【分享】现代教育技术的新领域──机器人辅助教育

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计算机辅助教育与机器人辅助教育
  
    自1958年IBM公司研制成功第一个计算机教学系统以来，有关计算机辅助教育的研究，至今已开展40余年了。目前计算机辅助教育已成为现代教育技术的主要技术手段之一，产生了巨大的经济效益和社会效益。由于这40余年来计算机技术的发展速度是举世公认的，所以伴随着计算机技术的这种飞速发展和广泛普及，将它作为现代教育技术的一种有效手段应用到教育领域其实也是一种历史的必然。
    然而，机器人技术自诞生以来到现在也已近40年了，并且它的发展速度也是有目共睹的，但它与现代教育技术之间的联系至今还非常有限，远不及计算机技术对教育领域的影响。到目前为止，一般谈及的“机器人教育”多是指讲授机器人基础知识的教育；而一般提到的“教学机器人”又多是指为配合理工科院校“机器人学”课程的教学所研制的演示或实验用机器人，它们与“机器人辅助教育”的概念还有较大的差别。“机器人辅助教育（RBE）”是与“计算机辅助教育（CBE）”相对应一种的概念，严格来讲，它还可具体分为“机器人管理教学（RMI）”和"机器人辅助教学（RAI）”两种情况。在这里我们主要探讨一下“机器人辅助教学”问题。　
  
    培养实践能力的机器人辅助教学
  
    “机器人辅助教学”是指将机器人应用于教学过程，充分发挥机器人的实际操作和演示功能，并可与学生及时交互，积极适应学生个体需要的教学。这种教学以学生为主体，通过双方的交互作用，一方面学生可根据自己的实际需要有的放矢地主动学习，另一方面作为教师的机器人可依据来自学生的反馈信息实时调整教学方法和讲授内容，有针对性地进行教学。由于机器人具有实际操作能力，并可利用其传感器进行多种教学信息的输入和输出，所以机器人可通过实际演示开展现场教学，及时发现和纠正学生的操作错误，从而非常有利于直接培养学生的实践动手能力。这对于目前实现高速高质量计算机仿真还有困难的一些专业领域尤为重要.
    下面,我们不妨由培养台球运动员的教学过程着手，对引入机器人辅助教学的优越性进行举例说明。首先，我们并不否认利用计算机仿真是可以在一定程度上进行台球训练的计算机辅助教学的。但由于台球在滚动过程中的自身旋转，以及受到来自台面、台边以及其它台球的约束、摩擦和不同角度的碰撞，计算机在对这种复杂运动方式进行快速仿真计算时的一些简化运算，会使其仿真结果不一定与实际台球的真实运动完全相符；另外，如同学游泳就必须下水一样，为真正掌握击球要领和技巧，计算机仿真是难以代替运动员在真实球台上进行的大量实际训练的。而运动员的实际训练如果是在人类教练员的指导下进行的话，为了收到好的教学效果，对于一些难度较大的球不仅需要教练员能讲出理论，还常常需要教练员能按照所讲理论通过其亲自操杆演示将实际的击球效果表现出来（如在一些不利的球势下保持连续击球入袋）。因此，这种高质量的教学就对教练员的实践能力提出了较高的要求。
    由于历史上的原因，前几年我国还没有进入世界排名前一千名的台球运动员。自1998年的第十三届亚运会将台球列入正式比赛项目后，我国的台球运动得到了较快发展，目前已拥有进入世界排名前一、二百名的运动员，但与欧洲的优秀选手相比还有较明显的技术差距。台球运动是一项具有悠久历史的体育运动，需要较高的运动技巧和实战理论，如何在缺少高水平运动员和高级别教练员的情况下大幅度提高我国的台球运动整体水平呢？　
  
    国际象棋与台球运动
  
    这使我们联想到了国际象棋运动。如果说中国象棋主要流行于中国，围棋主要流行于亚洲的话，那么国际象棋可被认为是世界上最具可比性的棋类运动。因为不少国家都有国际象棋的专业棋手，其世界范围的赛事也具有较长的历史和较大的影响。与台球运动相类似的是，世界各国的国际象棋水平也是参差不齐的。对于男子国际象棋项目来说，前苏联队具有相当突出的技术实力。在已举办过的两次前苏联队(苏联明星队)与非苏联队（世界明星队）的较量中，都是前苏联队赢得了胜利。其中，前苏联队的国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫更是一位棋艺精湛的传奇式人物。对于美国队来说，如果让他们单独迎战前苏联队，那必定是一场力量悬殊的比赛；而让他们从中寻找或培养一位能战胜卡斯帕罗夫的选手更是谈何容易。然而，利用计算机技术，美国棋手本杰明与IBM的许峰雄等人合作研制的“深蓝”计算机却于1997年战胜了国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫。
    以上事实决非偶然，我们认为，它不仅为体育工作者同时也为科技工作者展示了一种努力方向。这就是说，在直接培养高水平人类选手有困难时，至少还存在着通过培养“机器”选手使得某些运动项目达到较高水平这样一种可能性。当然这需要科技工作者的参与和不懈努力才能实现。具体到台球运动，由于它不是国际象棋那样的纯智力型运动项目，为了实现其动作技巧，不能仅依靠计算机工作者的配合，还需要机器人研究者的参与。
    关于台球机器人，我们曾与日本的有关科研单位合作开展了一系列的研究活动。当然，为使它的运动能力达到较高水平还有许多工作需要做。由于从原理上讲，“机器”选手的台球技术水平将来不会亚于人类选手，所以我们对此项研究充满信心。当然，我们现在讨论的不仅仅是让台球机器人充当“机器”选手去和人类选手进行比赛，更重要的是我们还要探讨如何让它作为教练员对人类运动员开展“机器人辅助教学”。我们认为，虽然台球机器人的动作控制和“思维方式”与人类运动员不尽相同，但当它具备了与人类优秀选手抗衡的实战能力后，在基本杆法、击球技巧、开球策略、主球的走位控制、攻防战术的运用等方面总能为人类运动员提供高层次的有益帮助。既可以让它以语音输出形式和屏幕显示方式为人类运动员讲授动作要领，又可以通过机器人的现场演示将实际的击球效果表现出来。另外，利用机器人的图象输入装置还可以对被训运动员的击球情况进行采集和分析，并可针对其存在的技术问题进行新一轮的讲解和演示。由于可不断将众多优秀选手对球的处理方法、计算理论、临场对策等知识和经验输入并保存到机器人的知识库中，再加上智能机器人本身所具有的自学习功能，台球机器人的技术水平和教学能力会不断得到完善和提高。在机器人辅助教学的实施过程中，作为教练员的机器人可根据被训运动员自身的素质、水平、球风、习惯等具体条件并结合被训运动员的个人意愿，自动选择最适宜的培训内容和教学模式进行训练。因此，相信机器人辅助教学在培养台球运动员方面会取得良好的收效。甚至可以认为，在不久的将来借助由机器人辅助教学手段培养出来的人类运动员去夺取台球世界冠军也是完全有可能的。　
  
