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这种不考试,以娱乐为主的机器人教育对于中小学生及幼儿的意义何在? 第1页

  

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这个答案尾部包含一份机器人教育领域的广告,答案内容我尽量保持客观、不受广告影响。因为一位有十多年交情的好友相托,所以破例在知乎发一份带有硬广的答案。请公关机构不要再给我发“要不要合作”的私信了,统一答案是“不要”。

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机器人教育是个很有意思的问题。因为仿佛它是一种很专精的教育,只和机器人有关。但实际上并非如此。它的主要意义在于让学生通过制作机器人而学以致用,让他们能够理解自己所学的知识是有用途的,是有意义的。这不但激发了学生动手制作和学习理工知识的热情,而且很好的解答了很多学生和家长都有的“学这么多乱七八糟的有什么用,买菜又用不到”的疑惑,自然也就让学生更愿意去学习知识。再者,一些复杂项目往往需要一个团队来集体完成,这也能锻炼孩子的团队协作能力。尤其是学生之间展开竞赛,更是能激发学生的热情。所以,我觉得这是一个值得开展的活动。

机器人教育这个概念大概是从美国传过来的。

我第一次接触机器人教育是在读博士的时候有一年系里群发邮件说有没有人愿意指导初中生用乐高搭机器人。我觉得这挺有趣,就报名了。于是每周六下午都要去一趟本地的一所小中学,指导一个初中生用乐高Mindstorm(这个确实挺好玩,但也挺贵……)做机器人。后来才知道他要参加的是FIRST Lego League。

美国是一个理工科教育存在极大问题的国家。其中以数学教育问题最大,大量学校非常讲求对于数学的直观理解,而忽视了抽象思维的教育,以及重复练习的价值。于是很多美国学生都对数学望而生畏。美国很多人认为数学学得好是特殊情况,而数学学不好才是正常情况。而且,理工科让很多人觉得距离自己很远,大量的数理化理论学习也让人看不到实际的应用和意义(这在中国也是个很大的问题)。所以美国大学理工科一向人员紧缺。

美国在中小学并不是没有开展理工科方向的兴趣活动。比较经典的有水火箭(给大可乐瓶里面灌上水,然后充气,最后释放,用高压气将水排出,形成升力,一般用于讲解气压、反冲、动量等等),用木制雪糕棒或者火柴搭建桥梁(用于讲解初步理论力学、或初步材料力学)等等。

这些活动有趣归有趣,但一点都不酷。

美国文化带有一定的反智内涵。中学往往是所谓Cool Kid最受欢迎。对理工科感兴趣的学生往往会被称为怪胎geek或者书呆子nerd(geek其实是个贬义词)。于是很多孩子天然就不愿意对理工科涉入太深,以免被别的孩子认为不酷。这个趋势我国近些年也出现了。

1989年的时候美国知名发明家Dean Kaman(也是后来两轮平衡车的发明人)为了改变这一状况,发起了FIRST。FIRST是For Inspiration and Recognition of Science and Technology的缩写,翻译过来大概是“为了对科技的激发和认知”。

这个活动就是要把理工科变酷,要让科技看起来非常酷。

FIRST的活动基本涵盖了各个年龄段的机器人教育内容,我们就以FIRST来讲解一下机器人教育的类型。它大致有四个不同年龄段的比赛。FLL Junior (FIRST Lego League Junior,FIRST乐高联赛儿童赛,幼儿园至三年级),FLL(FIRST Lego League,FIRST乐高联赛,四年级到初中二年级),FTC(FIRST Tech Challenge,科技挑战赛,初一到高三)和FRC(FIRST Robotics Competition,FIRST机器人竞赛,初三到高三)。

FLL Jr. 是最初级的活动,有点像美国小学生的“科学节”(Science Fair),学生为一定的目标而用乐高组件搭建一个小机械或者小场景,并制作海报来向评委和其他参赛者展示自己的作品。这个阶段主要是让孩子觉得做起来有趣。


