基于問題的學習模式(PBL)研究與應用——以“大學生VEX機器人工程挑戰(zhàn)賽”為例

劉斌陳惠敏王超周維王媛

（昌吉學院物理系 新疆 昌吉 831100）

基于問題的學習模式(PBL)研究與應用
——以“大學生VEX機器人工程挑戰(zhàn)賽”為例

劉斌陳惠敏王超周維王媛

（昌吉學院物理系 新疆 昌吉 831100）

PBL(ProblemBasedLearning)是一種以問題為核心，以解答問題為驅動力，以分組闡述、展示、討論及相互交流為手段，以激發(fā)學生積極主動自學、培養(yǎng)學生創(chuàng)新性思維為主要目標的全新的教學模式。這種教學模式有利于培養(yǎng)學生的獨立自學能力、創(chuàng)新思維能力、資料組織能力以及創(chuàng)新能力。本文通過文獻研究PBL在教育教學中的應用，結合VEX機器人的學習特點，以及筆者參與2011年全國大學生VEX工程挑戰(zhàn)賽“大破柵門”的實踐經驗，提出基于PBL的VEX機器人學習策略。

PBL；VEX機器人；學習策略

PBL突破了傳統(tǒng)的教學模式和教育思想，以提高學生的邏輯推理能力，分析問題和解決問題的能力為目的進行組織教學。由于科學技術的發(fā)展，機器人不僅僅局限于工業(yè)應用和研究領域，它已經進入了教育領域，一些學者已經開始利用機器人來開展實踐學習，有利于學生理解和掌握科學、工程學和、數(shù)學、技術等領域的抽象概念。近年來，我國已逐步開始在大、中、小學推廣機器人教育，主要包括機器人競賽和機器人教學。因此，在機器人教學中，從PBL教學方法的實踐出發(fā)，對這種全新的教學方法進行相關探討，具有較強的現(xiàn)實意義。

1 PBL簡介

1.1 PBL學習模式的概念及特點

基于問題的學習模式(Problem－Based Learning,簡稱PBL)是通過讓學生以小組的形式共同解決一些模擬現(xiàn)實生活中的問題為學習途徑，使學生在解決問題的過程中發(fā)展解決問題的能力和實現(xiàn)知識的意義建構。從學習的目標指向看，這是一種關注經驗的學習，是圍繞現(xiàn)實生活中一些結構不明確的問題所展開的調配和尋求解決方法而組織的。它強調把學習設置到復雜的、有意義的問題情境中，通過讓學習者合作解決問題。來學習隱含于問題背后的科學知識，形成解決問題的能力和自主學習的能力。其目的是培養(yǎng)學生自主學習的興趣與綜合素質，從而使學生健全發(fā)展［1］。

PBL基本授課方法是一個完整的師生共同參與、彼此溝通、合作學習、具體回饋、自省重建的學習過程，體現(xiàn)了從感知到認知、從感性到理性的認識過程［2］。

PBL課程由8～10名學生1名教師組成一個小組。教師負責控制課程進度以達到計劃的學習目的，學生主持者制定表格，主要的是于一周前為學生提供案例或問題情境，使學生為探索問題的解決而提出多種假設和思路，從而確認最可能的假設與問題解決方法之間的內在關聯(lián)，有目的地搜集資料、分工合作、更全面的掌握知識，避免知識的片面性，教師鼓勵學生自己核實結論的正確性，啟發(fā)讓學生用自己的語言和方式自由問答。在PBL中，教師的作用是一個“牧羊人”、促進者、激勵者、協(xié)助者；學生是“一群在牧場的羊”、主動探索者、概念細化者、問題解決者、經驗更新者、知能轉化者［3］。

PBL實施的基本流程要素包括：提出問題，即以問題為中心（該問題必須是學生在未來專業(yè)領域所能遇到的“真實世界”的非結構化問題，無固定解決辦法和過程）；提供材料，與本問題相關；自主學習（以問題為中心），小組合作學習；在每個問題（或每個課程單元）結束時，要進行自我評價和小組評價（口頭、論文）；依據(jù)PBL的目標去測量（比較）學生的進步［4］。

PBL教學模式符合新課改的核心理念，首先，它為學生們營造了一個輕松學習氛圍，使其能夠自主地、積極地暢所欲言，充分表達自己的觀點，同時也可以十分容易地獲得來自其他同學和老師的信息；其次，可使有關課程的問題盡可能多地被提出，在討論中可以加深對正確理論的理解，還可以不斷發(fā)現(xiàn)新問題，解答新問題，使學習過程縮短，印象更加深刻；第三，它不僅對理論學習大有益處，還可鍛煉學生們動手實踐的能力，如查閱資料的能力，歸納總結、綜合理解的能力，邏輯推理、口頭表達的能力，自主學習、終身學習的能力等，這些都有利于學生的綜合素質。

