利用机器人平台改善发展中国家的教育
摘要：在发展中国家，教育项目一直使用一种过时的教学方法，学生唯一的工作就是听教授的课，而没有实际应用或实践经验，从而导致学生的注意力广度、积极性和学习过程的兴趣下降。这项研究建议在小学和大学里使用机器人平台，以改善和评估机器人的可用性和有效性，提高学生在课堂上的注意力、积极性和知识获取。这项工作提到了在墨西哥的一个研究案例，在那里对机器人平台的使用进行了评估。为了评估本科生的学习过程，我们在一门基础编程课程中使用了一个六足机器人来帮助学生学习机器人编程和路径规划算法。课程结束时，学生们接受了几项调查，以评估他们对课程和机器人平台使用的看法。在小学，一个NAO机器人被用来给学生四种不同的勤奋在物理，数学和体育教育类。在这些实验中，通过行为观察协议观察学生的注意广度和他们使用机器人平台的能力;并对学生课前、课后的知识获取情况进行评价。结果表明，在课堂上使用机器人平台有助于提高学生的知识获取能力，提高学生的学习动机和注意力广度。此外，调查和可用性分析表明，知识和课程项目的设计足以引起学生对学校所教主题的更大兴趣。
关键词：辅助机器人·教育创新·教育平台·学习机器人·NAO机器人·路径规划
1介绍
为了让学生对充满挑战的未来做好准备，我们有必要提出这样的问题:我们需要教些什么?他们需要从他们的学术生活中培养出什么样的能力
* 德国Baltazar Reyes a01331329@itesm。mx Pedro Ponce pedro.ponce@tec。mx Arturo Molina armolina@tec。埃德加·奥马尔·洛佩兹·科达纳·埃德洛佩兹@tec。mx Nancy Mazon Parra nancymaz01@yahoo.com.mx
1墨西哥蒙特雷理工学院工程与科学学院
2墨西哥自治大学，墨西哥城，墨西哥
小学一年级到大学一年级。
为了实现这一点，有必要确定学生需要在适当的教育中培养哪些技能。根据许多致力于改善世界各地教育的资料，学生在学校需要培养的三种最基本的技能是:
bull;沟通和多学科的团队合作技能，终身学习和对新的经济、社会和环境问题的认识[1]。
bull;具有批判性和创造性思维的能力，并具有系统的视角。
bull;独创性、创造力、商业领导力和灵活性
考虑到这一点，目前的挑战是知道我们将如何教学和学生将如何学习。我们提出的模型的特点是在实践和研究在一个增强循环，如图1所示。该模型的工作原理如下:
适当地与学习学者和其他利益相关者合作，团队成员首先确定和澄清要调查的问题或要追求的想法。他们参考该领域的最新知识和应用，以建立在先前工作的基础上，并更好地设想他们设计的实验或试点项目，尽可能直接和凭经验地研究、评估和评估这些问题/想法。通过试验或试点项目的迭代调整他们的工作，可以得到令人信服的答案和对问题/想法的洞察。这些成果随后被用于改进“主流”教育项目，并通过标准的传播论坛(即、会议、出版物等)。在整个过程中，工程学院、学习学者和其他利益相关者进行合作，带来他们的经验和专业知识，以确保教育实践和研究之间可靠、相互制约的联系。
1.1 使用机器人平台作为辅助教育工具
世界各地的技术发展已经创造了不同的和独特的方法来支持许多主题的学习，机器人是近年来研究最多的领域之一。一般来说，机器人平台的实现已经被用来支持编程相关学科[4]的教学;然而，在过去的十年中，关于有效性的研究有所增加
图1教育实践与研究的创新周期
与机器人无关的机器人平台或工程主题[5]。
已经观察到，机器人平台的实现有助于概念的学习和技能的发展，尤其是编程技能的改善[4]。此外，我们还观察到，在课堂上使用机器人平台使得学生提升了更好的团队合作意识、沟通能力和解决问题的能力。
在教育环境中实现机器人平台有不同的方法。有人提出使用开放源码平台和低成本模块对本科生进行STEM教学。乐高头脑风暴工具包也被用来向孩子们介绍机械和电子[8]的概念。在日本，一个名为Robovie的机器人平台被安装在一所小学的科学教室里，以激发学生对科学相关话题[9]的好奇心。在英国，一个NAO机器人被用来教小学生基本的数学概念。最后，在乔治亚理工学院，一个机器人平台被证明能够在回答测试时放松学生，同时减少无聊感[11]。