FLL针对的是动手制作能力较弱的小学、初中生。让他们用乐高组件直接搭建具有一定功能的小机器人,用mindstorm的“连连看”式的编程软件实现遥控小机器人运动。最后竞赛的内容一般都是抓取什么东西,识别物体,把这个放到那里,把东西堆起来,爬上一个台阶。诸如此类。一般都是学校雇佣老师来指导学生制作,也有像我参与的活动那样,在邻近大学寻找志愿者。这种竞赛一般都是非对抗性的,以分数或速度来定胜负。这个阶段,实际上就以简洁的对抗、竞争来加强孩子参与的动力。




到了FTC,比赛就开始严肃起来。学生要自行选择材料和执行机构,自行设计小机器人来完成一定任务,比赛仍然是非对抗性的,以计分为衡量胜负的标准。但是每次比赛会需要多支队伍协作。FTC是作为FLL与FRC之间的过渡性活动而设立的。为了降低机器人的设计难度,竞赛主办方会提供一些现成的机器人组件,尤其是主控单元。这在FLL的基础上又加入了团队之间协作的内容。




FRC是FIRST最老牌也是最顶级的活动,第一届FRC于1992年举办。它面向高中生,要求学生组成团队,根据竞赛目标从零开始制作一台机器人,最终要进行三对三的对抗性竞赛。这牵扯到相对复杂的机械设计、理论计算、生产加工、编写程序等等。他们往往需要本地工程公司或大学派出志愿者进行技术指导。FRC的直接对抗竞赛,更近一步地加强了学生的动力,也使得活动变得十分刺激。我作为志愿者参与过三届犹他地区的循环赛,能看到学生们都很享受参赛的刺激与快乐。



这是比赛现场,这一年的比赛是射飞盘,红蓝双方各三支队伍,比赛过程中会将不同的队伍组合在一起进行对抗。地区循环赛会决出分数最高者进入全国总决赛。

这是一个另一个比赛

这应该是学校里的团队活动场地

这个比赛对于这群学生来说简直像狂欢节一样。每个队伍在后台都有自己的场地,他们常常摆出吃喝以及自己队伍的胸针。大量的学生都在愉快地交流。即便以成人的角度去看,这也是个相当有趣的活动。

我国公立教育依然资金有限,难以在各个学校直接开展此类活动。因此各类课外教育机构如雨后春笋般涌现。大部分都是用乐高或者一些成套的机械组件来让学生动手制作。这些机构良莠不齐,费用也不低,需要家长注意分辨。有志于送孩子出国读大学的,也可以选择一些能够指导学生组队参与FIRST比赛,尤其是FRC比赛的教育机构。这个经历有利于学生申请美国理工科专业。

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以下为广告,不喜勿看

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萝卜太辣(

萝卜太辣

)是一家由留学生创建的机器人教育公司。他们自行设计了机器人教育的硬件套装,并研发了编程环境。他们现在在国内的一些城市已经设立了学校。今年也指导西工大附中的团队参与了FRC比赛。另外他们也在招人(

萝卜太辣 RoboTerra 是一家什么样的公司? - 隋少龙的回答

)。有兴趣的可以自行了解。


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大概2000年的一个夏天。我爸从北京出差回来时神秘地塞给我一个大盒子。小学三年级的我,天真地以为会是一套许诺好的遥控汽车。但拆开就傻眼了,原来是一盒可以拼接的电子元件…比如小灯泡、风扇、电源...生活真是很轻易就击溃了一个小男孩,真的。

直到最近我才知道这玩具还有个官方学名叫「电子积木」,大概长这个样子(图一)。但让大家失望了,这个故事并没有什么励志的转折,九岁的我礼貌性玩了一会儿后便将其束之高阁,还因此跟我爸闹脾气,嫌他没给我带“真正的礼物”。

