為什麼要教教育機器人？

在過去的幾年裡，隨著教師和學校充分利用機器人技術的潛力，為設計、工程和技術教學提供實踐性強、引人入勝的方式，人們對教育機器人技術的興趣日益濃厚ⁱ。 教育機器人也被視為介紹和激勵學生在科學、技術、工程和數學 (STEM) 領域追求職業生涯的一種方式ⁱⁱ，由於越來越多的關注和投資，教育機器人的使用現在更加經濟實惠和強大給予媒介。 由此產生的技術進步極大地提高了該工具的可訪問性ⁱⁱⁱ。 事實上，從 20 世紀 90 年代初開始，隨著 CD-ROM 和 Microsoft PowerPoint 在課堂上的使用，機器人技術現在被一些人認為在課堂上發揮著與電腦類似的作用^iv。

隨著教育機器人技術的不斷發展，重要的問題也隨之而來。 這個令人興奮的新工具的最佳用途是什麼？ 我們如何建立最佳實踐？ 我們如何概念化教育機器人在課堂上的用途？ 這些問題可能比乍看之下更複雜。 回答這些問題可能會先產生比我們一開始更多的問題。 例如，學生是使用教育機器人作為媒介來展示他們的想法和思維，還是學生透過與媒介互動來創造想法和思維？ 教育機器人是學生展現能力的一種方式，還是學生以^對的方式建構新能力的基礎設施？ 也許考慮課堂上電腦使用的一個方面有助於更深入地了解該主題。

介質根據其應用可以有不同的範圍。 繪畫可以被視為一種媒介，可以用來畫柵欄或西斯汀教堂。 可以說，電腦作為媒介的多功能性更加巨大。電腦在課堂上的使用範圍非常有限，無論是作為計算器還是文字處理器，但它本身也被視為和接受為一種強大的交流手段。 正如 Mark Guzdial 所指出的，電腦可以被理解為古騰堡印刷機^vi的現代形式，並且可以被理解為思考其他領域的一種方式。 因此，電腦建模和演算法等技術對我們對數學和科學領域的理解產生了重大影響^vii。

那麼，教育機器人的範圍是什麼？ 教育機器人可以用作執行非常特定任務的預構建對象，而一些教育機器人系統允許學生成為設計學習的積極參與者，以及計算工件的創建者，而不是其他人製造的設備的被動用戶對於他們^viii。 這為教師提供了一系列獨特的機會。 因此，教育機器人成為一種媒介，為學生提供在學習中行使發言權和選擇權的機會，讓他們不僅參與解決問題，而且參與問題發現、問題建構、問題分析以及問題解決工作的規劃和監控。 那麼，教育機器人技術就會變得更大——一種媒介，幫助學生在為目前不存在的工作做準備時，應對等待著他們的複雜挑戰^ix，同時也是一種整合其他有價值的靈活性（例如溝通和協作）的方法）屬於更廣泛的 21 世紀技能。

學校實施教育機器人媒介的努力似乎產生了與推動這些措施的不同動機一樣多的表現。 一些學校使用此工具作為獨立電腦科學或 STEM 課程的組成部分，而其他學校則使用這種現代解決方案來補充傳統科目。 還有一些學校將其用作課後活動，然後利用「遊戲化」和競賽的激勵效果來提高學生的參與度和參與度。 就像學校學會不要將電腦的使用限制為昂貴的計算器一樣，教育機器人的使用也不應該受到感知到的限制的限制。

值得詳細探索的是教育機器人的以下用途：

• 了解我們的世界
• 以新穎的方式教授綜合 STEM 教育
• 教授計算思維
• 適應迭代並從失敗中學習
• 接觸並了解未來的工作

了解我們的世界

科學是對自然世界的解釋。 具有科學素養的學生能夠理解科學的概念和實踐。 因此，教授學生科學為他們提供了了解他們所居住的世界的機會。 這就是為什麼全國各地的高中課程都包括天文學、生物和化學等科目。 但是機器人技術呢？ 顯然，機器人在我們的日常生活中很普遍，而且這種流行率正在增加^x。 機器人相關技術的進步導致運算能力和資料儲存呈指數級增長^xi。 這使得機器人能夠根據其他機器人的經驗進行學習並做出決策。 機器人不再是執行簡單功能的機器。 此外，對機器人和機器人技術不斷增長的需求跨越了各個行業。 是的，工廠是許多機器人的家，但機器人現在在教育和娛樂環境中也更常見。 很可能在不久的將來，機器人將幫助許多老年人在家中獨立生活，從而創造一個新的「協作機器人」領域。^十二

學校理所當然地教授…光年之外的行星和恆星，但不教導許多人日常互動的技術。 這是一個挑戰，也是一個機會。 教育推動科學和創新。 生物學研究繼續帶來更好的治療和根除疾病^xiii。 如果機器人技術成為我們學校的核心學科，它可能會產生類似的影響。

以新穎的方式教授綜合 STEM 教育

教育研究人員表示，教師常常很難在 STEM 學科之間建立聯繫^xiv。 這對學校提出了挑戰，因為下一代科學標準具有跨越不同科學領域的交叉概念。 因此，學生將很難將通常單獨教授的概念轉移到他們在評估考試中看到的綜合背景中。 孤立地教導科學概念的另一個意想不到的後果是，它往往會創造一個學生脫節的學習環境。 他們在日常生活中看到的真實科學例子與 STEM 學科有著深度融合，而不是單一性。 STEM 教育的目標是幫助學生組織學科內和跨學科的訊息，能夠識別這些訊息中深刻的結構相似性和模式並進行推理；理想的結果是能夠將這種知識組織應用於日常生活中的複雜情況和問題^xv。

