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机器人教育 就从手作开始
乐高、开放硬体殊途同归

【作者: 姚嘉洋】2015年08月05日 星期三

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机器人的种类十分多元,举凡家用、工业自动化、救灾与军事等,都可以见其踪迹,但在教育方面,在台湾,虽然能看到许多相关比赛,但未见针对该领域有较为具体的讨论。


手作精神实现 不局限任何形式

谈到机器人在台湾国民教育的发展,行动创客学院执行长连宏城可说是重要的推手之一,他本人已在台湾的偏远地区的国中小学,先后举办了约有四十场的免费机器手臂组装的教学工作坊。这类的工作坊十分受到学生、家长与学校老师们的欢迎。


连宏城出身于交大资工,擅长程式撰写,过去不仅在台湾IT领域服务,也曾经代理过线上游戏在台湾的贩售,后来才在去年,以开放硬体的方式决定投入机器人教育市场,目标对象就是台湾的国中与国小学生。他坦言,虽然开放硬体拥有相当丰富的资源,但正因为资源太多,所以摸索约有半年的时间,才对开放硬体有较为深入的认识。


连宏城直言,当初选择投入该市场时,就认为机器人组装对于小朋友有相当高的吸引力,但在投入初期就发现了所需要的成本过于高昂,一台双足机器人的成本约莫就要上万台币起跳。不过,若改以机器手臂的组装教学,可以大幅降低成本,但还是有一定的吸睛能力,同时也能让小朋友享受组装的乐趣。他也谈到,在推广初期,他就发现了台湾各地的国中小学,对于机器人或是机器手臂组装拥有相当高的接受度与兴趣。原因在于每个人本来就有天生的「手作基因」,透过动手组装的过程中,来获得成就成,若再加上在组装的过程中,赋予教育意义,也能提升家长的接受度,进而促使学校愿意动用内部资源,让学生可以参与并体验这样的手作教育。



图1 : 在连宏城的努力下,以开放硬体为架构的机器人在国小教育领域已经有初步的进展。 (Source:行动创客学院执行长连宏城)
图1 : 在连宏城的努力下,以开放硬体为架构的机器人在国小教育领域已经有初步的进展。 (Source:行动创客学院执行长连宏城)

连宏城观察,国民教育的机器人市场大多由乐高所垄断,而连宏城所提供的机器手臂组装,则是源自于开放硬体的资源。开放硬体的好处在于,软硬体资源可以彼此分享,进一步实现Maker(创客)们的创意。他谈到,其实政府相当支持开放硬体的发展,所以也十分乐见国中小学的学生接触这类领域,不过即便政府单位倾向支持态度,但若要政府提供经费,还是得由学校本身提出教学计画,再向政府申请是目前可行的作法。而每间学校内部的教学资源又不甚相同,所以学校若有意将开放硬体的资源引进,就必须仔细审视师资等相关资源的状况,以提交符合自身现况的计画。



图2 : 乐高机器人在台湾国小教育领域拥有相当高的能见度。 (Source:台湾玉山机器人协会)
图2 : 乐高机器人在台湾国小教育领域拥有相当高的能见度。 (Source:台湾玉山机器人协会)

目前就国小接触开放硬体机器人的发展状况,也有不错的发展,像是台北市的日新国小的徐台屏老师所指导的队伍就曾在台北市校际机器人比赛获得亚军殊荣、再兴国小的黄辉声老师成立了Maker社团,北投义方国小的谢琪文老师亦投入这方面的教育工作。


社团法人台湾玉山机器人协会秘书长郑瑞莹也指出,就过去WRO(World Robot Olympiad;国际奥林匹克机器人大赛)的赛事会议上,其实也观察到投入机器人的形式已经变得相当多元,尽管乐高积木算是国际赛事的主流,但重点在于如何实现「手作」精神,所以原则上不局限任何一种方式来呈现机器人的创意与完成竞赛。


不论是台北市或是偏远乡镇的小学,对于机器人教育的接受度非常高,

但另一方面,一旦到国外竞赛就会面临到经费不足的问题。

而开放硬体深入国小教育也需要Maker们的协助,

才能有进一步的发展。

至于在台湾教育市场上,以她的了解,国中与国小对于乐高的接受还是相对较高,开放硬体则较适合高中生。


但她也同意连宏城的说法,政府对于机器人教育的推广的确相当的重视。在国小教育领域,家长的确是机器人教育推动的重要关键,若家长愿意让小朋友接受这方面的教育课程,学校方面就有机会成立社团或是课辅班,提供这方面的课程。国中的话,就是可能会将这类课程纳入我们过去所熟悉的工艺课程内,在高中方面,技职教育较有机会接触到,若是一般高中可能就比较没有机会接触机器人教育课程,但郑瑞莹也强调,这也是要看高中老师们的意愿,事实上在高中教育体系还是有机会能看到这类课程。


因应国际赛 语言能力需多加留意

至于台湾机器人教育的发展,郑瑞莹观察,台湾在国际机器人竞赛往年都有不错的成绩,以台湾玉山机器人协会所协办的WRO(World Robot Olympiad;国际奥林匹克机器人大赛)为例,该赛事共有50个左右的会员国,台湾亦是主要会员之一,每年协会都会送24队参赛队伍共150左右的人次到国外参赛。即便是在国内赛,2014年的参赛队伍总队数就高达1600多队,可见机器人教育在台湾拥有相当高的影响力。另一方面,毕竟是国际赛的关系,用英文能力表达机器人设计理念,是相当重要的环结,近年来,郑瑞莹也看到许多亚洲国家的参赛队伍在英文口说表达上的表现相当出色,这也是台湾队伍需要特别注意的地方。



