为什么要教授教育机器人?

Image_Asset_3.1__1_.jpg

在过去的几年里,随着教师和学校充分利用机器人技术的潜力,为设计、工程和技术教学提供实践性强、引人入胜的方式,人们对教育机器人技术的兴趣日益浓厚i。 教育机器人也被视为介绍和激励学生在科学、技术、工程和数学 (STEM) 领域追求职业生涯的一种方式ii,由于越来越多的关注和投资,教育机器人的使用现在更加经济实惠和强大给予媒介。 由此产生的技术进步极大地提高了该工具的可访问性iii。 事实上,从 20 世纪 90 年代初开始,随着 CD-ROM 和 Microsoft PowerPoint 在课堂上的使用,机器人现在被一些人认为在课堂上发挥着与计算机类似的作用iv

随着教育机器人技术的不断发展,重要的问题也随之而来。 这个令人兴奋的新工具的最佳用途是什么? 我们如何建立最佳实践? 我们如何概念化教育机器人在课堂上的用途? 这些问题可能比乍一看更复杂。 回答这些问题可能首先会产生比我们开始时更多的问题。 例如,学生是使用教育机器人作为媒介来展示他们的想法和思维,还是学生通过与媒介互动来创​​造想法和思维? 教育机器人是学生展示能力的一种方式,还是学生以的方式构建新能力的基础设施? 也许考虑课堂上计算机使用的一个方面有助于更深入地了解该主题。

介质根据其应用可以有不同的范围。 绘画可以被视为一种媒介,可以用来画栅栏或西斯廷教堂。 可以说,计算机作为一种媒介的多功能性更加巨大。计算机在课堂上的使用范围非常有限,无论是作为计算器还是文字处理器,但它本身也被视为和接受为一种强大的交流手段。 正如 Mark Guzdial 所指出的,计算机可以被理解为古腾堡印刷机vi的现代形式,并且可以被理解为思考其他领域的一种方式。 因此,计算机建模和算法等技术对我们对数学和科学领域的理解产生了重大影响vii

那么,教育机器人的范围是什么? 教育机器人可以用作执行非常特定任务的预构建对象,而一些教育机器人系统允许学生成为设计学习的积极参与者,以及计算工件的创建者,而不是其他人制造的设备的被动用户对于他们viii。 这为教师提供了一系列独特的机会。 因此,教育机器人成为一种媒介,为学生提供在学习中行使发言权和选择权的机会,让他们不仅参与解决问题,而且参与问题发现、问题构建、问题分析以及问题解决工作的规划和监控。 那么,教育机器人技术就会变得更大——一种媒介,帮助学生在为目前不存在的工作做准备时,应对等待着他们的复杂挑战ix,同时也是一种整合其他有价值的灵活性(例如沟通和协作)的方法)属于更广泛的 21 世纪技能。

学校实施教育机器人媒介的努力似乎产生了与推动这些举措的不同动机一样多的表现形式。 一些学校使用此工具作为独立计算机科学或 STEM 课程的组成部分,而其他学校则使用这种现代解决方案来补充传统科目。 还有一些学校将其用作课后活动,然后利用“游戏化”和竞赛的激励效果来提高学生的参与度和参与度。 就像学校学会不要将计算机的使用限制为昂贵的计算器一样,教育机器人的使用也不应该受到感知到的限制的限制。

值得详细探索的是教育机器人的以下用途:

• 了解我们的世界
• 以新颖的方式教授综合 STEM 教育
• 教授计算思维
• 适应迭代并从失败中学习
• 接触并了解未来的工作

了解我们的世界

科学是对自然世界的解释。 具有科学素养的学生能够理解科学的概念和实践。 因此,教授学生科学为他们提供了了解他们所居住的世界的机会。 这就是为什么全国各地的高中课程都包括天文学、生物和化学等科目。 但是机器人技术呢? 显然,机器人在我们的日常生活中很普遍,而且这种流行率正在增加x。 机器人相关技术的进步导致计算能力和数据存储呈指数级增长xi。 这使得机器人能够根据其他机器人的经验进行学习和做出决策。 机器人不再是执行简单功能的机器。 此外,对机器人和机器人技术不断增长的需求跨越了各个行业。 是的,工厂是许多机器人的家园,但机器人现在在教育和娱乐环境中也更常见。 很可能在不久的将来,机器人将帮助许多老年人在家中独立生活,从而创造一个新的“协作机器人”领域。十二