然而，这些研究大多只对结果进行了定性分析，因此有必要对机器人平台在教育环境中的使用进行定量评估。
1.2 墨西哥教育技术资源应用场景
最近，人们努力开发更多的教育机器人平台，以便让年轻学生对未来的世界做好准备，在未来世界，人与机器人的互动将更加普遍。现在的工作任务是，设计出一个平台可以很容易地用于设计和管理教育机器人的内容。
研究表明，用于教育的机器人技术可以培养学生的不同技能和兴趣。它提高了团队合作和解决问题的能力，并激发了对科学与工程[13]后续研究的普遍热情。
根据世界经济论坛的数据，墨西哥在小学教育质量方面排名第102位。排名如此之低的一个主要原因是学生在课堂上缺乏兴趣。
注意力是人类通过感官和其他认知过程来积极处理大量刺激中的一小部分的工具。它由五个指标组成;即注意力集中(精确和记忆)、习惯化、反习惯化、注意力分散和对任务的兴趣(动机和热情)。
墨西哥公共教育部长(SEP)的一项研究显示，在分析了2006年全国考试的结果后，ENLACE，大约有21%的学生水平不合格，60%是初级水平，16%是优秀水平，1.6%是特别优秀水平。到2013年，有12.4%的学生水平不高，38.8%的学生水平较低，29%的学生水平较好，19.8%的学生水平较好。虽然令人满意的成绩有所增加，但仍有近一半的学生在学习上表现不佳。
1.3 利用信息通信技术进行教育创新:
挑战和经验
在墨西哥，基础教育教学继续使用一种传统模式，在课堂上浅层地融入了技术，尽管新一代更习惯于密集地使用技术。根据国家统计和地理研究所(INEGI)的数据，世界各地82%的大众跟随着正在使用的技术进步。
基于这个原因，本研究建立在这样一个信念之上，即获取和保持学生注意力广度的方法是通过使用更多的交互工具，比如机器人平台。设计一个机器人来帮助老师授课，会提高学生对注意力持续时间的预期。
可以说，学生对机器人的兴趣及其后续的动机是自然产生的，但在墨西哥关于这方面的正式研究很少。尽管近年来机器人的使用和学习引起了人们对开设课外课程或私人课程的更大兴趣，但在学校系统和当前的学习方法中，机器人平台作为辅助工具的使用却很少被引入和应用。正如[18]中提到的，教育机器人平台与Jean Piaget[19]的建构主义理论有着密切的联系，在建构主义理论中，学习是基于实际工作和经验的主动过程，而不仅仅是知识的传递。这意味着学生使用新技术(包括机器人技术)的动机应该与学生的现实有频繁的互动。把更多的技术带入他们的日常教育现实中，应该让学生接触到另一种学习方法和获取知识的新方法。以前有一些项目试图将技术工具整合到墨西哥的教室中。其中一项包括安装智能黑板，这是一种工具，除了作为教授的常规黑板使用外，还可以投射图像或视觉演示。
另一个项目是利用乐高机器人来激发学生学习工程学的兴趣。其中一家公司推广使用这些工具包
ROBO-ED。通过使用他们设计的说教式机器人工具包和用户手册，教师指导学生如何构建机器人平台。该企业已在墨西哥，秘鲁，哥伦比亚和哥斯达黎加[20]工作。学生的动机，虽然只是受到机器人平台的引起的，但需要通过在学习过程中给予他们一个积极的和主角的角色来维持。换句话说，学生的活动必须鼓励使用想象力，探索，甚至玩;它应该是一个积极的锻炼，包括一个机器人或一个技术平台[21]。
1.4 教育创新和信息通信技术
教育机器人包括一个新的学习系统，旨在激发学生的创造力和组织能力的框架内的团队合作。这一体系是建立在当前的建构主义教育理论基础上的，它促进了创造和创新的价值观。在学生适应不同的现实情境的同时，强化特定的知识领域。
在课堂上使用机器人平台的方法始于教授的设计，他寻找学生解决使用平台的问题。在教育中使用机器人意味着为每个学生创造新的挑战，帮助他们以实际的方式获得新的知识。
尽管有许多平台和项目在教室里使用了技术，但将机器人平台作为常规课堂设施并不常见。然而,新教学模式的领军蒙特雷(Tec 21模型)[22]打算为大学的本科生提供不可或缺的形成使其相应的劳动领域的国际竞争力通过自律和横向能力的发展,如创新创业、社会智力,公民和道德承诺,逻辑思维、沟通和数字转换。
考虑到这一点，本文件建议在学校内使用机器人平台作为辅助教育工具，以提高学生的注意力广度和学习成绩。为了评估这一点，采用了一系列的比较检查、调查和观察量表。
