PBL教學(xué)法在高中機(jī)器人競賽輔導(dǎo)中的研究與應(yīng)用實(shí)踐

賈金元 武小龍 劉智明 武國偉

摘要：隨著人工智能、圖像識別、控制技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人競賽也越來越向高水平、高層次發(fā)展，越來越多的學(xué)校鼓勵學(xué)生參與到機(jī)器人競賽中，作者認(rèn)為，將FTC競賽引入到高中課堂，充分體現(xiàn)了STEAM教育思想。機(jī)器人競賽不僅能提高學(xué)生的動手能力，還能激發(fā)他們DIY的興趣。實(shí)踐證明，將具有STEAM教育思想的機(jī)器人競賽課程引入到高中切實(shí)可行，可以開辟一個(gè)新的計(jì)算思維培養(yǎng)模式。

關(guān)鍵詞：PBL教學(xué)法;機(jī)器人競賽;FTC

中圖分類號：G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?論文編號：1674-2117（2018）12-0028-03

● 引言

2017年8月27日，國務(wù)院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確指出人工智能將成為國際競爭的新焦點(diǎn)，應(yīng)逐步開展全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程。機(jī)器人競賽綜合性較強(qiáng)，集成了機(jī)械設(shè)計(jì)、電子電路、程序設(shè)計(jì)等技術(shù)，同時(shí)教育部2018年1月頒布的《高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，在課程結(jié)構(gòu)里選擇性必修中開設(shè)的模塊1（數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）、模塊2（網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)）、模塊4（人工智能初步）、模塊5（三維設(shè)計(jì)與創(chuàng)意）、模塊6（開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)）都可以與機(jī)器人設(shè)計(jì)與競賽融合。學(xué)生通過實(shí)際動手操作對競賽主題進(jìn)行研究、策劃、設(shè)計(jì)、組裝和調(diào)試，通過主動探索、摸索探究、親臨比賽等方式，將想法轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｐ?，將算法轉(zhuǎn)變?yōu)槌绦?，在這個(gè)過程中，享受STEAM理念帶來的樂趣及成功的喜悅。

STEAM教育的目的是培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的新型人才，而讓學(xué)生參加各種機(jī)器人競賽，則是實(shí)踐STEAM教育的一種有效形式。FTC（First Tech Challenge）科技挑戰(zhàn)賽是由美國的非營利機(jī)構(gòu)FIRST組織主辦，面向14～18歲高中生的青少年機(jī)器人賽事。該賽事給學(xué)生提供了一個(gè)科技平臺，使其把課堂上的科技概念運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)工程問題的解決中。該賽事自2012年引入中國以來，已舉辦了六屆，雖然它在沿海城市非常普及，但在西部地區(qū)，尤其是甘肅、青海等地區(qū)，參加的學(xué)校數(shù)量并不多。要想將FTC競賽引入西部更多地區(qū)，面對新技術(shù)和新教育理念，在基于STEAM教育思想的教育教學(xué)實(shí)踐中，教練員需要不斷反思，不斷創(chuàng)新教育教學(xué)思想。

● PBL教學(xué)法

PBL（Problem-Based Learning）是一種讓學(xué)生以小組形式，在共同協(xié)助并解決一些模擬現(xiàn)實(shí)生活中的問題的過程中，實(shí)現(xiàn)所學(xué)知識的建構(gòu)與重構(gòu)的教學(xué)法。它強(qiáng)調(diào)把學(xué)習(xí)設(shè)置到復(fù)雜的、有意義的問題情境中，通過讓學(xué)習(xí)者合作解決問題來學(xué)習(xí)隱含于問題背后的科學(xué)知識，形成解決問題的能力和自主學(xué)習(xí)的能力。從學(xué)習(xí)的目標(biāo)指向看，這是一種關(guān)注經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，是圍繞現(xiàn)實(shí)生活中一些結(jié)構(gòu)不明確的問題所展開的調(diào)配和尋求解決方法而組織的學(xué)習(xí)。其目的是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣與綜合素質(zhì)，從而使學(xué)生健全發(fā)展。[1]PBL教學(xué)法是一個(gè)完整的師生共同參與、彼此溝通、合作學(xué)習(xí)、具體回饋、自省重建的學(xué)習(xí)過程，體現(xiàn)了從感知到認(rèn)知、從感性到理性的認(rèn)識過程。