学校理所当然地教授…光年之外的行星和恒星,但不教授许多人日常互动的技术。 这是一个挑战,也是一个机遇。 教育推动科学和创新。 生物学研究继续带来更好的治疗和根除疾病xiii。 如果机器人技术成为我们学校的核心学科,它可能会产生类似的影响。

以新颖的方式教授综合 STEM 教育

GirlPowered_Workshop_DrivingRobot_web.jpg

教育研究人员表示,教师常常很难在 STEM 学科之间建立联系xiv。 这对学校提出了挑战,因为下一代科学标准具有跨越不同科学领域的交叉概念。 因此,学生将很难将通常单独教授的概念转移到他们在评估考试中看到的综合背景中。 孤立地教授科学概念的另一个意想不到的后果是,它往往会创造一个学生脱节的学习环境。 他们在日常生活中看到的真实科学例子与 STEM 学科有着深度融合,而不是单一性。 STEM 教育的目标是帮助学生组织学科内和跨学科的信息,能够识别这些信息中深刻的结构相似性和模式并进行推理;理想的结果是能够将这种知识组织应用于日常生活中的复杂情况和问题xv

教育机器人可以充当教师和学校组织 STEM 教学的促进者,帮助应对这些挑战。 由于教育机器人的范围远远超出了可以给出简单指令的玩具,因此利用教育机器人的教室可以为学生提供强大的工程和编程挑战。

教授计算思维

在过去的 10 年中,计算思维在 K-12 课堂中越来越受欢迎并被纳入其中xvii。 计算思维是下一代科学标准的一部分,也是现实世界数学和科学的重要组成部分。 计算思维被广泛认为是任何 STEM 课堂不可或缺的一部分xviii

“将计算思维实践引入科学和数学课堂的主要动机是这些学科在专业领域实践中的快速变化的性质。”

(BAILEY BORWEIN 2011;FOST ER 2006;HENDERSON 等,2007)

“在过去 20 年里,几乎每个与科学和数学相关的领域都见证了计算对应领域的发展。”

(WEINTROP 等人,2017)

计算思维作为一个概念在学校内外越来越受欢迎,导致学校试图寻找有效的工具来整合和教授学生计算思维。 相应的目标是扩大对深入研究计算思维的课程(尤其是计算机科学)的参与;解决这一主题领域的性别差距也是我们的一贯目标。 目前,女生约占 AP 考生总数的一半,但仅占 AP 计算机科学课程考生的 25%xix

教育机器人可以成为教授计算思维的有效工具,同时也有助于扩大参与目标。xx xxi 教育机器人技术的最新进展降低了成本并提高了易用性,使学生更容易使用它们,并逐渐成为学习抽象 STEM 概念的可靠方法。 因此,计算机科学和机器人技术之间的联系是显而易见的。学生有能力对机器人进行编程,使其在课堂和竞赛场上执行复杂的任务。 虽然复杂任务的执行可能是最终目的,但方法是将这些任务分解为更小的部分,然后迭代地将它们构建在一起以创建解决方案。 在课堂上,这个过程的脚手架非常重要,教育机器人可以有效地促进复杂任务的分解和脚手架,因此,机器人可以成为教授计算思维的有效工具,作为最初的计算思维工具。证据表明。xxii xxiii 计算思维的有效教学还可以培养在不同领域应用计算思维的能力。 有效教授通用计算思维技能的能力,同时提供帮助进入这些领域的学生多样化的方法,使教育机器人成为将计算思维融入学校和全民计算机科学运动的重要贡献者。

适应迭代并从失败中学习

_E33A2242.jpg

工程设计和科学方法是相关的现象,但又存在重要的区别。 在科学中,重点是寻找描述我们的世界和宇宙行为的一般规则,而工程学则涉及寻找满足该问题xxiv中包含的所有约束的特定问题的解决方案。 有些人用“科学家研究但工程师创造”这句话来总结这种区别。xxv 在考虑创意过程时,我们必须认识到它通常对迭代有很大的依赖性。

多次迭代对于旨在实现某些目标的工程想法和活动至关重要,无论是满足/超越客户期望还是参与竞争挑战。 教育机器人活动固有的所需多次迭代已被认为能够保持学生的兴趣和持续的参与。xxvi 此外,机器人套件本身的组成,包括许多可以快速组装然后拆卸的不同部件,培养了一种迭代的态度。 因为多次迭代通常会解决“尝试、再试”这一重要的人生教训,学生们会从学习“失败”可以被视为整个过程的一部分中获益匪浅。 另一个广泛适用的教训是,从更抽象地看待该工具的附带好处来看,教育机器人倾向于为最简单的挑战提供多种解决方案。 还有什么比认识到同一问题确实有多种解决方案更能拓宽学生的视野呢? 我们已经看到这产生了有趣的好处:学生请求老师反馈的可能性增加,学生理解他们所学内容的重要性的可能性也更高。xxvii 这样做的好处是复合的 - 教师以这种方式吸引学生可以提高学生的自我效能感,这是提高从失败中学习的意愿的关键因素。二十八

