高校课题申报：基于创客教育的机器人专业第二课堂知识图谱构建研究

基于创客教育的机器人专业第二课堂知识图谱构建研究学科分类：学科分类：高等教育课题类别：课题类别：一般课题关键词：关键词：创客教育 机器人 知识图谱预期研究成果：预期研究成果：研究报告课题设计论证课题设计论证1 1、问题的提出、课题界定、国内外研究现状述评、选题意义与研究价值。、问题的提出、课题界定、国内外研究现状述评、选题意义与研究价值。1.11.1一、问题的提出与课题界定一、问题的提出与课题界定基于创客教育理念以及 STEAM 教育理念（科学过程、技术能力、工程设计、艺术情操和数学 素养）的框架下重新审视机器人教育，将机器人第二课堂教育作为培养机器人专业学生素养的一 项重要技术平台,是解决我国高校机器人教育教学发展中所存在问题的一条新途径。本研究在文献 研究的基础上充分创客教育理念及其优势，以工业机器人仿真技术这门机器人实训课的知识 体系为基础,满足学生学习需求为前提进行教学设计构建知识图谱；之后根据教学设计开展第二课 堂教学实践,分析总结创客教育理念在机器人课程中的应用效果，以期为开展创客教育理念下的机 器人课程教学研究提供借鉴与依据。该课题的主要任务是创客教育背景下机器人专业知识图谱的构建，知识图谱是结构化的语义 知识库，用于描述物理世界中的概念及其相互关系，通过将数据粒度从文件级别降低到数据级别，聚合大量知识，从而实现知识的快速响应和推理。知识图谱包含的迭代关系有：信息抽取、知识 融合、知识加工，各关系之间逻辑联系，可以使碎片化的知识点呈现出图表化的链接。构建机器 人专业的知识图谱，就是自顶而下的构建建立基于机器人第二课堂的专业知识库，包括创客教育 课程，机器人相关专业课程（机器人技术基础、机器人仿真技术、工业机器人编程、自动化单元 设计与应用、工业机器人工装夹具、机器人视觉技术等），智能制造课程（机械制造基础、互换 性与检测技术等），目的是方便学生在机器人专业领域开展创新创业。1.21.2 国内外研究现状述评国内外研究现状述评1.2.11.2.1 国外研究现状国外研究现状通过仔细阅读和分析相关文献的内容,发现国外的很多学者将机器人教育与创客教育相结合 进行研究。主要研究内容有中小学课程基础学科、教材分析、机器人教学过程中的教学方法以及 相关的建议与启示。国外的研究者在机器人教育中注重发展学习者的创造力、逻辑思维、空间想 象力、操作实践技能、创新创业等能力,其中对创造力和逻辑思维的研究较多，也有研究结合创客 教育验证其对创造力、空间想象力等的促进作用。如朴光烈了解到基于机器人教育的优势在于可 以增强学生的创造力和逻辑思维，但是缺乏机器人教育教学模式;于是他基于建构主义提出了一种 基于机器人教育的教学模式，该模型包括 6 个阶段:准备,设计,组装,演示运行，评估,应用和扩展。金素妍等开展了一项基于游戏的机器人教育对小学生逻辑思维能力和学业成绩影响的研究；研究 发现学生参与基于游戏的机器人教育活动后,逻辑思维能力存在显著差异；因此金素妍认为基于游戏的机器人教育对学生的逻辑思考能力有积极的影响。此外,基于游戏的机器人教育改善了孩子的 学习动机。Root-BemStein 通过研究发现创造力与有天赋或有才能几乎没有相关性,但创造性人才 受到更广泛的训练,并且比普通人在这些兴趣上显示更多的能力。1.2.21.2.2 国外发展趋势国外发展趋势国外研究人员对机器人教育的研究视角较广，涉及机器人课程本身的探讨、学生各类能力的培养、教学模式的建构以及创客教育的引入等。日本机器人课程的教学重视理论教学与实践相结合，同时强调机器人设计的创意、创新；德国在机器人教学方面重视将知识点整理，形成特有的知识图谱，每门课程设有独立的图谱以辅助教学，从总体上来看，国外学者坚持把新的理念和课程融合的形式呈现给笔习者并起到显著作用,并积极开展第二课堂教学，试图构建创客教育的知识图谱，在一定程度上提高学习者的学习效率,并促进了综合能力的培养。1.2.31.2.3 国内研究现状国内研究现状创新创业教育是多学科融合的教育，不同于以往的专业教育，教育体系是创客教育的核心，高校政策和师资建设是创客教育的两翼。