后来从课外班学到基础电学:诸如串联、并联。偶然间重新翻出那盒吃了灰的玩具,以前那些毫无意义的零件突然有了灵魂。一个新世界就此打开,升六年级前的整个夏天我都痴迷于拼装模型,从简单的小台灯到电风扇,到更复杂点需要用蜂鸣器的门铃,再到自己发明的各种四不像模型。

我当年的那套是把不同的元器件“按”在一块板子上(可以类比学校用的简化面包板),因此一切都被限制在有限的空间。为了能做更复杂的设计,我一度想让我爸再给我买一套一样的模型,这样就有双倍的元件来发挥了。那会最大的困扰就是板子的面积有限且连接线的数量和长度有限,能够创造的空间就被压缩在了这一亩三分地上。现在倒回头去看——可以把这个当作是娱乐化为主的机器教育最早的原始雏形,以及它所能带给一个小朋友的第一个思考——即如何在这些限制下拼出想要的模型。其实这跟约束优化(constrained optimization)有点相似,即在限制条件下达成特定目标,这是后话。

前一阵回国,小侄子在拼装玩具车,大概长这样(图2)。一开始我以为跟我们小时候的四驱车是一类产品,但很意外,后面突然出现了给玩具车“编程”的流程。读了说明书,才意识到现在小朋友的玩具已经“进化”到了可编程式的拼装机器人阶段。即机器人本身可拼装成多种形态,每种形态有特定的功能可以调用并组合。使用那款玩具配套的软件编程时,我第一反应是很像是本科上课给硬件做设计的Verilog,第二感受就是像现在很火的各种图形式机器学习系统。这类专门设计给小朋友的编程工具避免了繁杂的编写过程,而把重点放在了逻辑上去。

换句话说,我觉得电子积木或者可编程式机器人的另一个不可忽视的作用就是「培养逻辑思维」。——小朋友们可以在硬件拼装的基础上根据自己的逻辑进行图形化编程,完成从前进、投球、避障等一系列功能。如帮助小朋友理解为了实现目标D,那我们需要把任务拆分成A、B、C,并逐步完成,这个思路和程序开发过程中的解构任务,模块化编程如出一辙。所以即使这类娱乐性机器人并不能帮助到应试或者升学,但也足可以帮助孩子们学会分解问题,理解复杂问题得本质其实都是一个个单一的元素,而能够正确组装的前提就是正确的理清了问题的逻辑。孩子们越早能理解这个问题的重要性,就越容易应对生活中的各种事情。跳脱出编程,其实现在最火热的机器学习项目也是这样。如果我们的目的是预测明天是否下雨,那么就要首先分析什么可能和下雨有关,是今天的湿度?还是现在的季节?还是季风的运动轨迹?我们可以拿到什么数据,怎么建模?一切都是从最基本的最小元件入手,通过逻辑建模,并得到有意义的结果

在陪侄子一起拼机器人和编程时,被“安利”看了一些智能拼装机器人相关的视频和综艺。只在浙江卫视看过《中国好声音》的我,竟然津津有味的看了两期《铁甲小雄心》的综艺。节目主要内容就是由机器人导师和铁甲大神带着小朋友们设计、编程、控制智能机器人完成特定任务和进行对抗。虽然其中用到的技术并不高深,但这种程度的创新在综艺里看到真是一股清流。这其实就是我的第三层认知:小孩子们早一点接触机器人教育,就可以在更早的年龄锻炼思维,积极发挥想象力和自主创造力,比如节目上很多小朋友,只要充分了解比赛规则和不同智能机器人的优势后,就可以将学习到的机器人运输结构知识点(轮式、履带式、多足式)运用到智能机器人的障碍越野比赛中。其实科学本身就需要一场祛魅的过程,并不是只有成年人才可以做出有意义的创造。题外话,其实我小时候央视也转播过类似的比赛,比如不同大学的战队控制机器人进行足球赛等。但将挑战目标改变,下放到更小的年龄群中,算是这个夏天让我眼前一亮的节目,在后选秀时代显得非常特别。毕竟在我那个时代,给我智慧和创新启示的节目是《四驱兄弟》和《哆啦A梦》,以及《每日农经》(笑)。