接触并了解未来的工作

变化是我们唯一不变的,对于工作的本质来说并不陌生。 1900 年,大约 40% 的美国劳动力在农场工作。 今天这个数字仅为 2%。xxix 如果这看起来太久远、太遥远,请考虑一下,就在 50 年前,普通工人在工作日还不需要读书或写字。xxx 牛津大学工程科学系 2013 年进行的一项广泛阅读和讨论的研究集中体现了当今的潮流,该研究估计,目前 47% 的工作岗位面临着被自动化取代的风险。xxxi

与昨天的就业破坏和就业创造的正常循环相比,当前担忧的一个重要区别是“就业两极分化”。 该术语适用于就业机会空心化,即对高技能和低技能工作的需求很高,但中等技能和中等工资工作的机会减少。xxxii 这个重大问题可以追溯到日常工作的自动化,而答案包括通过创造性地致力于增强来承认自动化的必然性。 成功驾驭这股浪潮的企业是那些以灵活性和流动性做出反应、学习如何利用技术而不是逃避或反抗其令人生畏的存在和影响的企业。xxxiii 作为教育工作者,我们也必须创造性地做出反应,寻找创新的解决方案来应对未来的不确定性。 中小学教育系统有责任承认即将到来的现实,并教授相关且有价值的技能,在目前的情况下,这可能意味着计算机根本不擅长。 其中包括创造力、人际交往能力和解决问题的能力,所有可以通过教育机器人的精细使用来培养的技能。xxxiv


iAlimisis,Dimitris,编辑。 机器人技术的教师教育——增强的建构主义教学方法。 师范与技术教育学院,2009。

iiEben B. Witherspoon、Ross M. Higashi、Christian D. Schunn、Emily C. Baehr 和 Robin Shoop。 2017. 通过虚拟机器人编程课程培养计算思维。 ACM 翻译。 计算。 教育。 18、1、第4条(2017年10月),20页

iiiEben B. Witherspoon、Ross M. Higashi、Christian D. Schunn、Emily C. Baehr 和 Robin Shoop。 2017. 通过虚拟机器人编程课程培养计算思维。 ACM 翻译。 计算。 教育。 18、1、第4条(2017年10月),20页

iv“课堂上的计算机”。 维基百科,维基媒体基金会,2018 年 6 月 10 日,en.wikipedia.org/wiki/Computers_in_the_classroom。 v 大卫·温特罗普和乌里·维伦斯基。 2017. 高中计算机科学课堂中基于块和基于文本的编程的比较。 ACM 翻译。 计算。 教育。 18、1、第 3 条(2017 年 10 月),25 页。

vi古兹迪尔,马克。 以学习者为中心的计算机教育设计:面向所有人的计算机研究。 摩根 & Claypool 出版社,2016 年。 vii Weintrop, D.、Beheshti, E.、Horn, M. 等人。科学教育技术学报(2016)25:127。 https://doi.org/10.1007/s10956-015-9581-5

viiiMartin, F.、Mikhak, B.、Resnick, M.、Silverman, B. 和 Berg, R. (2000)。 头脑风暴及其他:神奇机器构造套件的演变,摩根考夫曼互动技术系列,儿童机器人:探索学习新技术,页数:9 - 33

ix赫罗德,本杰明。 “工作的未来不确定,学校现在应该担心。” 教育周,2017 年 9 月。

x霍伊斯,尼克。 “机器人在日常生活中的现实。” 伯明翰大学,2018 年,www.birmingham.ac.uk/research/perspective/reality-of-robots.aspx。

xi当,桑吉特。 “机器人革命才刚刚开始。” TechCrunch,TechCrunch,2018 年 6 月 4 日,techcrunch.com/2018/06/03/the-robot-revolution-is-just-beginning/。 xii 约翰逊,R 科林。 “‘协作机器人’有助于提高人类生产力。” 《电子工程时报》,2012 年 8 月 12 日。

xiii“生物学领域的 5 项突破性突破。” Brainscape 博客,Brainscape 博客,2017 年 5 月 26 日,www.brainscape.com/blog/2015/06/biology-breakthroughs-and-discoveries/。

