摘 要：近几年，机器人逐渐进入我们的视野，教育机器人也逐渐被引进到我国普通高中课堂中，在全国各地的通用技术教材中也增加了《简易机器人制作》选修课。随着简易机器人教育关注度的日益提高及其教育价值的逐步提升，作为实施机器人教育的教育机器人产品的规划和标准化问题也日益凸显。本文在对普通高中学生的认知发展水平和机器人教育目标进行概述的基础上，对教育机器人产品功能结构设计进行了分析探究，望对未来高中教育机器人产品的开发提供参考价值。

关键词:机器人 教育 教育机器人 认知  教学  设计分析

一、引言

比尔盖茨曾大胆预言：30年后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。机器人的发明、研究及应用实践是以科学研究和社会生产为需求的，进入到教育是其领域的扩大与发展。但是，由于它所涉及知识的广泛性和涉及技术的综合性，这都使的机器人对教育而言具有更多的价值。近年来,随着机器人知识的普及、机器人材料简易性的提高、其潜在的巨大教育价值逐渐得到社会的认可,使得机器人进入了教育领域。随着时代的发展我国已将机器人作为一种教学辅助工具,上至高等院校、研究机构，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。为了适应未来科技社会对人才培养的需要,我国教育部从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，2003年颁布的普通高中新课程标准又将《简易机器人制作》列入普通高中通用技术选修内容。

国内中学机器人教育教学的开展虽已有近10年的时间,但仍然游离于日常课堂教学之外，仍以选修课或社团活动或竞赛小组的形式存在，究其缘由,其中一主要因素是当前教育机器人产品缺少规范,品牌繁杂,开放性低等教育机器人产品自身的问题。以下,我们将结合高中阶段学生的认知发展水平和机器人教育教学的要求,在对这些问题进行阐述分析的基础上对本阶段使用者所需的配件、人机界面等产品功能和结构设计提出一些意见和建议，更好的建设高中通用技术选修课程《简易机器人制作》，进一步提升我国机器人教育的水平。

二、高中学生的认知发展特点

进入青少年时期，中学生的感知表现为一种特殊形式，即观察——有目的、有计划的、持久的、有思维活动参与的知觉。研究发现，进入中学以后，中学生观察的发展具有如下特点：他们观察事物的自觉性逐步增强，而且随着其自我控制能力的发展，观察的持久性也不断增强；观察事物的精确度不断提高，对事物观察的精确度是与分析综合的思维能力密切相关的。随着中学生思维能力的不断发展，他们观察事物细节的感受性逐渐增强；此外，他们观察事物的概括性明显发展。由于思维的发展和思维参与到观察中去，中学生的观察逐渐变得全面和深刻并且观察事物的方法不断完善。中学生逐渐能够掌握观察的程序和操作要求，能够遵循从整体到部分再从部分到整体等顺序进行观察，既能进行全面观察，又能抓住事物的主要特征进行重点观察。中学生观察事物能力的提升使得简易机器人教学成为可能。

高中时期，青少年的记忆力是人一生中的“最佳时期”，达到了 “高峰”。具体地说，有如下特点： 1．有意识记随目的性增加而迅速发展。进入中学后，学生逐渐学会根据教材内容，独立地提出识记的目的和任务；能逐步自觉地检查自己的识记效果，主动选择良好的识记方法等。 2．意义识记能力不断提高。进入中学以后，由于学习内容的不断增多、加深以及言语和抽象逻辑思维的发展，意义识记得到了发展。心理学研究表明，进入初中以后，中学生的意义识记就超过了机械识记，并呈直线上升的趋势；相反，机械识记运用得越来越少，其效果也越来越差。 3．抽象记忆有较快发展。高中时期，抽象记忆发展迅速，而具体形象记忆则开始出现下降的趋势。 因此，学生学习机器人的搭建和程序编写的能力得到极大的提升。

另外，高中学生思维的主要形式是抽象逻辑思维，而抽象逻辑思维发展的突出特点是由“经验型”上升为“理论型”。 心理学研究表明，初一学生的抽象逻辑思维虽然占优势地位，但在很大程度上，还属于“经验型”的，还需感性经验的直接支持，到高中一、二年级，这种转化初步完成，这就意味着高中生的抽象逻辑思维已经成熟。这为简易机器人的自主设计提供了思想源泉。

 三、认知水平发展与高中机器人教学的关系

 1、高中学生的认知发展制约教学的内容和方法，高中机器人教学应研究如何对本阶段的学生提出既不超出当时的认知结构的同化能力，又能促使他们向更高阶段发展的富有启迪作用的适当内容。机器人教育已经进入大学教育，列入了人工智能、自动化等相关专业的课程之中，从课程理论到课程实践已经都有一定的成熟。而高中生的知识水平和认知能力还远不如大学生，我们需要在高中新课程标准的引导下积极开展机器人教学，引导学生在学好学习基础知识的基础上向更高的知识水平迈进。因此这就决定了我们高中机器人教学的内容和方法。

