機器人教學

機器人教學正是使用機器人做為教材，教導學生機械結構原理與機 電整合控制方法。對邏輯思考能力與應用能力的培養有所幫助，是台

灣十二年國民基本教育生活科技重要的教材，盼藉由機器人的教學提 升高中生工程設計的能力。

一、 機器人的重要性

Wilson（2010）提到由於近年來勞動力成本，以及對技術的要求越 來越高，機器人的重要性已經日益凸顯，且會是未來的主要產業（Yoo, 2015）。機器人可以運用在各行各業，包含食品的生產、危險環境的 探測、精密且不失誤的操作等，必然是未來一大趨勢。Casad 和

Jawaharlal（2012）以機器人製作來引入 STEM 教學，認為機器人教學 是工程教育適切的主題，學生不僅學習工程知識，還開發解決問題的 能力（Makino, 2012）。由於機器人的教學包含結構、控制、結構化的 流程、複雜問題的解決，這些步驟都可以培養學生的工程設計能力，

因此機器人在近年來逐漸變成火紅的教材。

台灣在新頒布的十二年國教課綱生活科技課程部分，高中端的主軸 為工程設計，而其教學內容正是機器人與控制的設計應用（十二年國 民基本教育科技領域課程綱要委員會，2015）。足以顯見機器人不僅 在業界占有舉足輕重的地位，在未來的生活科技課程也是主要課程之 一。機器人走入中小學是時代的趨勢，這個課程可以培養學生的統整 能力、創造力及問題解決能力，為了迎接機器人時代的來臨，需從中 小學的機器人教育開始（陳怡靜、張基成，2015）。

二、 機器人教學的現況

目前中小學多數學校仍以校本課程、社團或營隊活動進行機器人教 學，多以生活科技或資訊科技專長的老師授課（陳怡靜，2012）。在 高中的生活科技課程中，機器人教學從純粹的控制，到這一、兩年已 經轉變為以機械結構為主、控制為輔的課程。從網站及相關文獻得 知，各校為了發展機器人課程，需採購教育機器人設備，各校年度設 備費不足，需積極爭取各項競爭型計畫，如高瞻計畫、高中優質化、

均質化等專案計畫，以充實教育機器人設備來進行機器人課程（陳怡 靜，2012；林建良等人，2013）。

Casad（2012）在STEM的課程中以機器人作為主要教材，Eguchi

（2016）提到學校透過培養學生參加青少年機器人世界盃

（RoboCupJunior）來增加STEM學科的經驗，且能更有效提高學生學 習機器人的意願（Akagi, 2015），台灣在新課綱上也明確列出機器人教 學是核心教學內容，這樣的趨勢讓機器人教案越來越豐富。

目前常見的機器人教材有樂高的動力機械套件，內含主機、馬達、

積木，可以輕鬆做出許多機械結構。而開源的 Arduino 可以結合 3D 列 印、雷射切割來製作出不同的機械結構組件，自由度更高，也是相當 熱門的教材。

三、 機器人教學的內涵

機器人教學的內涵便是能夠教導學生「機械結構」與「機電整合」

的概念，是多科目合併的概念（Akagi, 2015）。機械係指能利用能量達 成某種特定目的的裝置，可以幫助人類省力或加快速度，使操作更方 便，以降低工作的難度（American Heritage Dictionary, 2012）。機械一 般由單一或複數個具有特殊功用的機構組成，能使機構做出特定形式 的動作，常見的動作如直線、圓周、搖擺、直線往復等運動。在機器 人教學中，機械結構通常藉由馬達的運轉來進行動作，有時更搭配齒 輪、蝸桿，改變力的方向，讓機械結構做出更多變化。

機電整合(Mechatronics)一詞是由機械的英文 Mechanical 及電子的 英文 Electronics 兩個字組合而成，在台灣譯為「機電整合」，在日本 則稱 為「電子機械學」，它是於 1969 年首先由日本川崎電氣公司一 位資深 工程師 Tetsuro Mori 先生所提出，一直被應用至今（吳向宸、

林穀欽、李浩榕、李振發，2013）。

機電整合的範圍極為廣泛，以工具機為例，早期工具機的構成，

離不開機架、移動或轉動零件、動力傳動機構、夾持機構以及更重要 的動力來源─馬達。現代的工具機使用伺服馬達作為驅動動力，使用精 密滑軌作為平台的移動基座，使用位置感測器、監控刀具及轉軸的移 動位置，更以電腦作系統整合，將工具機作精密的控制，使機械製

造，更為準確、快速，並以通訊技術，將整廠設備整合，甚至遠端搖 控設備，達到智慧化工廠。機電整合的目標是達到設備的功能要求，

以及達到設備之間的連結，而在人類使用感測器及積體電路零件後，

機電整合逐漸走向智慧化，直至今日變成了機器人。

近年的機器人教材，以一片主控板搭配多個相異功能的感測器為 主，可以偵測環境中許多不同的細節，包含專業知識、程序編寫、調 整與測量、創新製作等（費躍農等人，2008），因此便可以設計問題 情境，讓學生運用機器人套件來解決，不僅訓練其邏輯能力、培養問 題解決的能力，更能培養信息素養、知識與技能、思維與方法（李彥 林等人，2010）提升學生工程相關的知能。