xivKelly、Todd R 和 J. Geoff Knowles。 “综合 STEM 教育的概念框架。” 国际 STEM 教育杂志,2016 年 7 月 19 日。

xv亲爱的,玛格丽特等人。 K-12 教育中的 STEM 整合:现状、前景和研究议程。 美国国家科学院出版社,2014 年。

xviiEben B. Witherspoon、Ross M. Higashi、Christian D. Schunn、Emily C. Baehr 和 Robin Shoop。 2017. 通过虚拟机器人编程课程培养计算思维。 ACM 翻译。 计算。 教育。 18、1、第4条(2017年10月),20页

xviiiYadav、Aman 等人。 “教师教育的计算思维”。 ACM,2017 年 4 月 1 日,cacm.acm.org/magazines/2017/4/215031-computational-thinking-for-teacher-education/fulltext。

xix“计算机科学领域的女性”。 ComputerScience.org,www.computerscience.org/resources/women-incomputer-science/。

xxHamner、Emilu 等人。 “机器人日记:通过社会技术探索扩大计算机科学管道的参与。” 人工智能促进协会。

xxiA. Melchior、F. Cohen、T. Cutter 和 T. Leavitt。 2005. 不仅仅是机器人:对第一届机器人竞赛参赛者和机构影响的评估。 布兰迪斯大学海勒社会政策与管理学院,马萨诸塞州沃尔瑟姆。

xxiiEben B. Witherspoon、Ross M. Higashi、Christian D. Schunn、Emily C. Baehr 和 Robin Shoop。 2017.
通过虚拟机器人编程课程培养计算思维。 ACM 翻译。 计算。
教育。 18、1、第4条(2017年10月),20页

xxiiiLiu, A., Schunn, CD, Flot, J., & Shoop, R. (2013) 物理性在丰富的编程环境中的作用.. 计算机科学教育,23(4), 315-331

xxiv专业、学校。 “科学方法与工程设计过程。” Schoolyard,2017 年 11 月 15 日,blog.schoolspecialty.com/scientific-method-vs-engineering-design-process/。

xxvKatehi、Linda PB 和 Greg Pearson。 K-12 教育工程:了解现状并改善
前景。 美国国家科学院出版社,2009。

xxviSilk,EM,Higashi,R.,Shoop,R., & Schunn,CD (2010)。 设计教授数学的技术活动。 技术老师,69(4),21-27

xxviiMarzano、Robert J.、Debra Pickering 和 Tammy Heflebower。 高度参与的课堂。 印第安纳州布卢明顿:马扎诺研究,2011 年。 打印。

xxviiiMarzano、Robert J.、Debra Pickering 和 Tammy Heflebower。 高度参与的课堂。 印第安纳州布卢明顿:马扎诺研究,2011 年。 打印。

xxxx威廉,迪伦。 创建我们的孩子需要的学校:为什么我们现在所做的没有多大帮助(以及我们可以做什么)。 国际学习科学,2018。

xxx威廉,迪伦。 创建我们的孩子需要的学校:为什么我们现在所做的没有多大帮助(以及我们可以做什么)。 国际学习科学,2018。

xxxi弗雷、卡尔·本尼迪克特和​​迈克尔·奥斯本。 “就业的未来:工作对计算机化的影响有多大。” 2013 年 9 月 17 日,第 1-72 页。

xxxiiCanon、Maria E. 和 Elise Marifian。 “工作两极分化导致中等技能工人被排除在外”圣路易斯联储。” 圣路易斯联邦储备银行,圣路易斯联邦储备银行,2017 年 12 月 4 日,www.stlouisfed.org/publications/regional-economist/january-2013/job-polarization-leaves-middleskilled-workersout-in-the -寒冷的。

xxxiii拉曼,艾米·伯恩斯坦阿南德。 “伟大的脱钩:埃里克·布林约尔松 (Erik Brynjolfsson) 和安德鲁·麦卡菲 (Andrew McAfee) 访谈。” 《哈佛商业评论》,2017 年 3 月 13 日,hbr.org/2015/06/the-great-decoupling。

xxxiv拉曼,艾米·伯恩斯坦阿南德。 “伟大的脱钩:埃里克·布林约尔松 (Erik Brynjolfsson) 和安德鲁·麦卡菲 (Andrew McAfee) 访谈。” 《哈佛商业评论》,2017 年 3 月 13 日,hbr.org/2015/06/the-great-decoupling。

For more information, help, and tips, check out the many resources at VEX Professional Development Plus

Last Updated: