基于建构主义的辅助教学机器人设计与应用研究

摘要

随着人工智能技术和机器人技术的发展，机器人将拥有广泛的知识覆盖面与高度智能化水平，它为实现个性化教学和因材施教提供了一种可能，必定会为教育领域带来颠覆性的改变。在教育机器人的重多研究方向中，机器人辅助教学的研究还处于起步阶段，国内外的部分研究机构已开展了相关研究。机器人技术是辅助教学的手段，而“辅助教学机器人”作为实施机器人辅助教学的主要工具之一，目前仅仅是概念性的产品。机器人应用于教学过程，必将改变传统的课堂教与学的方式，也会促进教师工作的转型。
　　本论文以机器人辅助教学作为研究对象，分别从理论和实践的角度展开研究，探究机器人应用于课堂教学实践的思路和方案，以期为机器人辅助教学领域带来突破和发展。本论文的主要研究工作如下：
　　1.针对目前机器人辅助教学缺乏教学理念指导的问题，在建构主义教学设计的基础上，结合机器人的功能特点，提出一种基于建构主义的机器人辅助教学设计模式。借助系统动力学模型思想构建了教学设计系统变量集，并采用结构方程模型建模方法建立了教学设计模式的量化模型。
　　2.分析了机器人辅助教学系统构成的核心要素及其相互关系，对C-RAI教学设计中的“建立学习定向点”和“探究学习”两部分进行细化，结合机器人技术和多媒体技术，分别提出机器人课堂讲授模式和机器人在线答疑模式。
　　3.在综合分析RAI教学中机器人的功能需求的基础上，设计一款适用于RAI的辅助教学机器人，采用“机器人躯干+固定式底座”的人形结构设计，采用分层控制思想来架构机器人控制系统，实现机器人机械运动和语音合成等基本教学功能。并利用ROS MoveIt来搭建机器人的运动规划平台，对机器人运动进行模拟和仿真。
　　4.根据C-RAI教学设计模式的基本框架完成详细的教学案例设计，将辅助教学机器人作为辅助教学的工具，应用于C-RAI教学案例，实施RAI教学实践。通过对比分析和调查分析的手段对教学结果进行分析，实践证明RAI这种新型的教学形式具有可行性，实现以学习者为中心，教师为主导，机器人为辅导的新型教与学的方式。

目录

1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 发展历史及现状

1.3 论文主要研究内容和章节安排

2 基于建构主义的RAI教学设计模式研究

2.1 建构主义理论

2.2 C-RAI教学设计模式

2.3 C-RAI教学设计模式的量化模型

3 机器人参与的课堂教学模式研究

3.1 机器人辅助教学系统的构成

3.2 机器人课堂讲授

3.3 机器人在线答疑

4 辅助教学机器人的设计与实现

4.1 辅助教学机器人功能需求分析

4.2 辅助教学机器人机械结构设计

4.3辅助教学机器人功能实现

4.4 辅助教学机器人运动仿真

5 C-RAI教学设计案例与RAI教学实践

5.1 C-RAI教学设计案例

5.2 机器人辅助教学实践

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 下一步工作展望

参考文献

附录A：作者攻读硕士学位期间发表论文及科研情况

附录B：辅助教学机器人URDF格式描述文件

致谢

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