2、高中的机器人教学促进学生的认知发展

大量的研究表明，通过适当的教育训练来加快各个认知发展阶段转化的速度是可能的。只要教学内容和方法得当。系统的学校教学肯定可以起到加速认知发展的作用。高中生认知结构的完整体系基本形成。高中生认知结构的各种要素迅速发展,各认知能力不断完善,认知的核心成分——思维能力更加成熟,抽象逻辑思维占了优势地位,辩证思维和创造思维有了很大的发展。思维的目的性、方向性更明确，认知系统的自我评价和自我控制能力明显增强。他们情感丰富、意志力增强,兴趣更广泛和稳定,学习动机更强烈。实践表明，参加过一定量的机器人教学培训后，这些高中学生的设计能力、认知能力、思维能力都较未参加类似培训的学生高。学生的动手动脑能力大大的增强，这些能力反而转化为学生的学习能力和创造能力。另外，教育者不应只看到学生今天已达到的发展水平，还应该看到仍处于形成的状态，正在发展的过程。学生处于青少年时期，对各种事物充满了好奇和困惑，只要引导得当学生就会有很好的发明创造。

四、高中阶段教育机器人相关的教学目标

高中阶段的教育机器人教学，已经出台了一些课程标准,如新课标“简易机器人制作”模块要求学生知道单片机和机械传动的基本知识，能设计与制作单片机和传动机械等组成的简易自动控制机器人或简单的自动控制系统。【1】

对于硬件知识部分,学生除了对各部件功能结构的了解外，也会自行改造;在程序设计方面，考虑到对学生算法与程序设计能力的培养,因此除了对图形化编程的掌握外,还要求使用更高级的程序设计语言,如Qbasic、C、Java等，通过代码编辑器直接设计程序来控制机器人运行，在编程的过程中锻炼学生的逻辑思维能力。

五、高中阶段教育机器人的功能设计分析

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，特定的教学用户群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,进行自主创新；此外，它还应当有友好的人机交互界面。

适用高中阶段的教育机器人，还要符合高中新课程标准，因此，它必须要是简易机器人，复杂的不行，在此，我们要弄清楚简易的含义。简易机器人麻雀虽小，但五脏俱全，简易机器人满足机器人的几大特征，我们的简易机器人是专门为中学生量身定做的。与现实生活中各个领域服役的机器人比较，简易机器人有如下不同：

                     表 1 简易机器人与服役机器人的不同  【2】

但是在结构设计上简易机器人又要求有更好的可扩展性和开放性，注重产品功能的综合应用，最终达到自主设计制作的要求。下图图1中列举了简易机器人的一般组成部分。控制系统部分除了可选用初中阶段所采用的单片机形式外，还可让学有余力的学生尝试选用嵌入式。但要注意的一点是单片机方面的设计要紧密结合通用技术模块的要求，选择可多次烧录的单片机型号和简单易学的单片机编程语言；在控制系统和执行系统部分，可采用套装散件。采用单片机和散装化套件都极大的促进了学生在实践过程中动手实践能力的提高和创新思维的培养；在人机交互方面,除了保留简易的图形编程软件平台之外，鉴于高中生的认知水平和今后计算机编程角度考虑，设计相对较抽象的编程语言接口，如C++、C、汇编语言等。对于程序的传输除了选用数据线和红外线发射传输之外，还可选用烧录技术。

                    图 1 高中简易机器人基本结构方框图 【3】

综上所述,高中阶段学生的认知水平和教学要求和大学和初中都不相同，那么不同层次的教学对象就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，目前的教育机器人产品能否满足高中层次的学生的需要呢？市场上不乏有很多好的教育机器人产品，但也存在一些不近如人意的地方，因此根据上述对高中阶段学生的认知水平和机器人教育的要求的分析，我们对这个阶段所用机器人产品在结构与功能、程序设计与传输、机器人机体三部分的设计进行研究,提出了如下表1所示的教育机器人的结构功能及标准要求简表2。

表 2 适用于高中阶段的教育机器人功能设计要求

因此，各教育主管部门和普通高中学校在机器人套材的购买、师资培训等方面应予以注意。在高中阶段应尽量使用符合通用技术课程标准的机器人套材，这些套材应具备的素质应参考上表。

四、结束语

高中的教育机器人作为高中技术教育的实施平台之一，其建设水平的高低对机器人教育具有至关重要的影响。研制适用于高中阶段符合高中学生认知发展水平和教学要求的教育机器人不仅有利于解决教育机器人产品的开发、选用，教学实施等当前机器人教育中所存在的尖锐问题，而且有利于机器人教育资源、教育经验的整合和普及，对于推动我国技术教育特别是机器人教育健康、规范、可持续发展有着积极的作用。同时,规范化的教育机器人产品设计开发需要教育主管部门、学校、机器人教练员、机器人研发厂商等各方面的共同协作与努力。

参考文献

【1】普通高中技术课程标准(实验)[M]。人民教育出版社，2003：P102 ；

【2】【3】郑永驹,华南师范大学：《机器人研究的概况及对我国高中机器人教育的浅见》PPT讲义：P6；P5。