如果再跳回到那个沉迷于电子积木的夏天,我可能也很难说出这件事直接给我的人生带来了多大的影响。但我的高中的确选择了理科,而从本科到博士学习也都选择了计算机相关的方向,所以我想它或多或少对我的专业选择有一些兴趣指导或者潜移默化的作用。其实绝大部分人都一样,就像那年沉迷的电子积木,如果能把抽象的电路概念具象化到制作一个四不像的模型上,往往之后就会明白自己是否真的喜欢这个领域。于我而言,就是那些曾经看不到摸不着的东西比如电流变的触手可及,近在眼前,就在我设计的板子上流淌

即使抛开兴趣和逻辑思维培养的作用不提,我觉得这类玩具的另一个意义就是体验go beyond(突破规则)的乐趣,也就是创造的乐趣。拿我自己为例,把说明书上的各种组合拼完后,我很快就开始考虑设计我自己的感兴趣的组合,比如一边亮灯一边报警的门铃,比如摩斯密码灯,这些都是说明书上所没有的。而这一切的的源头都是在动手过程中我们不断问自己的:“然后呢?”所以我觉得回到这个问题的开始,教育的本质并不是为了应试,应试只是其中一个无法回避的流程。但真正的有意义创新往往不来自于应试,而是由兴趣驱动的。我曾经分析过我们的初级教育需要更多的对于统计与概率培养(为何中国的中小学数学教育如此轻视统计和概率?)。或许现在我可以进一步完善这个答案,即把「培养逻辑思维和好奇心并学会go beyond(突破规则)」,作为更高一层的目标。

一直很喜欢《太空漫游2001》里的一句话,大意是:“当第一只猩猩抬头仰望天空时,人类诞生了。”



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“出发点”和“意义”都可以说的很高大上,但是实际情况和理论是两回事。

我曾经当过市中小学航模比赛的裁判,一开始我们几个人都认为这货是高大上吊炸天科技含量很高的玩意,直到我们分配了项目,这才傻逼了。我分配到的是雷鸟号橡筋动力组,飞机就是下图这货,所有的学生都是买来一样的泡沫飞机,扭上橡皮筋扔出去,碰运气谁飞的远谁赢……除了这货以外,就一个室内纸飞机项目(反倒技术含量更高),还端了几个遥控飞机作为表演项目。

后来信息技术教研提倡搞机器人教育,我也去了解了一下,基本就两种,一种就是用玩具几十倍的价钱买个破玩具,一种是买一堆电路板、传感器和其他零件来自己编程做机器人玩的,后一种真的有点技术含量的我的学校这些孩子明显玩不转,碰到比赛啥的还是得自己做东西充学生作品,我没和领导提这事,一来没啥意义,二来若是我主动提了而领导准了这就是我的事情了,我得增加50%工作量放弃所有休息时间而没有工资。这些玩意确实是娱乐性质,流行开来也是有原因的,学校追潮流时尚什么航模机器人看起来高大上,小孩子乐的不用上文化课玩个开心,家长觉得和国际接轨素质教育了,商家狠狠赚了一笔,虽然并没有什么卵用但是皆大欢喜。

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不久前去培训机器人编程了,然后去参加基地建设培训会议了,上级要求强推机器人教育,各校要在近期把需求报上去建工作室,然后等待验收……如果不出意外的话,验收完以后那些昂贵的机器人就该在角落吃灰了。机器人编程非计算机专业老师都很难学会,更别说十岁以下小学的孩子了。

我这是浙江。学校用自己的教师,机器人这块由计算机老师带,由上级培训教师,不会外聘(教育局只给批设备经费,没有师资这一块的资金),我能想到的是和设备供应商合作,作为设备购买时候的附加服务,负责诸如3d打印机之类设备的安装调试。


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有一说一,其实性价比最高的4K蓝光播放设备很可能是二手xbox




  

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