1.2 PBL研究與應用

1.2.1 國外研究與應用

通過文獻調查，國外對于PBL的研究目前主要集中在四個方面：關于學生業(yè)績的研究、關于學生態(tài)度的研究、關于元認知技能的獲取和運用的研究和關于影響PBL效果因素的研究。隨著網絡技術的發(fā)展和在教學應用的深入，在線PBL的研究逐漸成為熱點，主要集中在基于項目的協(xié)作學習（CollaborativeProjectBased Learning, CPBL）的研究和在線PBL的設計傳輸上，但大都處于理論階段和試驗階段［5］。

1.2.2 國內研究與應用

國內很多學校也不同程度地開展了PBL教學法的探索和研究。四軍大、南京醫(yī)大、浙江大學醫(yī)學院等是在七年制或研究生的臨床實習階段開展的；北大醫(yī)學院和白求恩醫(yī)大是在基礎階段的部分過渡課程進行的；西安交大醫(yī)學院是在聯(lián)合辦學大專班的學生中實驗探索的；湖南醫(yī)科大學是在護理教學中應用；暨南大學是在口腔內科實驗教學中實施［6］。

國內對PBL的研究主要對PBL進行理性思考和在其它學科推廣應用。比如結合我國的教育實踐，對PBL引入后的應用前景和是否符合目前的教育現(xiàn)實進行思考；借助網絡技術，把PBL應用于網絡教學實踐中，與網絡教學情境相得益彰，探索網絡環(huán)境下PBL的教學系統(tǒng)設計的流程的方法；將PBL的研究領域從中小學教學、大學培養(yǎng)模式擴展到更細化的單一學科教學、具體專題教學設計、與研究性學習相結合、中小學校長培訓模式革新、中小學教師校本培訓的開展等領域。正如Samford大學的鄧納韋教授在2002年預言，“PBL是令人滿意的、富有挑戰(zhàn)的、效果明顯的、勢不可擋的”［7］。

綜上所述，無論是國外還是國內對與PBL的研究與應用目前還是以醫(yī)學教育領域為主，PBL教學模式與傳統(tǒng)教學模式相比優(yōu)勢是顯而易見的。為此，本文基于PBL在VEX機器人學習過程中的應用的研究，不僅為VEX機器人學習找到一種高效的學習方法，還可以為今后PBL在其他學習領域的應用研究作參考。

2 大學生VEX機器人工程挑戰(zhàn)賽簡介

VEX機器人大賽又稱VEX機器人世界錦標賽，是一項旨在通過推廣教育型機器人，拓展中學生和大學生對科學、技術、工程和數(shù)學（STEM）領域興趣，提高并促進青少年的團隊合作精神、領導才能和解決問題的能力的世界級大賽。學生通過利用VEX套件拼裝機器人在規(guī)定時間內完成比賽的特定任務，根據(jù)每次比賽主題不同，機器人的功能也不同。

以2011年8月大學生“大破柵門”VEX工程挑戰(zhàn)賽為例，比賽規(guī)則如下：

比賽在初始設置如圖1所示的場地上進行。兩支隊，每隊兩名操作手和兩臺機器人在每場比賽中競技。比賽的目標是通過把球和筒放入籃筐、獲得獎勵分以及把倍增筒放入圓形籃筐內，得到比對手更多的分數(shù)。比賽時間為140秒，比賽開始先進行60秒自動賽，此時機器人運行只能受傳感器的輸入和參賽隊預先寫入機器人控制器的命令的影響。在這段時間內，不允許人對機器人的控制或相互溝通。后80秒進行手動賽，即操作手控制時段，操作手通過遙控器控制機器人的運行。在比賽進行到最后30秒時，每支參賽隊互動區(qū)的操作手可將1個倍增筒和1個消分筒引入比賽場地。場地用兩個大型PVC柵門隔成一個互動區(qū)和兩個隔離區(qū)，比賽期間兩個大型柵門不能抬起。

圖1 場地等角投影圖

根據(jù)此比賽規(guī)則，它要求參賽隊要開發(fā)許多新技能來應對面臨的各種挑戰(zhàn)和障礙。有些問題可以自己解決，而另一些問題可以通過與隊友和教練員的交流、研究、調試、驗證最終完成設計實現(xiàn)目標。在整個學習過程中主要解決以下三個問題：