教育機器人可以充當教師和學校組織 STEM 教學的促進者，幫助應對這些挑戰。 由於教育機器人的範圍遠遠超出了可以給出簡單指令的玩具，因此利用教育機器人的教室可以為學生提供強大的工程和程式設計挑戰。

教授運算思維

在過去 10 年中，計算思維在 K-12 課堂中越來越受歡迎並被廣泛接受^xvii。 計算思維是下一代科學標準的一部分，也是現實世界數學和科學的重要組成部分。 計算思維被廣泛認為是任何 STEM 課堂不可或缺的一部分^xviii。

計算思維作為一個概念在學校內外越來越受歡迎，導致學校試圖尋找有效的工具來整合和教導學生計算思維。 相應的目標是擴大對深入研究計算思維的課程（尤其是計算機科學）的參與；解決這一主題領域的性別差距也是我們的一貫目標。 目前，女生約佔 AP 考生總數的一半，但僅佔 AP 電腦科學課程考生的 25%^xix

教育機器人可以成為教導運算思維的有效工具，同時也有助於擴大參與目標。^{xx xxi} 教育機器人技術的最新進展降低了成本並提高了易用性，使學生更容易使用它們，並逐漸成為學習抽象 STEM 概念的可靠方法。 因此，電腦科學和機器人技術之間的聯繫是顯而易見的。學生有能力對機器人進行編程，使其在課堂和競賽場上執行複雜的任務。 雖然複雜任務的執行可能是最終目的，但方法是將這些任務分解為更小的部分，然後迭代地將它們建構在一起以創建解決方案。 在課堂上，這個過程的鷹架至關重要，教育機器人可以有效地促進複雜任務的分解和鷹架，因此，機器人可以成為教授計算思維的有效工具，作為最初的計算思維工具。證據表明。^{xxii xxiii} 計算思維的有效教學還可以培養在不同領域應用計算思維的能力。 有效教授通用計算思維技能的能力，同時提供幫助進入這些領域的學生多樣化的方法，使教育機器人成為將計算思維融入學校和全民電腦科學運動的重要貢獻者。

適應迭代並從失敗中學習

工程設計和科學方法是相關的現象，但有重要的差異。 在科學中，重點是尋找描述我們的世界和宇宙行為的一般規則，而工程學則涉及尋找滿足該問題^xxiv中包含的所有約束的特定問題的解決方案。 有些人用「科學家研究但工程師創造」這句話來總結這種差異^xxv 在考慮創意過程時，我們必須認識到它通常對迭代有很大的依賴。

多次迭代對於旨在實現某些目標的工程想法和活動至關重要，無論是滿足/超越客戶期望還是參與競爭挑戰。 教育機器人活動固有的所需多次迭代已被認為能夠保持學生的興趣和持續的參與。^xxvi 此外，機器人套件本身的組成，包括許多可以快速組裝然後拆卸的不同部件，培養了一種迭代的態度。 因為多次迭代通常會解決「嘗試、再試一次」這一重要的人生教訓，學生們會從學習「失敗」可以被視為整個過程的一部分中獲益匪淺。 另一個廣泛適用的教訓是，從更抽像地看待該工具的附帶好處來看，教育機器人傾向於為最簡單的挑戰提供多種解決方案。 還有什麼比認識到同一問題確實有多種解決方案更能拓寬學生的視野呢？ 我們已經看到這產生了有趣的好處：學生請求老師回饋的可能性增加，學生理解他們所學內容的重要性的可能性也更高。^xxvii 這樣做的好處是複合的 - 教師以這種方式吸引學生可以提高學生的自我效能感，這是提高從失敗中學習的意願的關鍵因素。^二十八

接觸並了解未來的工作

改變是我們唯一不變的，對於工作的本質來說並不陌生。 1900 年，約 40% 的美國勞動力在農場工作。 今天這個數字只有 2%。xxix 如果這看起來太久遠、太遙遠，請考慮一下，就在 50 年前，普通工人在工作日還不需要讀書或寫字。^xxx 牛津大學工程科學系 2013 年進行的一項廣泛閱讀和討論的研究集中體現了當今的潮流，該研究估計，目前 47% 的工作崗位面臨著被自動化取代的風險。^xxxi

與昨天的就業破壞和就業創造的正常循環相比，當前擔憂的一個重要區別是「就業兩極化」。 這個術語適用於就業機會空心化，即對高技能和低技能工作的需求很高，但中等技能和中等工資工作的機會減少。^xxxii 這個重大問題可以追溯到日常工作的自動化，而答案包括透過創造性地致力於增強來承認自動化的必然性。 成功駕馭這股浪潮的企業是那些以靈活性和流動性做出反應、學習如何利用科技而不是逃避或反抗其令人生畏的存在和影響的企業。^xxxiii 作為教育工作者，我們也必須創造性地做出反應，尋找創新的解決方案來應對未來的不確定性。 中小學教育系統有責任承認即將到來的現實，並教授相關且有價值的技能，在目前的情況下，這可能意味著電腦根本不擅長。 其中包括創造力、人際交往能力和解決問題的能力，所有可以透過教育機器人的精細使用來培養的技能。^xxxiv

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