创客教育为一种新兴的教学模式,其课程体系、教学评价、实验设计、师资力量等多个方面的理论建设都还带加强。结合机器人教育理念、成熟教学模式与 信息技术学科相结合进行了一定的教学实践应用与效果评估,且由于信息技术学科在基础教育的 地位特殊性,教学实践都是研究者基于校本课程展开。如姚志凤等针对机器人教学内容简单固化等 问题,提出了机器人课程实践的新方案,并取得了较理想的教学效果;谭焱在新课程背景下开展中 学生的机器人教育,构建模式为中学中开展机器人教育提供了参考。从中,我们可以深刻感受到:其 实,在信息技术教育实行的过程中,人才是关键。机器人课程在高等教育领域中的研究主要由部分 的本科院校和高职院校开展。首都师范大学的吴洁在阐述了基础教育领域中的机器人教育现状后,说明了培育合格的中小学机器人教育的师资力量,可促进我国机器人教育发展,同时更能提高师范 生的综合能力,推广先进的教育理念,推动我国教育事业的进步;湛江师范学院的吴东等在探讨了 中小学机器人比赛现状的基础上,结合该校的实际教学条件,探讨了高等师范院校机器人课程教学 的目标、内容和方法,以期为基础教育领域培养专业教师;武汉船舶职业技术学院机械工程学院的 周宇等就该校数控专业工业机器人技术课程教学安排进行了探讨,分析了目前工业机器人课程 教学中存在的主要问题,为该校的这门课程改革提出了思路与做法。1.2.41.2.4 国内发展趋势国内发展趋势国内学者对机器人教育的研究视角在逐渐发生变化,研究范围也渐渐变得更加广阔。视角从简 单的机器人竞赛到逐渐关注校内教学效果的优化、人才培养等问题,研究也不仅仅拘泥于基础教育 领域中,而且逐步延伸至高等教育中。但相比于国外研究现状,国内的机器人教育还还缺乏较多的 与创客教育相结合的研究,尤其是在高等教育中。首先在机器人课程实施的过程缺乏对机器人课程 实施关键因素的探析和教学课堂的反思;其次教与学的资源建设不乏有些滞后,不利于机器人课程 的开展,从而导致整个机器人教育得不到普及;最后现有教学实践研究还未能更好的开展,虽然学 者们对于教学实践有着很大的激情在积极探索,但教学实践仍处于边缘地带,这与未真正关注机器 人教育的本质有关,即机器人教育是多学科交叉融合的教育,因此还需做更多更大的努力。1.31.3 选题意义选题意义（1）理论意义 本研究对机器人专业相关实验课课程进行融入创客教育理念的教学设计，以及开展第二课堂 教学并构建知识图谱，试图将扁平化的知识点立体化,可以为其他开展机器人教育的研究者提供一定的理论依据。（2）实践价值 采用机器人专业知识图谱下的第二课堂教学，有利于大学生实践及其创新能力提高。为机器 人相关实验课程教学提供了丰富的课程资源和学习活动案例,为机器人专业今后创客教育的顺利开展提供丰富的教学经验。1.41.4 研究价值研究价值为本校的机器人产学研中心使用积累经验，为今后的机器人工程本科专业教学及开展学术创 新、创业教育提供理论支持，为其他专业的产学研协同教学提供参考性文献和技术资料，为应用 型本科院校机器人专业创客教育工作梳理疑惑。本研究的受益范围：我校机器人工程专业的全体 教师及学生，其他相近工科专业的教师及学生，地区内高校机器人相关专业的教师及学生。本研 究的成果：学术论文 2 篇，研究报告 1 篇。1.51.5 研究预期成果研究预期成果本研究的预期成果：学术论文 2 篇（至少含核心论文 1 篇），研究报告 1 篇。2 2、课题理研究目标、研究内容、研究重点和创新之处。、课题理研究目标、研究内容、研究重点和创新之处。2.12.1 研究目标研究目标受中国制造 2025、双创政策、创客教育的影响，机器人专业在全国多数高校的开展如火如荼，其面向学生创新思维和动手实践能力培养的定位基本明确。虽然我国机器人教育发展迅速，但在 高校中具体的机器人课程的开发研究才刚刚起步，目前尚需要一系列理论与实践研究来辅证课程 设置的必要性和合理性。