2平台描述
近年来，机器人平台在教育环境中的使用越来越频繁;然而，文献中报道的大多数项目都集中在与机器人直接相关的主题上
(编程、机器人构造、机电一体化等)[23]，更适合本科学生学习相关领域的工程项目。表1显示了一些用于这些目的的机器人平台。
如果机器人平台的目的是评估使用在低年级,像小学、初中或高中,有必要设计项目更相关的课程在这些水平的评价STEM(科学、技术、工程和数学)的主题没有直接关系的构建或编程机器人(/)。
不同作者评估学生的表现在三个层次前面提到的使用和不使用机器人平台,显示机器人的使用可以提高学生的学习效果,但是和机器人平台没有互动的学生效果不是很显著[23]。
学生使用机器人平台学习过程的改善令人失望的原因有很多。
首先，需要强调实施平台的教师[25,33]的作用，训练学生正确使用机器人，让他们对[34]感兴趣。工作小组的规模应足够小，让学生有机会操作平台，并将材料与学校[26]所教授的主题联系起来。通过考虑这些要点，教师能够在实验过程中指导学生，帮助他们将实验与正在开发的STEM能力联系起来。
图2机器人平台实现
本文描述了机器人平台在教育环境中的两种不同的方法(见图2)，以演示其在一般教育环境中的效用，而不仅仅是在特定的主题上。
首先，在工程本科课程中使用了Phantom X AX Mark II六足机器人，作为学生学习基本编程技术和机器路径规划算法的辅助工具。在学期的开始和结束时，对班级进行了两次调查，以评估学生对平台、课堂方法和内容的看法。由于学生人数较少，整个学期只创建了一个小组，所以在这部分项目中，无法与没有与机器人平台交互的小组进行结果对比。
其次，利用NAO机器人作为教授的辅助工具，对小学机器人平台进行评估
表1教育机器人平台概述
评估学生对STEM主题和体育课程的关注程度。在这个项目中，通过一个观察协议，对四年级、五年级和六年级的两组学生(一组有机器人的互动，另一组没有)的注意力广度进行评估，以评估与课堂注意力有关的不同方面。此外，还进行了可用性评估，以确定教授对机器人的可用性的看法。在项目的定量分析中，使用了前后测试来评估学生在课前和课后的理解情况。
3 学习机器人技术，创新工程教育
3.1 促进机器人工程的技术平台
来自德州农工大学[35]的Maura Borrego做了深入的研究，回顾了教育创新在工程教育中的应用，她解释了STEM(科学;技术、工程和数学)学科不足以改变工程教育的原因。在这项工作中，我们总结了七项工程教育创新。值得注意的是，它们包含了当前的创新平台或课程应该具备的提高教育质量的品质。它们如下:
1.以学生为中心的教学法:学生在课堂上积极参与课程内容。
2.人工制品解剖:学生将一种常见的产品拆开，探究其功能或设计(如缝纫机、自行车等)。
3.以课程为基础的工程服务学习项目:这些项目的学分是在当地社区的非营利性组织的多学科本科服务学习项目中获得的。
4.跨学科的顶点设计项目:来自多个学科的学生在项目中一起工作，因为他们即将结束他们的本科课程。
5.暑期桥项目:新生或转学生的住宿项目，帮助他们过渡到大学和工程系。
6.学习社区或综合课程:学生们一起参加一系列必需的工程、数学和科学课程，形成一个社区。
7.设计项目在第一年的工程课程:这些课程是针对即将到来的学生和特点
一个或多个个人或团队设计的项目是他们经验和成绩的重要组成部分。
在蒙特雷技术学院的墨西哥城校区，提出了一种工程教育工具，即六足机器人，并在基础工程编程课上使用，以帮助学生理解编程的基本概念如何应用于机器人的路径规划。这个机器人是一个人工制品，学生可以通过不同的实际应用程序的指导来重建和移动，以学习编程结构。
这个平台被认为是一个有用的学习工具，在任何一个学期的本科课程，因为依据不同的学期可以划分不同的难度和教学任务。另外，我们想知道机器人平台的使用是否会激励学生继续他们的工程研究，并通过使用机器人平台学习不同的领域，这将使他们有信心解决工程问题。
有很多不同的机器人教育平台都有着相似的目标，比如机器人Hero-I，它
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