存储器中，传输功能界面应尽量形象直观。
2儿童智能要素分析
2.1智能
智能顾名思义，智力和能力。传统的智能定义为注意力、观察力、想像力、记忆力和思维能力的集合。现代我国教育学家认为：智能是指学生通过知识的学习、并运用知识来适应社会，改造社会的能力。
2.2智能要素分析
儿童智能开发的类型较多，相对于各种智能开发类型的要素也很多，为了便于确定智能开发的具体内容，必须较为准确地找出各智能类型与其对应的具体智能要素，以保证系统、全面、准确的对儿童实施有效的智能开发训练与培养。
根据智能要素分，它包括观察力、想象力、注意力、记忆力和思维能力等五大要素。
1）观察力：具体的讲，观察力是指大脑对事物的观察能力。它包括对自然环境与自然现象的观察、社会环境与社会现象的观察等。从空间的角度分析，它包括平面观察、立体观察；从形态的角度分析，又包括静态观察与动态观察。
2）想象力：想象力是人对头脑中以有的表面进行加工改造，并创造出新形象的过程。其功能有预见作用、对认识的补充作用、对情绪的调节作用等。它包括空间想象力、联想能力、组合能力、假设能力、等智能要素。
3）注意力：注意力是指个体的心理活动对一定对象的指向和集中。其基本功能是信息选择，它包括无意注意、有意注意和有意后注意。
4）记忆力：记忆力是指人对过去经历过的事物的反应，记忆是一个复杂的心理过程，它包括识记、保持、再认和再现三个基本环节。按记忆的内容分类有：形象记忆、逻辑记忆、情绪记忆、运动记忆四种。
5）思维能力：思维是人脑对客观现实概括的、间接的反应，是认识的高级形式。它包括直观动作思维、形象思维、逻辑思维三种类型及这些思维的相应能力。
3基于教育机器人应用的儿童智能开发
3.1观察力的培养与训练
通过对各式各样机器人的观察，了解机器人的功能。如“寻迹机器人”能准确地沿着规定的线路前进；“爬行机器人”可在平面或立体的情况下随意爬行，可用于高楼大厦的墙面清洁和粉刷，用于地下管道的故障的排除，用于危险环境下的特殊作业等；通过对机器人外观形状、功能及结构组成进行观察，可充分了解各种机器人的软硬件配置、操作与控制方法、比赛情景等。通过这些观察激发了儿童的兴趣，使儿童产生试制机器人的想法，在此想法下对简易机器人进行安装、调试与试用，在机器人安装过程中，会发现各式各样的问题，针对这些问题逐一解决，边解决问题、边安装、边调试直至安装成功，最后开始试用或者比赛。上述这些观察、试制与使用过程，对儿童的观察能力、思维能力与实践能力有较大的促进和提高。
3.2想像力的培养与训练
如通过“足球机器人”对抗赛，可很好的培养儿童的想像能力，首先学会灵活使用自己安装调试的机器人，保证完成踢球及其它功能；同时还要保证有足够灵活性用于拦截对方的足球。通过对抗赛充分了解对方与自己足球机器人的功能与灵活程度，为了保证胜利，必须实现比对方更高水平、更加灵活、更加准确的进行投球与拦截球，上述这些功能的实现是通过可视化软件编程来实现，这些软件的编程与实现充分调动了儿童的想像能力，该想像能力既要联系硬件，又要结合软件；既要了解自己的机器人，又要了解对方的机器人；既要有高水平的硬件搭建能力，又要有良好的软硬件控制能力。上述这些能力的实现对儿童的想像力进行了从逻辑数学、到实践活动、再到应对比赛的全方位的、系统的开发培养与训练。
3.3注意力的培养与训练
机器人的核心功能是单片机控制下的软件实施与硬件执行功能，软件水平的高低决定了机器人制作水平，因此要做出一台高水平的机器人，必须有适合该机器人硬件平台的软件。儿童用机器人软件一般是可视化编程，在编程过程中必须高度集中注意力通过可视化指令，来实施每一项动作、技能与功能，针对每一个动作可能有几条语句来完成，这些语句的顺序、结构和执行过程必须与动作、技能准确的一一对应，否则就会出现误动作，难以保证比赛过程中的准确、灵活，难以保证在自己边进攻、边防守、边拦截的情况下的有效对抗比赛。编程过程如果不注意将数学建模准确的转换为计算机语言，同样很难实现各种动作技能与功能。上述机器人的制作与功能实现，特别是动作技能与各程序语言的一一对应、数学模型与计算机语言的准确对应，对培养儿童的注意力有着较好的开发与培养作用。
3.4记忆力开发培养与训练
足球机器人的比赛胜败由以下关键动作所决定：一是自己制作的机器人踢球动作与灵活控制；二是要准确观察对方机器人的动作与功能实施；三是在充分了解对方机器人动作与功能的情况下进行准确的识别，并驱动自己的机器人去实施有效的对抗。上述所有动作要领都需要准确的记忆，并在此基础上灵活操作自己的机器人，所要这些对儿童的记忆力的开发培养与训练有着较好的促进作用。
3.5思维能力的开发培养与训练
在机器人比赛中，常常会发现一些较突出的功能实施技巧，这些技巧的实现充分体现了机器人开发制作过程中的创造力，如比赛中某机器人在进攻的同时，还有防守的功能，在识别判断同时，还可以充分估计到对方下一步的动作，上述这些功能在完成的同时，还要保证准确、灵活、有效的预测和对抗，这对儿童在机器人制作过程中，从装配到应用，从基本功能的实现到综合功能的应用，从自我功能的实现到既可实现自我功能，又可实现相应的对抗功能，所有这些功能的实现与实施对儿童的思维能力、创造能力有着较好的开发培养与训练作用。
4结束语
从机器人的安装、调试与制作，到机器人的对抗比赛等全过程，始终对儿童的观察力、想象力、记忆力、注意力和思维能力进行开发培养的同时，还培养了它们的团队精神，集体主义精神和荣誉感，促进了它们的控制能力、意志能力的提高。从机器人的制作到比赛的全过程中，儿童既需要动脑，实施创造与创新，又需要机敏的操作控制和较好的体力，特别是手、眼、脑三者良好的配合，在比赛过程中智力与体力两者相结合，在精力充沛的条件下，方可赛出水平。此时对儿童的健康与肢体协调能力也进行了系统的训练与培养。总之，通过机器人的制作与比赛，对儿童的智商、情商、健商、财商，德商等诸方面进行了综合的开发与训练，达到了儿童智能开发的目的。
参考文献：
[1]张国民、张剑平，我国基础教育中机器人教育的现状与对策研究[J].现代教育技术，2008，18（5）：92-95.
[2]彭绍东，论机器人教育[J].电化教育研究，2002（6）：3-7.
[3]国家九年义务教育课程综合实践活动指导纲要（7-9年级）[EB/OL].http：//www.cn-teacher.com/fuwu/jyfg/200703/142790.html.
[4]中华人民共和国教育部，普通高中技术课程标准（实验）[M].北京：人民教育出版社，2003.
[5]郑和钧、邓京华等，高中生心理学[M].杭州：浙江教育出版社，1993.
[6]张剑平、王益，机器人教育的现状、问题与推进策略[J].中国电化教育，2006（12）：65-68.
[7]陈继荣，智能电子创新制作----机器人制作入门[M].北京：科学出版社，2007.
作者简介：
张宁（1985-），学士，助教，济宁职业技术学院艺术与设计系，曲阜师范大学毕业，专业方向：计算机科学与技术。（注：本文版权归作者本人和硅谷杂志所有，禁止他人未经授权转载）
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