    机器人辅助教育的发展机遇
  
    据报道，我国的高等教育事业近年将会有较大程度的发展。一方面，到2001年国家教育经费每年计划增加30亿元；另一方面，国内高等院校的在校生数量也要迅速提高，以北京地区为例，到2003年高校在校生将由目前的48万增至90万，几乎增加一倍。前者是政府的投资行为，而后者也必然会带来公众教育投资的大幅增加，这必然要形成一个新的经济增长点。值得注意的是，各类在校生的人数并不是平均增长的，其中增长最快的是高等职业技术教育的在校生数量。大力发展高等职业技术教育适应了我国经济发展的迫切需要，具有强大的生命力。由于高等职业技术教育的基本特点之一就是非常重视培养学生的动手实践能力，而它这样迅猛的发展速度，必然需要投入大量具备实践能力的师资，或提供有效的教学辅助手段，这样一来，就为机器人辅助教育的发展提供了难得机遇。
    再进一步说，除了高等职业技术、体育运动的有关专业以外，还有许多其它高校专业和在职培训也对培养学生的实践能力提出了较高要求。例如，在口腔临床医学中，口腔种植手术是一种需要较高操作技能的临床手术。因为，为保证口腔种植的成功，需要种植体与口腔硬组织之间能产生骨性结合，以及种植体与口腔软组织之间能产生生物性结合。为此，需要在对患者的受植区骨组织和软组织的质和量做出正确评价的基础上，确保手术创伤降低到最小程度。这就要求全面细致地处理好种植体的类型选择、植入位置、种植角度及种植机钻头的转速、转矩、植入压力、冷却效果等多种手术要素之间的关系。由于不同患者个体的受植区骨组织和软组织可以说是千差万别，针对不同类型患者的多种典型病例，国内外的许多专家都在长年临床中积累了丰富的实践经验和创建了大量行之有效的手术方法。设想首先将各地专家们的这些经验和方法收集起来并直接或通过计算机网络将它们“移植”到机器人的知识库中，再由机器人根据具体患者的自身实际情况，综合专家们的临床经验和手术方法，从中遴选并制定出可保证最佳愈后效果的适当手术方案。随后，由机器人在教学用口腔模型上边操作演示边向学生讲解所选方案的手术过程。这样一来，可使教学不局限于教师一个人的临床经验，让学员学到更为先进和实用的手术技能。另外，当学生在临床实践中遇到较复杂的疑难病例时，也可及时向机器人教师请求进行从方案选择到手术演示的全面指导，待学员对手术方案有了深入理解并经过在教学模型上的反复练习熟练掌握了操作技能后再付诸临床实践（这样做还可避免机器人直接接触患者为病人做手术时所带来的负面效果）。由此可见，采用了机器人辅助教学后，将来即使在缺乏高级师资的边远地区，学生也有可能直接得到高水平教师近乎于“ ’手’（指机器人的‘手’）把手（指学生的手）”的具体帮助。
    当然，我们提倡对机器人辅助教学开展研究并不是要放弃计算机辅助教学，也不是在忽视人类教师在教学中的作用。实际上，机器人辅助教学和计算机辅助教学是两种相辅相成的辅助教学方式，它们各具千秋。对于机器人辅助教学来说，其最大特色是在培养学生的实践动手能力方面。所以，他们应互为补充，在各自擅长的教学环节中发挥作用。至于教师在教学中的作用更是不容忽视，况且他们在决定采用何种教学方式方面也能起到很大作用。毋庸置疑，采用何种教学方式的基本出发点之一就是如何才能更有利于提高教学质量。正如工业领域中应用机器人时所遇到的问题一样，并不能由于我国人口众多就认为无需使用焊接机器人了，因为机器人在焊接质量方面占有很大优势，而在不少情况下，质量比数量更为重要。在教育领域也是如此，我们希望将来机器人辅助教学能在提高教学质量方面，尤其在提高边远地区的教学质量方面发挥积极作用；也希望它能在克服重理论轻实践，发展素质教育方面产生良好影响。