（1）機器人的搭建，由于比賽規(guī)則限定機器人的長寬高均為457.2mm，VEX基本套件和擴展套件最長的結構為450mm，而籃筐高分別為508mm和762mm。這就要求在設計過程中，在滿足以上限定條件的基礎上，機器人的投籃手臂能夠將球或筒運到高762mm以上的高度并保證完成投籃的的動作。

（2）自動賽和手動賽中的程序編寫，機器人需要按照自動賽的程序在60秒內通過投籃得分，手動賽的程序需要通過遙控器的信號通道與主控器的信號通道與相對應，實現(xiàn)遙控器對機器人的操控。

（3）機器人的控制，在手動賽中，要求操作手熟練運用遙控器操控機器人高效進行投籃。

3 PBL在VEX機器人學習中的應用

3.1 基于PBL學習的一般模式

VEX機器人學習以比賽為終極目標，在搭建自己的VEX比賽機器人的過程中，以解決一個接一個的問題為目標，以小組為單位分析問題、研究解決問題的方案，在實踐中改進設計方案。充分發(fā)揮集體的智慧和團結協(xié)作精神，在解決問題的過程中逐步成長。在整個學習過程中小組成員都成了學習主人，學習的動力真正來源于學生自身，在看到自己的進步和體驗到成功快樂的同時，鍛煉了組織策劃能力、自主學習能力和創(chuàng)新能力。

根據(jù)VEX機器人學習特點，可將PBL應用在VEX機器人學習中。筆者參考多篇研究成果，提出基于PBL學習的一般模式，如圖2所示。

圖2 基于PBL學習一般模式圖

根據(jù)圖2所示，結合VEX機器人的學習，可將各學習環(huán)節(jié)解釋如下：

(1)問題或項目。PBL的問題是整個教學環(huán)節(jié)的焦點所在，教師對問題設計好壞直接影響到PBL中學生學習的效果。而VEX機器人的學習則是以VEX工程挑戰(zhàn)賽的比賽目標為問題或項目。

(2)提供學習資料。在解決問題過程中，學生須具備一定的學習技巧與能力，而教師在設計問題過程中也應根據(jù)學生所具備的認知結構設計適合學生水平的問題，或在解決問題過程中，為學生適當提供學習所需的技巧與知識。在VEX學習中，教師需要在機械結構、編寫程序方面給學生講解和提供資料。

(3)分配學習小組。PBL中的學習小組一般以4－6人為宜，小組各成員中應能充分發(fā)揮個人的智力水平，共同協(xié)作提出解決問題的最佳方案。而VEX比賽中要求每隊2人操控兩臺機器人，這就要求在VEX學習中的學習小組最少為2組。

(4)設計解決程序。學生應精心策劃好解決問題的程序，并以分工合作的方式共同推進方案的向前發(fā)展。VEX機器人的學習程序大體分為詳細解讀比賽規(guī)則、設計比賽方案、試行方案、模擬比賽、分析總結五個步驟來進行。

(5)學習結果匯報。在PBL中，學習結果匯報以多種形式呈現(xiàn)。VEX機器人學習結果匯報則是以比賽的形式呈現(xiàn)。

(6)評價與總結。對于VEX的學習評價與總結的方式，教師和學生可以通過階段性的問題解決來進行總結與反思。也可以對比賽過程做的總結與反思。可以是書面的形式或是口頭匯報的形式。

3.2 基于PBL的VEX機器人學習策略

基于以上對于VEX機器人學習特點分析，以2011年“大破柵門”VEX機器人比賽為項目，將基于PBL的VEX機器人學習策略總結為以下五點：

（1）解讀規(guī)則，根據(jù)比賽規(guī)則制定學習目標；

（2）設計方案，根據(jù)學習目標制定整體設計方案及制定小組設計方案；

（3）試行方案，分三個步驟進行，搭建機器人、程序設計、調試，最終實現(xiàn)設計方案；

（4）模擬比賽，通過操作手和機器人能夠配合進行模擬真實比賽，改進設計方案。

（5）分析總結，對學習過程中成績與不足進行總結與分析。

根據(jù)學習策略，設計2011年“大破柵門”VEX機器人比賽學習流程如圖3所示。

圖3 “大破柵門”學習流程

圖3中，比賽方案設計是根據(jù)VEX比賽規(guī)則需要兩名操作手與兩臺機器人配合完成比賽目標，兩個比賽區(qū)域內機器人所要完成的具體任務有所不同，將小組任務細化分為為兩部分即互動區(qū)和隔離區(qū)的比賽方案設計，即兩個學習小組。