本研究在文献研究的基础上充分利用创客教育的理念及其优势,结合机器 人教育理念，以机器人专业实验课的知识体系为基础，对培养方案中系列实验课进行教学设计，根据教学设计开展实验课教学实践，分析总结创客教育理念在机器人课程中的应用效果，形成该 系列课程的知识图谱。2.22.2 研究内容研究内容先对国内外机器人教育、创客教育已有的研究进行文献综述,详细整理并分析机器人教育和创 客教育的应用现状与需求，从人才培养的角度提出机器人教学项目的设计策略,设计与开发适用高 校于第二课堂的机器人教学项目，收集到的数据对研究对象在学习兴趣、学习技能、课堂参与、合作意识和反思总结四个方面进行课程前后对比分析与研究，进行教学满意度分析，最终得出结 论。2.3 研究重点 具体研究内容有以下四个方面：（1）通过文献综述，分析创客教育理念以及 STEAM 教育理念融入机器人教育的可能性；（2）通过课堂教学产生的研究数据，分析、探究、总结融入创客教育理念以及 STEAM 教育理念的机器人课程教学效果,最终尝试构建基于创客教育的机器人实验课程教学模型；图 1 融合 STEAM 元素的机器人教学活动设计模型（3）融合创客教育理念的机器人课程教学活动设计，教学案例设计 Robotstudio6.05 软件的学习与应用作为切入点及教学案例，通过第二课堂教学使学生主动完成软件的学习以及课程设计任务；（4）研究对象综合素质与教学满意度分析。表 1 机器人课程教学目标矩阵采用两个教学班对比方式，根据满意度调查问卷，分析数据，得出两个班级试验样本对创客 教学理论指导下的机器人课程教学的学习程度与课程满意度，形成结论。3 3、研究思路、研究方法、实施步骤。、研究思路、研究方法、实施步骤。3.13.1 研究思路研究思路3.23.2 研究方法研究方法（1）文献计量研究法 文献研究法主要是针对利用图书馆、网络工具及专业文献数据库等多种渠道和方式查阅获得 的国内外优秀博硕士论文、书籍、期刊和网络资源,结合关键词的词频分析、聚类分析及多维尺度 分析等分析方法,对国内外有关创客教育和机器人课程教学的文献进行综述。（2）可视化研究法 知识的可视化研究法可以说是一种相对新兴的研究方法，这种方法是在数据可视化研究的基 础上，对研究领域的相关信息进行统计、整理，将抽象的知识及其内在的复杂关系最终通过概念 图、知识图谱等的形式展现出来的，便于直观理解和传播的一种研究方法。这种研究方法相比于 单纯的文字表述能够更加有利于展现知识间的内在联系，运用知识图谱工具绘制出相关研究领域 的图谱，梳理出机器人课程在理论与实践授课中知识的重点、热点、难点，为以后教学工作提供 参考。（3）对比分析法 通过文献研究和可视化图谱呈现出的相关内容，对比是否采用创客教育理论、第二课堂的机 器人专业两个授课班级发展历程，提出我国目前在该研究方向存在的问题，总结出可供借鉴的经 验，并对于我国未来高校机器人专业的发展提供建议。3.33.3 实施步骤实施步骤4 4、主要参加者的学术背景、前期相关研究成果、核心观点等。、主要参加者的学术背景、前期相关研究成果、核心观点等。XX：硕士学历，讲师/工程师，2016.09-至今 XXXXX.机器人工程专业任教，主持校级课题应用型高校多平台协同教学的实践与研究以机器人产学研中心为例2017.62018.6 校级课题安川焊接机器人的焊接路径规划与仿真研究 2017.62019.6 负责人发明专利，定量调味瓶及调味装置，专利号：XXXXX，第一发明人专利，用于送餐的四旋翼无人机，专利号：XXXXX，第一发明人专利，定量调料瓶和调味装置，专利号：XXXXX,第一发明人专利，气动拉紧式半自动捆包机，专利号：XXXXX，第一发明人湖北省科技成果：铆塞密封性能测试设备，主要完成人XX：硕士学历，副教授，现就职于XXXX。近 5 年主持省级教科项目 2 项，市级教科研项目 2 项，校级教科研项目 4 项，参与各级教科研项目、教学质量工程6 项。发表教科研论文 20 余篇，其中 EI 检索 2 篇。主编教材 1 部，副主编教材 3 部，参编教材 1 部。已申请授权各种专利 5 项，其中发明专利 1 项。指导学生省级大学生创新训练项目3 项。