图3 : 虽然台湾在国际机器人竞赛的表现不俗,但在语言能力方面,却也面临了其他亚洲国家的急起直追。 (Source:台湾玉山机器人协会)
图3 : 虽然台湾在国际机器人竞赛的表现不俗,但在语言能力方面,却也面临了其他亚洲国家的急起直追。 (Source:台湾玉山机器人协会)

触角多元 NI以单一平台连结所有面向

众所皆知,NI(国家仪器)除了在量测自动化与无线网通技术等多种应用领域皆有相当多的著墨外,在机器人市场上其实也投入了相当多的心力。在这当中,为产业界所熟知的,就是NI与乐高在机器人教育领域合作了相当长的时间。


NI学术应用工程师姜长青开宗明义就指出,NI的愿景就是提供简单易用的软硬体产品供业界使用,在看到了乐高对于机器人教育有相当的企图心之后,再结合美国Tufts大学Chris Rogers教授等人的协助,形成三方合作,乐高提供机构方案、NI贡献拿手的图形化设计工具、以Chris Rogers为首的教授群则提供教学等专业经验,约莫在1998年左右,便推出了第一款以嵌入式电脑为主体架构的RCX,搭配MindStorms开发软体,能让国小三年级以上的学童来实际​​完成机器人。而MindStorms背后的核心,正是NI所提供的LabVIEW。而随着时间推移, 到了2006年,开发软体也已经提供了更多较为复杂的功能,适合国高中生使用的LabVIEW-Lego,嵌入式电脑则进化到了第二代的NXT。而最近一次的重大演进,则是在2014年,嵌入式电脑出现了第三代的EV3。



图4 : NI在机器人教育的触角相当广泛,其中与乐高的合作更是行之有年。 (Source:NI)
图4 : NI在机器人教育的触角相当广泛,其中与乐高的合作更是行之有年。 (Source:NI)

不过,事实上,NI虽然与乐高有相当深入的合作,但放眼整体的机器人教育市场,NI的重心还是以高中生以上一路延伸的研究所,以便与产业界可以有更为深入的连结。姜长青谈到,NI十分重视「实作工程」(Do Engineering)的精神,提出这个概念约有七年之久,在这过程中,NI看到了相当多杰出的研究与教育人员,而在台湾, NI已经接连举办了14届的应用征文比赛,在三年前也新增了实作工程如何实现创新教育的项目。而乐高本身除了能被应用国中小教育领域外,也能被应用在大学课程中,姜长青以交大机械系的宋开泰教授为例,他将乐高与NI的LabVIEW加以结合,以系统层级的思维,让学生可以一次接触系统所需要的重要元素,像是机构、马达控制与程式设计等,学生再将这些元素加以结合,以实作方式来完成心目中的创意。


至于Maker们在这几年开始采用开放硬体平台来搭建出各种类型的机器人,对此,姜长青认为,NI对于机器人系统建置,会倾向单一平台来延伸出整个生态系统,这个单一平台就是NI旗下十分常见的RIO产品线,依据运算能力与价格的不同,开发者同样能打造想要的机器人的模样,再加上NI的产品本身拥有相当高的稳定度,未来也能与产业界有较为深度的连结,对于开发者有相当大的帮助。


归纳来看,NI在机器人教育所投入的范围是相当广泛的,在国内外的机器人赛事,也能不时看到NI的身影,像是美国FIRST(For Inspiration and Recognition of Science and Technology)的高中组FRC(First Robertics Competition)与台湾的IRHOCS (International Robot Hands on Competition & Symposium),NI大多会以是赞助形式或是自有的软硬体方案来协助参赛队伍。


机器人教育的未来挑战

面对机器人教育未来发展所产生的挑战,连宏城指出,从开放硬体衍生出的机器手臂教学的相关教材在台湾还是相当地缺乏,原因在于开放硬体的资源过多,老师们纵使想要付出时间教学,也必须花不少的时间熟悉,但老师们光是在教学、行政与品格教育等,就要付出庞大的心力与时间,所以若有教案与教材可以协助老师们快速上手,那么在推广机器人教育就会相对顺利许多。


连宏城坦言,即使到了现在,在教材的编写上,还是会参考许多老师们的建议,他举例谈到,他当初在程式语言上,仅提供了两种程式语言供学生练习,后来又新增了两种,就是因为有老师提出建议的关系。即便他本人过去从未有教学经验,但也因为有许多学校老师们提出问题,连宏城便有了服务机会,这也让他本人与这些老师们建立了相当深厚的关系。他呼吁台湾的Maker圈,大家一起共同打造进入门槛更低的机器人套件,让国中小学生可以享受动手实作并享受Maker精神。连宏城目前已经找了四位志同道合的朋友,打算打造双足机器人的套件,以5000元台币为目标,就是希望能降低成本上的进入门槛。


郑瑞莹则是直言,即便在WRO台湾区比赛获胜代表台湾到国外参赛,但旅费还是得由参赛队伍自筹,一般来说还是由该校协助筹措资金,或是透过企业赞助的帮忙,另外一种作法,则是带队老师也会协助学生,尽可能以机器人表演或是义卖方式,来赚取旅费。



图5 : 社团法人台湾玉山机器人协会秘书长郑瑞莹(摄影:姚嘉洋)
图5 : 社团法人台湾玉山机器人协会秘书长郑瑞莹(摄影:姚嘉洋)

结论

总体来看,台湾机器人教育的发展虽然十分蓬勃,但在某些环结上仍然还是面临了教材编写不易、国际赛经费不足与开放硬体进入门槛偏高的问题,但长期来看,这些问题还是可以慢慢地获得解决或是改善。由此可见,手作精神在台湾教育领域还是有不低的认同度,未来台湾机器人教育将会如何发展,值得期待。


刊头图片(Source:台湾玉山机器人协会)


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