其中，試行方案被具體分為三個步驟進行：

① 搭建機器人。想要設計出符合比賽要求的機器人結構就必須對現(xiàn)有的套件進行結構上的改造,機器人要完成抓球-運輸-投球的動作必須依靠馬達、齒輪、傳感器等部件實現(xiàn)驅動、傳動、感應功能。在這個前提下，打破常規(guī)思想拓展思維空間，僅僅靠一個人是不能解決問題的，往往需要老師進行技術上的指導小組內成員集思廣益發(fā)揮集體的智慧更容易解決問題。

② 程序設計。完成機器人的結構設計后，編寫程序指揮機器人行動是學習過程中的又一大難題，是實現(xiàn)整體比賽設計方案關鍵。根據(jù)比賽策略，設計編寫機器人的自動程序，需要了解各控制部件的屬性和功能。在自動比賽時段，機器人按照程序執(zhí)行每個動作完成比賽任務。操作手控制比賽時段的程序則是對主控器各部件的信號通道遙控器通道相對應，程序設計直到操作手和機器人能夠完成比賽任務為止。

③ 調試。運用循序漸進的方法，一個動作完成后再編寫下一個動作，需要反復調試、修改程序，有時還需對機器人的結構進行改進。

在試行方案的實施，是一個循環(huán)的過程中，以設計方案為標準，不斷對以上三個環(huán)節(jié)進行調整、改進，直到實現(xiàn)設計方案為止。

在解決以上問題后，操作手需要熟悉機器人的基本結構以及機器人與遙控器的信號通道的對應關系，經過反復實戰(zhàn)練習，能夠盡可能在手動比賽時段的80秒內投最多的球和筒進入籃筐內。在這個環(huán)節(jié)里，發(fā)現(xiàn)任何問題可在總體方案和試行方案環(huán)節(jié)尋找原因解決問題。直到最終能夠按照比賽方案設計完成一場比賽，則完成整個學習過程。

3.3 基于PBL的VEX機器人學習過程中的注意事項

3.3.1 將項目或問題分解成階梯式的小任務

VEX機器人的學習解決以一個特定的工程項目即比賽主題而展開，要達到學習目標，需要教師將目標細化到每一階段，可以通過問題由簡到難，由淺入深以遞進的方式分配給學生去解決，每一階段的任務最好相互聯(lián)系，避免出現(xiàn)較大的跳躍性，有助于學生對知識的意義建構。

3.3.2 創(chuàng)設良好的學習環(huán)境

創(chuàng)造一個良好的學習環(huán)境對于提高學習效率是一個必要的前提。VEX機器人學習較為重要的客觀要素就是專門的實踐教室能夠安放比賽場地，VEX機器人各種套件充電器，以及其他必要工具比如鋼鋸、美工刀、卷尺等。另外，由于編程需要，教室里還應配有計算機，以便學生理論學習和動手實踐。教室環(huán)境相對安靜，不宜太嘈雜，有利于學生更好的思考問題、解決問題。

3.3.3 提供豐富的學習資源

由于VEX機器人學習綜合多學科的知識，也就意味者在學習過程中，需要提供給學生必要的多學科的學習資料，需要教師在教學設計過程中盡量提供全面的資料以便解決學習中可能遇到的問題，在條件允許的情況下，最好給學生提供聯(lián)網的計算機，以便在必要時快捷查閱相關學習資料。比如，在機器人搭建過程中，涉及到物理的機械結構和傳動方面的知識，教師可以在教學活動中針對這一部分內容，準備相應的學習材料比如不同機器人造型圖片，歷年比賽視頻等。

3.3.4 合理分配學習小組

VEX機器人的學習小組，以2-3人為一小組學習較為合理，在學習過程中，從搭建機器人到編寫程序人數(shù)越多反而不利于動手實踐，在實際比賽的過程中，兩人負責操控機器人一人負責戰(zhàn)略指揮。由于其特殊性，在組時要著重考慮把動手能力強、編程能力較強的學生更為適合分為一組。此外，教師還應注意學習小組男生和女生搭配問題，根據(jù)學生的學習情況合理分組。

