機器人教育文獻內(nèi)容分析

馬衛(wèi)民張玉芹摘要：機器人課程成為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的有效途徑受到教育工作者的廣泛關(guān)注。文章以2008-2017年間機器人教育文獻為樣本，通過相關(guān)研究文獻的內(nèi)容分析并結(jié)合機器人教學實踐，梳理相關(guān)領(lǐng)域的研究者職務(wù)特征、研究主題、研究熱點及其發(fā)展趨勢，發(fā)現(xiàn)一線教師參與者呈現(xiàn)增長趨勢，理論框架初步構(gòu)成，項目教學模式得到較多參與者認可，機器人技術(shù)與教學等方面構(gòu)成研究熱點，一些新教育形式成為未來研究方向。Key：機器人教育；文獻內(nèi)容；理論框架；熱點趨勢：G434文獻標志碼：A：1673-8454（2018）07-0012-06一、研究背景本研究以“機器人”為Key在中國知網(wǎng)進行主題檢索得到2008-2017年間研究成果108，744件①，在淘寶網(wǎng)搜索“機器人”相關(guān)店鋪，多達71397家②，2016年底，機器人教育聯(lián)盟注冊培訓機構(gòu)突破12000家[1]，可見我國機器人技術(shù)研究已經(jīng)日臻成熟，而且已經(jīng)開始步入我們的生活與學習之中。有研究者列出八個類目來描繪機器人教育的理論框架，但是樣本數(shù)量不足百篇，仍需要一定數(shù)目的文獻拓展和完善其結(jié)論[2]（王改霞，樸姬順，2012）。有研究者依據(jù)篇名做可視化分析，較好地反映了該領(lǐng)域的研究熱點，但是尚未涵蓋所有主題相關(guān)文獻[3]（雷黎穎，梁銘，2016），也有研究者對機器人競賽類文獻統(tǒng)計分析，抽取詞和統(tǒng)計類目比較全面展示了研究內(nèi)容，但是還缺少對文獻內(nèi)容的深入解析，也沒有教學實踐為基礎(chǔ)的定性解讀[4]（劉涵，劉京旋，2017）。筆者基于以上問題，結(jié)合在機器人教學和培訓中的實踐經(jīng)驗，開展相關(guān)文獻內(nèi)容分析，梳理相關(guān)研究成果，期望對一線教學和相關(guān)研究提供參考。二、研究問題筆者在機器人課程教學和競賽指導過程中總是遇到如何更高效地組織教學的問題，也常被問及如何選擇教學內(nèi)容、做出創(chuàng)意作品的難題。本研究基于上述困惑，試圖通過文獻分析，解決五個研究問題：機器人教學研究是否受到一線教師，特別是基礎(chǔ)教育領(lǐng)域教師廣泛關(guān)注？研究主題涵蓋哪些方面？哪些教學模式和方法被廣泛接受并使用？如何更好選擇教學材料、設(shè)計教學內(nèi)容，提高教學效果？研究熱點和最新發(fā)展趨勢呈現(xiàn)何種態(tài)勢？三、研究設(shè)計1.研究樣本的篩選截止到2017年8月11日，筆者從中國知網(wǎng)期刊全文中，以機器人與教育、課程、教學、案例、創(chuàng)客、競賽/比賽、中小學相結(jié)合作為Key搜索相關(guān)主題的文獻4028篇③，作為研究的總樣本。總樣本經(jīng)刪除重復、無關(guān)項目，依據(jù)引用頻次、熱度排行以及期刊影響因子3個標準排序后得到1450篇高影響力的文獻，作為研究樣本。數(shù)據(jù)如表1所示。2.研究工具的確定文獻分類主量表以先前研究提及的類目為基礎(chǔ)（如表2所示），結(jié)合Key共現(xiàn)聚類分析，經(jīng)過統(tǒng)計相關(guān)文獻內(nèi)容并征求專家意見而確定。主量表一級類目分為教學理論類；課程建設(shè)與教學資源開發(fā)類；技術(shù)類；教學（案例）設(shè)計類；教學實踐與應用；競賽與團隊管理類；實驗室建設(shè)與實驗器材類；創(chuàng)新能力培養(yǎng)類；師資培養(yǎng)類和綜述類，共計十個。職務(wù)特征量表參考筆者先前研究修改而來。3.統(tǒng)計數(shù)據(jù)的處理首先，筆者使用自制量表為研究樣本分類。接著，研究樣本數(shù)據(jù)經(jīng)Citespace（5.1.R6SE版）、SPSS（19.0版）分析軟件做進一步檢驗。最后，筆者訪談有關(guān)教師，根據(jù)課堂教學實踐展開定性分析，解釋研究結(jié)論。四、內(nèi)容分析1.文獻作者的職務(wù)特征職務(wù)特征由文獻作者的工作領(lǐng)域及崗位類別確定，反映文獻內(nèi)容產(chǎn)生的社會背景、研究人群的分布，展現(xiàn)該領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢，有助于了解機器人教育在不同教育階段的分布狀況[5]（馬衛(wèi)民，2009）。本研究通過統(tǒng)計文獻樣本的作者職務(wù)信息，分列出六個條目，如表3所示。表4的卡方檢驗結(jié)果顯示，文獻職務(wù)特征差異不顯著，同時呈現(xiàn)出某些規(guī)律性特征。一線教師文獻數(shù)量成波折上升趨勢，2017年度比重達23.9%，形成一支重要力量。其中，小學教師發(fā)表140篇，占據(jù)一線教師發(fā)文總量的83.8%。這反映了基礎(chǔ)教育領(lǐng)域教師開始關(guān)注機器人教學，取得一定成效。另外，雖然活動中心相關(guān)人員發(fā)表文獻的數(shù)量較少，但是他們推動了機器人教育向中小學普及，特別是青少年科技中心和機器人培訓機構(gòu)有效促進了這種趨勢。高校專家學者的文獻數(shù)量占總數(shù)的60.5%，加上在校學生的畢業(yè)論文后，總占比達到80.4%，說明高等學校在機器人教育研究領(lǐng)域的地位非常重要，扮演引領(lǐng)者的角色。這是因為高等學校具有機器人研究領(lǐng)域的人才優(yōu)勢，擁有先進的技術(shù)條件和實驗環(huán)境，取得較多科研成果。不過，在校學生畢業(yè)論文數(shù)量呈現(xiàn)波動下行趨勢，盡管受到樣本數(shù)量影響，但是也從一定程度反映了適合高校學生研究的有關(guān)機器人系統(tǒng)的設(shè)計與控制技術(shù)，仿真平臺及路徑規(guī)劃研究等題材趨向成熟，從事課堂教學等相關(guān)研究受到實踐條件限制，缺少實證研究的基礎(chǔ)，相關(guān)文獻較少，有待新的研究內(nèi)容出現(xiàn)。根據(jù)筆者參加學生競賽輔導及訪談情況來看，行政人員不是機器人教學的直接參與方，發(fā)表相關(guān)文獻量較少，但是，其通過各種活動中心和競賽承辦機構(gòu)推動和普及機器人教育，工作成效顯著，僅2017年世界機器人大賽累計全年參賽人數(shù)達5萬余人④，其工作具有較大影響力。由此可見，機器人教育在各領(lǐng)域參與者關(guān)注下獲得較好發(fā)展，逐漸受到基礎(chǔ)教育領(lǐng)域廣泛關(guān)注。2.研究主題的概念框架文獻的研究主題可以呈現(xiàn)該研究領(lǐng)域的體系結(jié)構(gòu)，提供研究的基本概念框架，形成相關(guān)研究的理論基礎(chǔ)（馬衛(wèi)民2009）。該研究框架由筆者統(tǒng)計整理而得，較好反映了該領(lǐng)域的概貌。其中，筆者將教學目標、教學內(nèi)容、方法與策略、教學模式、教學評價類型的文獻歸屬教學理論類目，以便分析和描述。如表5所示。研究主題卡方檢結(jié)果顯示，主題分布差異顯著。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明技術(shù)類占據(jù)總樣本的33.9%，年度比例程逐年下降趨勢，說明機器人技術(shù)是該領(lǐng)域主要研究類目，因受其它類目影響比例降低。筆者進一步查閱該類文獻，發(fā)現(xiàn)70.2%的文獻內(nèi)容涉及機器人仿真實驗平臺設(shè)計、控制系統(tǒng)及路徑規(guī)劃研究等軟件相關(guān)技術(shù)。盡管機器人硬件相關(guān)技術(shù)不足30%，可是涵蓋服務(wù)領(lǐng)域十分廣泛，觸及工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療陪護、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、餐飲、家庭服務(wù)、物流分揀、語言教學以及書法和舞蹈等藝術(shù)應用方面，形成較完善的結(jié)構(gòu)，具有較好基礎(chǔ)。機器人課程建設(shè)與資源開發(fā)研究占據(jù)15.3%的比例，年度百分比數(shù)值波折上升，受到較高關(guān)注，形成較多研究理論和課程資源成果。但是，校本課程及資源開發(fā)研究成果僅49個，僅占該類目的23%，說明機器人教育教學資源建設(shè)工作仍需繼續(xù)加強，以待更好優(yōu)質(zhì)資源出現(xiàn)。筆者隨機選取網(wǎng)絡(luò)書城搜索發(fā)現(xiàn)機器人圖書3609件⑤，特別是適合中小學的機器人相關(guān)書籍達78件，但是仍然需要器材、工具和技術(shù)指導作為配套資源。教學理論類、創(chuàng)新能力培養(yǎng)和綜述類均占總文獻量的8%以上。后兩者大多評述內(nèi)容較多，缺少調(diào)查訪談或統(tǒng)計數(shù)據(jù)支持，不作為本文重點討論對象。前者作為教育科學研究的重要基礎(chǔ)，被分列出機器人教學目標、教學內(nèi)容、方法與策略、教學模式、教學評價共計5個次級類目后重點分析。首先，教學理論類中的目標、內(nèi)容和評價研究文獻數(shù)量較少，方法與策略科目占據(jù)該類的52%。進一步查閱方法科目文獻，發(fā)現(xiàn)其中項目教學法占據(jù)研究樣本中教學法種類的42.9%，是目前占據(jù)主導地位的教學方法。但是，仍有部分教師在現(xiàn)實教學活動中常常采用講授法，通過講練結(jié)合的方式，并不能充分發(fā)揮機器人教學的團隊精神、合作意識培養(yǎng)功能[6]（鐘柏昌等，2015），但是，通過講授重要內(nèi)容解決學生普遍存在的問題，結(jié)合微課資源解決學生的個性化問題也是很好的教學方式[7][10]（王同聚，2015）。這也說明教師需要根據(jù)教學內(nèi)容和技術(shù)條件來改進教學方法。進一步閱讀高頻文獻發(fā)現(xiàn)教學方法包含了項目教學法（李藍波，2016）、任務(wù)驅(qū)動法（李立玉等，2008；曲凌，2014）、工程對象教學法（蔣華平，2013；黃朝陽，2014；譚永麗，2016）、PBL（基于問題的）教學法（孫祎英等，2012）、體驗教學法、創(chuàng)新者教學法、六步法教學（林祖盛，2017）、樂高4C教育理念、探討式教學法（戰(zhàn)強，2016），K5示教法（曲芳，2016）等。很多方法名稱是從不同角度描述，屬于重疊的，說明了機器人教學理論正在趨于成熟，同時也表明該領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論研究需要較多關(guān)注和探討。其次，教學模式科目占據(jù)課堂教學理論的42.8%，基于項目教學的模式是大家認可度較高的，這也與教學方法的統(tǒng)計數(shù)據(jù)相吻合。有研究者提出實驗引導、任務(wù)驅(qū)動、團隊合作等模式（謝達，2008），也有研究者通過知識緯度和機器的交互性能建立模式結(jié)構(gòu)，分為實驗模擬、趣味交互、科學探究、發(fā)明創(chuàng)造四類學模式[9]（鐘博昌，2016），較為概括。有研究者提出了將項目的教學與創(chuàng)客理念融合，通過講練教學基礎(chǔ)知識，接著通過項目模仿階段和創(chuàng)造階段完成作品，最后分享交流，較為符合中小學生的學習規(guī)律[10]（王小根，張爽，2016）。另外還有“四位一體”教學模式（李充寧等，2008）、“主導—主體”教學模式（衷克定等，2008）、項目學習模式（黨志剛，2010；李仙蕊，2008；馬志敏，2016）、項目式翻轉(zhuǎn)課堂教學模式（余龍九，2017）、模仿與創(chuàng)造模式（張爽等，2016）、競賽項目模式（郭才東，2016）、微客導學教學模式（王同聚，2015；周洪萬，2017）等，較多以項目教學模式為核心發(fā)展而來。另外，機器人教學的目標制定、內(nèi)容選取原則和評價標準研究文獻較少，需要進一步豐富其實踐和理論基礎(chǔ)。部分文獻提及內(nèi)容設(shè)計依照任務(wù)分解的原則，設(shè)計目標堅持分層遞進的原則，用以促進學生漸進式開展項目學習，具有參考價值。教學設(shè)計作為連接課堂教學理論和教學實踐的橋梁，程現(xiàn)逐年微幅上升趨勢。機器人教學設(shè)計涉及到器材、學習資源，實驗平臺和課堂教學步驟等內(nèi)容，與其它學科有著較多區(qū)別，逐漸豐富的設(shè)計案例成為機器人教學及其理論研究重要參考。教學實踐與應用，競賽與團隊管理；實驗室建設(shè)與實驗器材，師資培養(yǎng)類文獻數(shù)量均不足百篇，有待繼續(xù)豐富其實踐和理論。值得一提的是，教學實踐與應用是貼近一線教學人員的研究領(lǐng)域，形成較多研究成果。其中慧魚、Scratch、RobotArt、AI-RCJ等虛擬（仿真）軟件性質(zhì)應用占據(jù)34.1%，是機器人教學的重要應用形式，具有底成本優(yōu)勢，利于經(jīng)濟條件受限的學校開展相關(guān)教學活動。另外，康復治療和醫(yī)學應用內(nèi)容的文獻成為亮點，總結(jié)機器人技術(shù)在臨床培訓中的教學應用經(jīng)驗，為醫(yī)學教育提供參考。3.研究熱點的可視化分析研究熱點的可視化分析可以更為客觀聚焦研究領(lǐng)域的核心內(nèi)容，反映該領(lǐng)域較為成熟的理論類目。研究主題雖然反映分類結(jié)果中的文獻數(shù)量，但是不能完全反映研究熱點。筆者將1500個文獻樣本導入Citespace系統(tǒng)，設(shè)定時間切片為一年，采用Pathfinder算法，以TopN%=10.0%為閥值繪制熱點圖譜，如圖1所示。熱點內(nèi)容的共現(xiàn)頻次越高，字體就越大，超過0.1中心性數(shù)值的則接近紫色圓環(huán)中心，認定為研究熱點。本文結(jié)合熱點圖譜和中心性統(tǒng)計數(shù)據(jù)，列出詞頻大于30的關(guān)鍵術(shù)語，將中心性大于0.1的歸納為研究熱點，如表6所示。數(shù)據(jù)顯示機器人教學、工業(yè)機器人、智能機器人、機器人工程、機器人競賽、機器人大賽、信息技術(shù)、通用技術(shù)，是熱點研究領(lǐng)域，歸為教學項、技術(shù)項、比賽項、課程整合四項。第一，機器人教學在2008年已經(jīng)成為熱點話題，其中心性達0.32，成為關(guān)鍵節(jié)點。其理論在主題分類中已詳實敘述。該類研究主要體現(xiàn)在一線教學教師具有較好研究條件，形成較豐富文獻成果。研究中小學機器人教育的人員中有38.1%來自大學、科技中心、大學生等，超過一半為中小學教師。機器人教學研究形成大學研究為主體，中小學機器人教學研究緊隨其后的格局。數(shù)據(jù)表明相關(guān)研究理論以機器人教學為關(guān)鍵節(jié)點發(fā)展而來，具有較好實踐基礎(chǔ)，有著較高的可信度。第二，工業(yè)機器人、智能機器人、機器人工程屬于技術(shù)項，是機器人教育的技術(shù)基礎(chǔ)。進一步統(tǒng)計結(jié)果表明，技術(shù)類文獻多來自大學和科研部門，傾向研發(fā)性質(zhì)。基礎(chǔ)教育領(lǐng)域則著重課堂教學應用。該領(lǐng)域成為熱點說明機器人技術(shù)研究受到較多關(guān)注，積極促進了機器人教育的發(fā)展。第三，比賽項作為研究熱點，雖然在主題統(tǒng)計中并未顯現(xiàn)出來，但是，在其他類目文獻中提及的次數(shù)較多，共現(xiàn)頻次達621，中心性為0.1。數(shù)據(jù)表明機器人競賽仍是機器人教育的重要方式。這說明該領(lǐng)域的常規(guī)課程開始程度不夠發(fā)達，仍需加強機器人課程普及推廣工作。第四，信息技術(shù)、通用技術(shù)在中學課程中均涉及機器人選修模塊，特別是通用技術(shù)中心性達0.22，說明該課程受到機器人教學引領(lǐng)作用，成為重要學習平臺。機器人教學由課外活動，社團學習模式，逐步向技術(shù)類課程融合，成為學科課程的一部分。整合機器人技術(shù)成為技術(shù)類學科內(nèi)容的重要擴展形式。另外，從研究趨勢來看，研究熱點集中在2008年份，隨后熱點發(fā)展趨勢進一步變化，生成較多新的研究內(nèi)容，其中Stem教育、創(chuàng)客教育、Steam教育⑥成為新的教育形式，體現(xiàn)了教育實踐和理論新變化，也將帶動相關(guān)教育理論研究的新進展。