機器人教學

一、機器人教學意涵

隨著科技的快速發展，各種功能與不同形式機器人的開發，不僅 使工商製造業產生巨大變革，近年來更因為企業界與教育界的產學合 作，使得教學型機器人在教育領域開始佔有一席之地。美國的機器人 教育行之有年，機器人的教學應用相當成熟且為世界各國所借鏡，自 2013 年開始，美國國家科學基金會(NSF)更推行 TangibleK 機器人計畫 (TangibleK Robotics Project)，在幼稚園至小學二年級(K-2)階段推廣機 器人教學，將原本已運行多年的機器人教育向下扎根至幼兒教育階 段。而我國實踐科學教育的重要機構-臺灣科學教育館，在 2013 年的施 政計劃其中一項營運計劃，便是結合國內院校系所及民間團體資源，

合作辦理國內外機器人競賽，希望藉以提升科學普及教育的質量(科教 館，2013)。教育部亦從 1997 年開始，配合我國產業界之需求與趨勢，

舉辦國內最大規模的機器人創意設計與製作競賽，至今已連續辦理 17

屆(教育部，2013)。

目前世界各國皆挹注大量資金與政策在智慧型機器人的開發領 域，而教育型機器人便是其中一項重要的應用(資策會，2011)，運用教 育型機器人來進行教學，以輔助教師傳遞教材知識、協助學生理解學 習內容，進而提升整體教學成效，即可稱為機器人教學(robotics education)(Benitti, 2012)。與傳統使用圖文及簡報的教學方式相比，機 器人教學具有互動性高、可實際操作、操作過程彈性、操作結果具體 可見等優點，不僅更符合學生的認知理解能力，也能藉由新穎的機器 人教材教具，激發學生的學習動機。另外，機器人也是個學習多元知 識的工具，除了科學、科技、工程、數學(STEM)的學科知識學習(Liu et al., 2013)，更可透過任務的解決歷程，培養學生的溝通合作與問題解 決能力(Dilek et al., 2011)，使學習的過程更加多元而具體。

依據機器人在教學過程中所扮演的角色，可將機器人教學分為以 下五種類型(Chuang, Huang, Lin, & Huang, 2010)：

1. 機器人學科教學(Robot Subject Instruction, RSI)：將機器人視為一門 學科或課程以供學生作為學習內容。

2. 機器人輔助教學(Robot-Assisted Instruction, RAI)：以機器人做為進行 相關教學活動的主要教學媒體或工具。

3. 機器人管理教學(Robot-managed Instruction, RMI)：將機器人的自動

化特性應用於教育領域，諸如教學管理、成績事務管理、財務管理、

人事管理、設備管理等。

4. 機器人代理事務(Robot-Represented Routine, RRR)：以機器人取代人 力，從事打掃校園、呈現教學影音內容等例行事務。

5. 機器人主導教學(Robot-Directed Instruction, RDI)：機器人位於整個教 學活動的主導地位，為機器人教學的最高階應用。

目前我國教育現況與政策發展趨勢，機器人學科教學多於大專院 校開設專門學系，傳授機器人相關專業知識；機器人輔助教學則常見 於中小學數學、理化、自然科學等相關課程之教學現場，以機器人做 為結合理論與實務的媒介工具，為目前科學教育領域之研究重心；另 外，機器人主導教學則是未來教育科技與科教領域的研發重點之一。

與傳統使用圖文及簡報的教學方式相比，機器人教學具有互動性 高、可實際操作、操作過程彈性、操作結果具體可見等優點，不僅更 符合學生的認知理解能力，也能藉由新穎的機器人教材教具，激發學 生的學習動機(Dagdilelis, Sartatzemi, & Kagani, 2005)。另外，機器人也 是個學習多元知識的工具，除了科學、科技、工程、數學的學科知識 學習(Liu et al., 2013)，更可透過任務的解決歷程，培養學生的溝通合作 與問題解決能力(Dilek et al., 2011)，使學習的過程更加多元而具體。

二、機器人教學的現況

國外推行機器人教學的由來已久，機器人在教育領域的應用相當 廣泛，除了所使用的機器人教具、以及用來編程的電腦語言平台多樣 化，機器人在教學現場所扮演的角色類型也相當多元，且機器人在教 學階段，從學前教育(preschool education)至高等以上教育(higher education)皆有相關應用與研究。有一部分學者偏向將機器人視為工具 用途，著重於探討如何運用機器人來提升教師的教學效益與學科知識 之學習成效，早在 1982 年即有學者使用 LEGO 系統進行機器人的程式 設計與編碼(Tomek, 1982)。而後隨著程式設計圖形化使用者介面

(graphical user interfaces, GUI)的開發，編寫程式不再是複雜而遙不可及 的艱深技能，因此有越來越多中學教師使用 Lego Mindstorms 機器人來 進行程式設計教學(Dagdilelis et al., 2005; Klassner, 2002; Lavonen,

Meisalo, Lattu, & Sutinen, 2003)。機器人亦可作為其他學科的教學輔助 工具，例如運用樂高機器人提升學生的數學和科技之學科能力表現 (Lindh & Holgersson, 2007)以及邏輯問題的解決能力(Jörgen & Thomas, 2007)、或是使用機器人來做為傳授教材的互動式媒體工具(Carbonaro et al., 2008)，甚至與學生進行合作學習，以提供更具體且易懂的學習經 驗，進而增進教材知識的吸收成效(Mitnik, Recabarren, Nussbaum, &