3.3.5 配備專業(yè)指導教師

PBL作為一種開放式的教學模式，對教師自身的素質和教學技巧都有很高的要求，要求教師不但對本專業(yè)、本課程內容熟練掌握，還應當扎實掌握與VEX機器人相關的學科知識，并要具備提出問題解決問題的能力、靈活運用知識的能力、嚴密的邏輯思維能力。和良好的組織管理能力，要善于調動學生積極性、寓教于樂、控制課堂節(jié)奏等技巧。教師應該熟悉比賽規(guī)則和學生的能力情況，這樣才能規(guī)劃好學習的重點、難點，制定有針對性的討論提綱。另外，教師要學習和具備良好的組織管理能力，控制課堂節(jié)奏等技巧。才能調動學生的學習積極性。

3.3.6 重視學生的自主學習精神的培養(yǎng)

以學生為主體，通過多樣的教學形式增強學生學習興趣，學生動手、動口、動腦，調動各種感官參與學習活動，促進智力開發(fā)，注意創(chuàng)設情景，打開了學生的思路，激起學生的求知欲望，學習的自主性也就得到了淋漓盡致的發(fā)揮。要求學生或單獨、或與同組同學討論、交流、合作探究思考，然后師生共同解決問題。教師的“導”與“講”融于與學生的討論之中，以平等的姿態(tài)與學生對話，有利于創(chuàng)造寬松、民主、和諧的學習氛圍，為學生創(chuàng)新思維的開發(fā)創(chuàng)造了一個良好的學習環(huán)境。就這樣在嘗試中讓學生體驗到自己所帶來的遺憾或喜悅。

最重要的一點，將課內知識與生活實際相聯(lián)系，能讓學生感受到知識得按時的現(xiàn)實意義和價值，為此在VEX機器人教學中，教師必須把教學的視野從課內擴大到課外，從課堂擴大到社會，指導學生利用各種時間，通過多種渠道學習，豐富知識面，將小課堂與大社會充分的結合起來。教師引導學生聯(lián)系生活實際，注重學生自主思考，合作探究，提高學生分析問題與解決問題的能力，培養(yǎng)了學生的探索精神與創(chuàng)新意識。

4 總結

基于PBL的VEX機器人的學習策略，能夠在段時間內有效提高學習效率，筆者通過參與“大破柵門”VEX機器人工程挑戰(zhàn)賽的指導，使四個沒有接觸過VEX機器人的學生從零起點學起，以參加比賽為終極目標，在搭建VEX比賽機器人的過程中，以解決一個接一個的問題為目標，以小組為單位分析問題、研究解決問題的方案，在實踐中改進設計方案。充分發(fā)揮集體的智慧和團結協(xié)作精神，在解決問題的過程中逐步成長。在整個學習過程中小組成員都成了學習主人，學習的動力真正來源于學生自身。經過了一個多月的集訓，最終在大賽中取得小組賽銀獎和集體賽銀獎的好成績。在學習過程中實現(xiàn)學生正真意義上的自主學習和積極主動解決問題的能力，提高學生高效獲取機器人知識及有關機器人意義建構知識的能力，加強學生對VEX機器人的學習興趣和學科前沿有更深刻的把握，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，此外通過小組寫作學習形式，還可學生培養(yǎng)生活技能，如規(guī)劃、集思廣益、合作、團隊精神、領導能力以及研究能力等都得到了提高與鍛煉。

通過基于PBL的VEX機器人學習的研究與應用，最終取得了良好的學習效果。PBL的優(yōu)勢在于對創(chuàng)新人才的啟發(fā)與培養(yǎng)，因此將PBL在機器人教育領域中更為廣泛的應用，對于教師與學生都具有實際意義。不管對于PBL的進一步研究，還是機器人教育領域的研究都有深遠的意義。

［1］基于問題的學習模式的研究［EB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/38c5b4cda1c7aa00b52acbb8.html.

［2］［3］［4］欒萍,王軍.PBL教學模式對高等醫(yī)學教育改革的影響［J/OL］.中外健康文摘,2011，（8）.

［6］PBL教學法［EB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/02df0b28e2bd960590c6773d.html.

［5］［7］肖曉飛,賈穎.我國目前 PBL研究現(xiàn)狀的分析與思考［EB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/ 806d5f4c852458fb770b56b9.html.

2012-06-15

“新疆維吾爾自治區(qū)通用技術實驗教學示范中心”階段成果（質量工程項目文號：新教高2010［50］號）。第一作者簡介：劉斌（1975—），男，安徽阜南人，昌吉學院物理系，講師，研究方向：教育技術學。

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1671-6469（2012）04-0091-06