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機器人教育 就從手作開始
樂高、開放硬體殊途同歸

【作者: 姚嘉洋】   2015年08月05日 星期三

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機器人的種類十分多元,舉凡家用、工業自動化、救災與軍事等,都可以見其蹤跡,但在教育方面,在台灣,雖然能看到許多相關比賽,但未見針對該領域有較為具體的討論。


手作精神實現 不侷限任何形式

談到機器人在台灣國民教育的發展,行動創客學院執行長連宏城可說是重要的推手之一,他本人已在台灣的偏遠地區的國中小學,先後舉辦了約有四十場的免費機器手臂組裝的教學工作坊。這類的工作坊十分受到學生、家長與學校老師們的歡迎。


連宏城出身於交大資工,擅長程式撰寫,過去不僅在台灣IT領域服務,也曾經代理過線上遊戲在台灣的販售,後來才在去年,以開放硬體的方式決定投入機器人教育市場,目標對象就是台灣的國中與國小學生。他坦言,雖然開放硬體擁有相當豐富的資源,但正因為資源太多,所以摸索約有半年的時間,才對開放硬體有較為深入的認識。


連宏城直言,當初選擇投入該市場時,就認為機器人組裝對於小朋友有相當高的吸引力,但在投入初期就發現了所需要的成本過於高昂,一台雙足機器人的成本約莫就要上萬台幣起跳。不過,若改以機器手臂的組裝教學,可以大幅降低成本,但還是有一定的吸睛能力,同時也能讓小朋友享受組裝的樂趣。他也談到,在推廣初期,他就發現了台灣各地的國中小學,對於機器人或是機器手臂組裝擁有相當高的接受度與興趣。原因在於每個人本來就有天生的「手作基因」,透過動手組裝的過程中,來獲得成就成,若再加上在組裝的過程中,賦予教育意義,也能提升家長的接受度,進而促使學校願意動用內部資源,讓學生可以參與並體驗這樣的手作教育。



圖1 : 在連宏城的努力下,以開放硬體為架構的機器人在國小教育領域已經有初步的進展。(Source:行動創客學院執行長連宏城)
圖1 : 在連宏城的努力下,以開放硬體為架構的機器人在國小教育領域已經有初步的進展。(Source:行動創客學院執行長連宏城)

連宏城觀察,國民教育的機器人市場大多由樂高所壟斷,而連宏城所提供的機器手臂組裝,則是源自於開放硬體的資源。開放硬體的好處在於,軟硬體資源可以彼此分享,進一步實現Maker(創客)們的創意。他談到,其實政府相當支持開放硬體的發展,所以也十分樂見國中小學的學生接觸這類領域,不過即便政府單位傾向支持態度,但若要政府提供經費,還是得由學校本身提出教學計畫,再向政府申請是目前可行的作法。而每間學校內部的教學資源又不甚相同,所以學校若有意將開放硬體的資源引進,就必須仔細審視師資等相關資源的狀況,以提交符合自身現況的計畫。



圖2 : 樂高機器人在台灣國小教育領域擁有相當高的能見度。(Source:台灣玉山機器人協會)
圖2 : 樂高機器人在台灣國小教育領域擁有相當高的能見度。(Source:台灣玉山機器人協會)

目前就國小接觸開放硬體機器人的發展狀況,也有不錯的發展,像是台北市的日新國小的徐臺屏老師所指導的隊伍就曾在台北市校際機器人比賽獲得亞軍殊榮、再興國小的黃輝聲老師成立了Maker社團,北投義方國小的謝琪文老師亦投入這方面的教育工作。


社團法人台灣玉山機器人協會祕書長鄭瑞瑩也指出,就過去WRO(World Robot Olympiad;國際奧林匹克機器人大賽)的賽事會議上,其實也觀察到投入機器人的形式已經變得相當多元,儘管樂高積木算是國際賽事的主流,但重點在於如何實現「手作」精神,所以原則上不侷限任何一種方式來呈現機器人的創意與完成競賽。