Soto, 2009)。另外，也有一部份學者從情意層面導入機器人教學，賦予 機器人角色定位和學生進行互動，以增進學生的社會行為、社交技巧

與學習動機(Benitti, 2012)，例如使用社會輔助機器人與學齡前幼童進行 社交互動(Marina, 2014; Tanaka, Cicourel, & Movellan, 2007)、將機器人 與混合實境(Mixed Reality)整合以提高問題任務的真實性並提升學生之 學習動機(Chang, Lee, Wang, & Chen, 2012)、運用機器人融入互動式學 習環境，激勵學生對於科學理論之學習興趣(Bertacchini, Bilotta,

Pantano, & Tavernise, 2012)。近幾年美國更致力於機器人師資的開發，

試圖透過行動追蹤、語音辨識、語意分析、以及自我學習調整等人工 智慧技術，使機器人能夠像真人教師一樣進行字彙教學或語言治療等 兒童教育相關工作(Woolf, Lane, Chaudhri, & Kolodner, 2013)。

而國內機器人教學由於推廣時間較晚，且可供選擇的機器人教具 與教材並不多，故目前大多以樂高(LEGO)公司 Mindstorms 系列之應用 最為成熟而廣泛；RCX 系列因產品推出時間較早，故於教學現場應用 之研究並不多，例如將 RCX 系列做為教學媒體，發展相關的創意教學 活動教案與教材，以培養學生之科技創新設計與問題解決能力(施能 木，2007)。近期機器人教學皆以 NXT 系列為主，在科學教育領域之研 究成果豐碩，大致可分為以下四類：

第一類：以 NXT 機器人做為課程內容的學習工具。包括：樂高機器人 輔助學生學習程式設計與電路實作之成效研究(王裕德、陳元泰、曾鈴 惠，2012；吳庚軒，2010；許雅慧，2005；曾義智，2006；謝亞錚，

2009)、機器人教學提升學生科技創造力之研究(林育沖、黃能堂，

2007；趙貞怡，2013)、以智慧型機器人做為真實數學學習工具之研究 (簡清華、陳雅萍、葉國平，2009)、以機器人教學提升英語學習成效之 研究(徐麗真，2011；陳振民，2013)。

第二類：以機器人做為提升學習動機、科學態度與團隊合作能力之輔 助工具。包括：應用 Lego Mindstorms 主題探究活動提升國小學童問題 解決能力與科學態度(蔡錦豐，2009)、透過操作樂高機器人提升學生之 人際關係、情緒管理與團隊合作能力(紀又綾，2012；曾吉弘、蘇珊 筠、蔡宛庭、康仕仲，2012；趙貞怡，2013)。

第三類：以機器人做為教師的教學夥伴以及學生的學習代理人。包 括：結合史賓機器人與 LEGO 組裝套件教具之可程式化機器人於教室 做為教學夥伴之應用研究(石兆芬，2007；游鎮嘉，2006)、以樂高機器 人做為混合實境學習環境中之代理人與學習夥伴(紀又綾，2010)。

第四類：以機器人為課程規畫之主題，設計相關活動教案與教材。包 括：樂高機器人多媒體教材設計、發展與可用性評估(郭展馨，2009)、

為特殊學生所發展之互動式機器人教學系統(蔡政宏，2011)、針對學生 主動探索學習與問題解決能力的樂高機器人課程設計原則之探究(李鎮 亦，2012)。

其中，第一類及第二類的研究成果較多，由此可知，機器人教學

多以樂高機器人為教學的主要學習工具，而本研究以機器人教師資格

智慧型二足

Microsoft Robotics Developers Studios Applicant

教育部

亨科技有限

作控

程、

智慧 機器 人課 程

企業 元

資料來源：出自張玉山 ( 2014：4 )。

統整後可將目前國內機器人師資培育略分為三類，第一類為中央 或地方教育機關所辦理，供各級學校教師或對機器人教學有興趣之社 會人士參與的師資培訓活動，其目的除了發展學校教師的機器人教學 專業知能以外，亦具有推廣機器人科普教育的功能；第二類為各縣市 學校自行辦理，供校內或校外教師參與之教師培訓研習，主要目的為 研修機器人教材教案，以及提供教師之間經驗交流、新知共享的機 會；第三類則是民間機構自行辦理之師資培訓班，主要培育業界與私 人教育機構所需之機器人教學師資。

而除了各機構所辦理之短期機器人師資培訓活動，國內亦有多所 大專院校開辦機器人相關學分學程，培育具有機器人設計製作、程式 編寫、機器人教學、教材教案設計等專業能力之機器人教育推廣人 才，例如：義守大學「智慧型機器人」學程、國立屏東教育大學「電 腦與智慧型機器人」學士學位學程、淡江大學工學院「智慧機器人」

學分學程、南臺科技大學「智慧型機器人」學分學程、銘傳大學機器 人學分學程、國立彰化師範大學「智慧型機器人」學程、建國科技大

技」學程、國立勤益科技大學「智慧型機器人」學程、中州科技大學

「創思設計機器人」學位學程…等。學生在修習學分取得學位以後，

便可進入私人教育機構進行機器人教學工作，或投身業界之機器人教 材教案開發；若另外加修教育學程並通過教師檢定資格，便能以合格 教師身分在各級學校教授機器人相關課程。

值得注意的是，不論是教育機關辦理或是學校自行辦理之機器人 師資培訓活動，大部分都與機器人相關企業進行產學合作；而大專院 校所開辦之機器人相關學程，亦不乏私人企業之參與。可見日後機器 人產業在教育領域之市場需求，將隨著科技教育政策之推廣而日益龐

值得注意的是，不論是教育機關辦理或是學校自行辦理之機器人 師資培訓活動，大部分都與機器人相關企業進行產學合作；而大專院 校所開辦之機器人相關學程，亦不乏私人企業之參與。可見日後機器 人產業在教育領域之市場需求，將隨著科技教育政策之推廣而日益龐