主持项目3E 视角下机械专业应用型人才培养模式探索与实践科研团队或得XXXX 优秀科研团队。论文3E 视角下校企融合式应用型人才培养模式的探索与实践获武汉市教育科学“十二五”规划优秀论文一等奖。专利一种车胎查漏工具，XXXXXX 第五届优秀科研成果三等奖。幻梦课堂机械系统趣味演示台获首届湖北省高等学校自制实验教学仪器设备展二等奖。XX：硕士学历，讲师，主持的教学研究课题：以培养创新技术人才为目标的逆序教学设计研究以机械制造基础课程为例，武汉市教育局教学研究重点项目，基于“云教学”的互动式教学模式及评价体系研究，XXXX 校级教学研究项目，2017 获得的教学表彰/奖励，武汉市第十五届教师五项技能竞赛三等奖，获得案例分析环节单项第二名，XXXX中青年教师教学技能竞赛三等奖，授予XXXX“教学技术能手”称号。XX：硕士学历，副教授，2005.12-2014.6 XXXX计算机专业任教，2014.6-至今XXXXXX 工业机器人技术专业任教教材，组态软件应用技术，第二主编，XXXXXX 出版社教材，计算机应用基础，副主编，XXXXXX 出版社教材，计算机操作系统原理，副主编，XXXXXX 出版社教材，大学计算机基础，副主编，XXXXXX 出版社专利，一种基于单片机的超声波视力保护装置，专利号：XXXXXX，发明人以主要骨干参与湖北省技能型人才培养研究中心课题：基于教育与产业结合的模具设计与制造专业“双师型”教师队伍建设研究、高职院校在线开发课程建设与应用的研究XX：硕士学历，工程师，现就职于XXXX 机电工程学院，工程师。国家专利8 项，用于机器视觉货物分拣的夹持装置，实用新型，可供多人使用的水龙头，实用新型等；发表论文 5 篇，智能柔性生产线在XXXX 实践教学研究XXXX 学报，CBE 教学模式在高校机器视觉教学中的应用研究，XXXX；获奖情况，一种多人位的智能充电水龙头研发荣获2018年中国机械工程学会年会优秀论文奖；基金项目4 项，2018 年武汉市教育局市属高校产学研项目课题，2018 年 XXXX 校级产学研课题，2018 年湖北省教育厅科研计划项目课题，2018 年湖北省高校省级教学改革研究项目课题；主编教材著作，传感器与检测技术XXXX 出版社“十三五”规划教材，副主编。XX：本科，高级工程师，就职于XXXXX，高级工程师，项目总工，2005 年毕业于中国地质大学机械制造及自动化专业。从事工业机器人系统集成项目的设计与研发工作，涵盖自动化产线设计的方案制订，图纸审阅，现场调试等。主持和参与完成各类工程项目20 余项，发表科技论文 2 篇，获国家发明专利 1 项。5 5、开展本课题研究的主要参考文献、开展本课题研究的主要参考文献1 殷朝晖,李瑞君.美国研究型大学教师学术创业及其启示J.教育科学,2018,34(3):88-94.2 杨现民,李冀红.创客教育的价值潜能及其争议J.现代教育远程教育研究,2015(2):23-34.3Berry,C.A.,Remy,S.L.,Rogers,T.E.Robotics for All Ages A Standard RoboticsCurriculum for K16J,Ieee Robotics Automation Magazine4RootBernstein,R.Arts and crafts as adjuncts to STEM education to foster creativity ingifted and talented studentsJ.Asia Pacific Education Review,2015,16(2),203-212.5 张振堂.中学智能机器人教育的校本课程建设研究D.西北师范大学,20066 衷克定刘海欧.基于“主导一主体”教学模式的机器人教学研宄J.中国电化教育,2008,11:84-88.7 孙媛媛.中小学机器人课程的研宄与开发D.首都师范大学,2006.8 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