不論是台北市或是偏遠鄉鎮的小學,對於機器人教育的接受度非常高,

但另一方面,一旦到國外競賽就會面臨到經費不足的問題。

而開放硬體深入國小教育也需要Maker們的協助,

才能有進一步的發展。

至於在台灣教育市場上,以她的了解,國中與國小對於樂高的接受還是相對較高,開放硬體則較適合高中生。


但她也同意連宏城的說法,政府對於機器人教育的推廣的確相當的重視。在國小教育領域,家長的確是機器人教育推動的重要關鍵,若家長願意讓小朋友接受這方面的教育課程,學校方面就有機會成立社團或是課輔班,提供這方面的課程。國中的話,就是可能會將這類課程納入我們過去所熟悉的工藝課程內,在高中方面,技職教育較有機會接觸到,若是一般高中可能就比較沒有機會接觸機器人教育課程,但鄭瑞瑩也強調,這也是要看高中老師們的意願,事實上在高中教育體系還是有機會能看到這類課程。


因應國際賽 語言能力需多加留意

至於台灣機器人教育的發展,鄭瑞瑩觀察,台灣在國際機器人競賽往年都有不錯的成績,以台灣玉山機器人協會所協辦的WRO(World Robot Olympiad;國際奧林匹克機器人大賽)為例,該賽事共有50個左右的會員國,台灣亦是主要會員之一,每年協會都會送24隊參賽隊伍共150左右的人次到國外參賽。即便是在國內賽,2014年的參賽隊伍總隊數就高達1600多隊,可見機器人教育在台灣擁有相當高的影響力。另一方面,畢竟是國際賽的關係,用英文能力表達機器人設計理念,是相當重要的環結,近年來,鄭瑞瑩也看到許多亞洲國家的參賽隊伍在英文口說表達上的表現相當出色,這也是台灣隊伍需要特別注意的地方。



圖3 : 雖然台灣在國際機器人競賽的表現不俗,但在語言能力方面,卻也面臨了其他亞洲國家的急起直追。(Source:台灣玉山機器人協會)
圖3 : 雖然台灣在國際機器人競賽的表現不俗,但在語言能力方面,卻也面臨了其他亞洲國家的急起直追。(Source:台灣玉山機器人協會)

觸角多元 NI以單一平台連結所有面向

眾所皆知,NI(國家儀器)除了在量測自動化與無線網通技術等多種應用領域皆有相當多的著墨外,在機器人市場上其實也投入了相當多的心力。在這當中,為產業界所熟知的,就是NI與樂高在機器人教育領域合作了相當長的時間。


NI學術應用工程師姜長青開宗明義就指出,NI的願景就是提供簡單易用的軟硬體產品供業界使用,在看到了樂高對於機器人教育有相當的企圖心之後,再結合美國Tufts大學Chris Rogers教授等人的協助,形成三方合作,樂高提供機構方案、NI貢獻拿手的圖形化設計工具、以Chris Rogers為首的教授群則提供教學等專業經驗,約莫在1998年左右,便推出了第一款以嵌入式電腦為主體架構的RCX,搭配MindStorms開發軟體,能讓國小三年級以上的學童來實際完成機器人。而MindStorms背後的核心,正是NI所提供的LabVIEW。而隨著時間推移, 到了2006年,開發軟體也已經提供了更多較為複雜的功能,適合國高中生使用的LabVIEW-Lego,嵌入式電腦則進化到了第二代的NXT。而最近一次的重大演進,則是在2014年,嵌入式電腦出現了第三代的EV3。



圖4 : NI在機器人教育的觸角相當廣泛,其中與樂高的合作更是行之有年。(Source:NI)
圖4 : NI在機器人教育的觸角相當廣泛,其中與樂高的合作更是行之有年。(Source:NI)