FTC機(jī)器人學(xué)習(xí)以比賽為終極目標(biāo)，學(xué)生自始至終具有強(qiáng)烈的參與動機(jī)、學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生在搭建自己的FTC比賽機(jī)器人的過程中，以完成任務(wù)為目標(biāo)，分小組分析問題、研究解決問題的方案，在實(shí)踐練習(xí)中改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。在項(xiàng)目開展的過程中，學(xué)生需要去協(xié)作、批判性思考及創(chuàng)造性考慮問題，在看到自己的進(jìn)步、體驗(yàn)到成功快樂的同時(shí)，也鍛煉了組織策劃能力，提升了自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力。[2]

● 基于PBL教學(xué)法的FTC競賽輔導(dǎo)模型

針對FTC機(jī)器人的競賽特點(diǎn)，筆者決定將PBL教學(xué)法應(yīng)用在FTC機(jī)器人競賽教學(xué)中，但在查閱大量文獻(xiàn)資料之后發(fā)現(xiàn)，在國內(nèi)并沒有一種明確的可適用于FTC競賽輔導(dǎo)的教學(xué)法，因此，很多學(xué)生都是自學(xué)，可由于FTC競賽難度較高，光靠自學(xué)很難獲得好的成績。針對這種情況，經(jīng)過多年探索，筆者提出了一種基于PBL教學(xué)法的FTC競賽輔導(dǎo)模型（如下圖）。

由圖可知，該模型由6個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)組成，結(jié)合FTC機(jī)器人的學(xué)習(xí)，各學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)具體操作如下：

①問題提出。提出問題是整個(gè)競賽輔導(dǎo)環(huán)節(jié)的焦點(diǎn)所在，教師利用PBL教學(xué)法進(jìn)行問題設(shè)計(jì)，這將直接影響到學(xué)生競賽的質(zhì)量。在每年的競賽主題發(fā)布后，教師可根據(jù)歷年競賽經(jīng)驗(yàn)，組織學(xué)生進(jìn)行主題的規(guī)則解讀，提出競賽的核心知識點(diǎn)是主要內(nèi)容。

②分配組別。FTC競賽成員要求為6～10人，按照PBL教學(xué)法的特點(diǎn)，將每個(gè)組的人數(shù)控制在2～4人為宜，小組各成員應(yīng)根據(jù)自己的愛好、特長選擇組別，努力做到能充分發(fā)揮個(gè)人的智力水平，共同協(xié)作提出解決問題的最佳方案。一般分為建模組（進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬設(shè)計(jì)、受力分析和仿真模擬）、搭建組（根據(jù)建模結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建和調(diào)試）、編程組（對機(jī)器小車進(jìn)行編程、完成自動和手動階段）和宣傳組（FTC精神宣傳、視頻制作、工程筆記撰寫等）。

③知識學(xué)習(xí)，建立聯(lián)系。在解決問題過程中，學(xué)生須具備一定的學(xué)習(xí)技巧與能力，而教師在設(shè)計(jì)問題過程中也應(yīng)根據(jù)學(xué)生所具備的認(rèn)知結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適合學(xué)生水平的問題，或在解決問題過程中，為學(xué)生適當(dāng)提供學(xué)習(xí)所需的技巧與知識。在FTC學(xué)習(xí)中，教師需要在機(jī)械結(jié)構(gòu)、編寫程序方面給學(xué)生講解和提供資料，在比賽的自動控制階段，要求機(jī)器人從指定的起點(diǎn)位置運(yùn)動到終點(diǎn)位置，要想拿到高分，基礎(chǔ)步驟是使機(jī)器人精確定向移動，因?yàn)樽詣映绦驅(qū)W(xué)生的要求高，所以需要指導(dǎo)教師對學(xué)生進(jìn)行陀螺儀和傳感器的相關(guān)培訓(xùn)，從而利用已獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)性自我調(diào)控，實(shí)現(xiàn)精確自動控制。