五、結(jié)論探討通過上述三個方面的分析，結(jié)合筆者提出的研究問題，得出以下幾點認識：第一，職務(wù)特征的分析結(jié)果表明，由高校的專家學者和科技公司技術(shù)引領(lǐng)，行政力量推動，活動中心和主辦機構(gòu)組織實施，一線教師廣泛參與的機器人教育格局正在形成。相關(guān)研究領(lǐng)域成員文獻數(shù)量變化較好反映了這一趨勢。機器人教育向中小學推進具有了一定的組織和理論基礎(chǔ)、具備較為成熟的器材配件市場條件。《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》⑦進一步闡明在中小學設(shè)置人工智能相關(guān)課程，鼓勵進行形式多樣的人工智能科普創(chuàng)作活動，也將推動機器人教育發(fā)展。機器人教育參與人數(shù)將不斷增加，教學實踐和理論內(nèi)涵也將更為豐富。第二，主題分析結(jié)果表明，教學理論，特別是項目教學模式下的研究取得較多成果，成為廣泛認可的教學模式，演變出任務(wù)驅(qū)動、實驗引導、體驗學習等教學方法。項目教學組織方式也出現(xiàn)了團隊合作、競賽促學、反轉(zhuǎn)課堂、模仿-創(chuàng)造等多種形式。項目教學可用的微課視頻、網(wǎng)絡(luò)社區(qū)、創(chuàng)客空間等學習資源也逐漸發(fā)展起來。學生通過特定項目學習機器人技術(shù)是其跨領(lǐng)域的特點決定的，需要依據(jù)教學目標設(shè)計出側(cè)重點不同的任務(wù)，并分解成更小項目，采用適合的機器人部件或平臺開展學習。值得一提的是，學生通過開源機器人配件結(jié)合積木式編程方式開展學習的方式更加適合中小學生學習特點，可以收到較好效果。總體來看，適合學生學習的課程資源略顯不足，基于上述理論的教學案例仍需不斷豐富，需要加強課程資源開發(fā)和交流平臺建設(shè)，以適應機器人教育的跨科學、多態(tài)性的特點。另外，實驗室和教師團隊建設(shè)仍然是機器人教育亟待加強的重要環(huán)節(jié)，需要相關(guān)學校的認可和支持。第三，熱點分析結(jié)果表明機器人技術(shù)和教學同時成為研究熱點，體現(xiàn)了技術(shù)發(fā)展對機器人教學的促進作用，說明Arduino、Scratch等技術(shù)成果對豐富教學實踐和理論具有決定性影響。首先，筆者發(fā)現(xiàn)機器人教學器材的國際品牌占據(jù)較多份額，國產(chǎn)品牌仍需較多升級和技術(shù)推廣，相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)研究和技術(shù)成果仍有較大發(fā)展空間。其次，機器人教育在技術(shù)推動下會圍繞創(chuàng)客教育、Steam等教學模式不斷豐富，形成下一個研究主題和熱點。另外，機器人課堂教學現(xiàn)階段仍以競賽為重要推動力量，其中信息技術(shù)、通用技術(shù)等與機器人教育的學科整合出現(xiàn)良好開端，形成技術(shù)對課程的內(nèi)容豐富、升級和更新的趨向。值得一提的是，機器人教學目標、內(nèi)容和評價研究隨著機器人教育的推廣，必將得到較多關(guān)注，期待形成更多有價值研究成果。另外，本文受條件限制尚未收入2017年所有的相關(guān)文獻，未能體現(xiàn)全貌，也沒有對工程對象教學法、項目教學法等概念做出界定，有待進一步完善和探討，也有待專項的研究成果詳述基礎(chǔ)理論部分，以便提供進一步的說明，提供更多有價值的參考。注釋：①數(shù)據(jù)來源：http：///kns/brief/default_result.aspx搜索時間：2017年8月8日期間文獻。②數(shù)據(jù)來源：https：///search？app=shopsearch，搜索時為2017年8月8日的所有店鋪。③搜索時間：2008.1.1-2017.8.11，選取期刊和特色期刊，碩博論文項目，其中2017年文獻統(tǒng)計受時間影響，但是反映最新成果，是本研究的良好補充。④數(shù)據(jù)來源：http：///cn/yqs/dasaitongzhi/。⑤數(shù)據(jù)來源：2018.8.23日亞馬遜網(wǎng)上圖書城搜索結(jié)果，網(wǎng)址