不過,事實上,NI雖然與樂高有相當深入的合作,但放眼整體的機器人教育市場,NI的重心還是以高中生以上一路延伸的研究所,以便與產業界可以有更為深入的連結。姜長青談到,NI十分重視「實作工程」(Do Engineering)的精神,提出這個概念約有七年之久,在這過程中,NI看到了相當多傑出的研究與教育人員,而在台灣,NI已經接連舉辦了14屆的應用徵文比賽,在三年前也新增了實作工程如何實現創新教育的項目。而樂高本身除了能被應用國中小教育領域外,也能被應用在大學課程中,姜長青以交大機械系的宋開泰教授為例,他將樂高與NI的LabVIEW加以結合,以系統層級的思維,讓學生可以一次接觸系統所需要的重要元素,像是機構、馬達控制與程式設計等,學生再將這些元素加以結合,以實作方式來完成心目中的創意。


至於Maker們在這幾年開始採用開放硬體平台來搭建出各種類型的機器人,對此,姜長青認為,NI對於機器人系統建置,會傾向單一平台來延伸出整個生態系統,這個單一平台就是NI旗下十分常見的RIO產品線,依據運算能力與價格的不同,開發者同樣能打造想要的機器人的模樣,再加上NI的產品本身擁有相當高的穩定度,未來也能與產業界有較為深度的連結,對於開發者有相當大的幫助。


歸納來看,NI在機器人教育所投入的範圍是相當廣泛的,在國內外的機器人賽事,也能不時看到NI的身影,像是美國FIRST(For Inspiration and Recognition of Science and Technology)的高中組FRC(First Robertics Competition)與台灣的 IRHOCS (International Robot Hands on Competition & Symposium),NI大多會以是贊助形式或是自有的軟硬體方案來協助參賽隊伍。


機器人教育的未來挑戰

面對機器人教育未來發展所產生的挑戰,連宏城指出,從開放硬體衍生出的機器手臂教學的相關教材在台灣還是相當地缺乏,原因在於開放硬體的資源過多,老師們縱使想要付出時間教學,也必須花不少的時間熟悉,但老師們光是在教學、行政與品格教育等,就要付出龐大的心力與時間,所以若有教案與教材可以協助老師們快速上手,那麼在推廣機器人教育就會相對順利許多。


連宏城坦言,即使到了現在,在教材的編寫上,還是會參考許多老師們的建議,他舉例談到,他當初在程式語言上,僅提供了兩種程式語言供學生練習,後來又新增了兩種,就是因為有老師提出建議的關係。即便他本人過去從未有教學經驗,但也因為有許多學校老師們提出問題,連宏城便有了服務機會,這也讓他本人與這些老師們建立了相當深厚的關係。他呼籲台灣的Maker圈,大家一起共同打造進入門檻更低的機器人套件,讓國中小學生可以享受動手實作並享受Maker精神。連宏城目前已經找了四位志同道合的朋友,打算打造雙足機器人的套件,以5000元台幣為目標,就是希望能降低成本上的進入門檻。


鄭瑞瑩則是直言,即便在WRO台灣區比賽獲勝代表台灣到國外參賽,但旅費還是得由參賽隊伍自籌,一般來說還是由該校協助籌措資金,或是透過企業贊助的幫忙,另外一種作法,則是帶隊老師也會協助學生,盡可能以機器人表演或是義賣方式,來賺取旅費。



圖5 : 社團法人台灣玉山機器人協會祕書長鄭瑞瑩(攝影:姚嘉洋)
圖5 : 社團法人台灣玉山機器人協會祕書長鄭瑞瑩(攝影:姚嘉洋)

結論

總體來看,台灣機器人教育的發展雖然十分蓬勃,但在某些環結上仍然還是面臨了教材編寫不易、國際賽經費不足與開放硬體進入門檻偏高的問題,但長期來看,這些問題還是可以慢慢地獲得解決或是改善。由此可見,手作精神在台灣教育領域還是有不低的認同度,未來台灣機器人教育將會如何發展,值得期待。


刊頭圖片(Source:台灣玉山機器人協會)


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