④設(shè)計(jì)方案。學(xué)生應(yīng)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(jìn)方案向前發(fā)展。

⑤組裝調(diào)試。根據(jù)建模結(jié)構(gòu)，利用PTC公司的Creo軟件進(jìn)行模擬運(yùn)行并開始組裝，調(diào)試程序改進(jìn)。FTC機(jī)器人學(xué)習(xí)結(jié)果匯報(bào)則是以比賽的形式呈現(xiàn)。

⑥評價(jià)與記錄工程筆記。FTC競賽要求每組必須記錄工程筆記，將競賽主題完成的情況、碰到的問題完整記錄下來，作為評審參考。這是一項(xiàng)貫穿整個(gè)比賽的工作。

筆者以“FTC競賽”校本課程為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了適合高中生學(xué)習(xí)的機(jī)器人競賽課程，該課程采用項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式，以STEAM教育思想為主要內(nèi)容，以做中學(xué)為策略，并以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、貼近他們生活為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行課程的講授。FTC競賽課程主要以專題形式呈現(xiàn)，教師給學(xué)生講述基本原理和概念后，再讓他們針對實(shí)際問題，利用掌握的知識進(jìn)行實(shí)踐。

● 基于PBL教學(xué)法的FTC競賽學(xué)習(xí)策略及實(shí)踐

基于對FTC機(jī)器人學(xué)習(xí)各環(huán)節(jié)的分析，筆者將基于PBL教學(xué)法的FTC機(jī)器人學(xué)習(xí)策略總結(jié)為以下五點(diǎn)：

①解讀規(guī)則，根據(jù)比賽規(guī)則制訂學(xué)習(xí)目標(biāo);

②過程設(shè)計(jì)，根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)制訂整體設(shè)計(jì)方案及小組設(shè)計(jì)方案;

③活動開展，分步驟進(jìn)行，搭建機(jī)器人、程序設(shè)計(jì)、調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案;

④練習(xí)改進(jìn)，操作手和機(jī)器人能夠配合進(jìn)行模擬真實(shí)比賽，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案;

⑤目標(biāo)達(dá)成、分析總結(jié)，對學(xué)習(xí)過程中成績與不足進(jìn)行總結(jié)與分析。

根據(jù)筆者歷年的組織和參賽經(jīng)驗(yàn)，競賽隊(duì)伍一般分為建模組、搭建組、程序組和宣傳組，每個(gè)組的主要工作任務(wù)不一樣，主要完成如下內(nèi)容：

①搭建機(jī)器人。想要設(shè)計(jì)出符合比賽要求的機(jī)器人結(jié)構(gòu)就必須對現(xiàn)有的套件進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，機(jī)器人要完成抓球—運(yùn)輸—投球的動作必須依靠馬達(dá)、齒輪、傳感器等部件實(shí)現(xiàn)驅(qū)動、傳動、感應(yīng)功能。在這個(gè)前提下，打破常規(guī)思想拓展思維空間，僅僅靠一個(gè)人是不能解決問題的，往往需要教師進(jìn)行技術(shù)上的指導(dǎo)、小組內(nèi)成員集思廣益發(fā)揮集體的智慧才能解決問題。

②程序設(shè)計(jì)。完成機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，編寫程序指揮機(jī)器人行動是學(xué)習(xí)過程中的又一大難題，也是實(shí)現(xiàn)整體比賽設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵。根據(jù)比賽策略，學(xué)生設(shè)計(jì)編寫機(jī)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(shí)段，機(jī)器人按照程序執(zhí)行每個(gè)動作完成比賽任務(wù)。操作手控制比賽時(shí)段的程序則是將主控器各部件的信號通道與遙控器通道相對應(yīng)，程序設(shè)計(jì)直到操作手和機(jī)器人能夠完成比賽任務(wù)為止。

③調(diào)試。運(yùn)用循序漸進(jìn)的方法，一個(gè)動作完成后再編寫下一個(gè)動作，需要反復(fù)調(diào)試、修改程序，有時(shí)還需對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。試行方案的實(shí)施，是一個(gè)循環(huán)的過程，以設(shè)計(jì)方案為標(biāo)準(zhǔn)，不斷對以上三個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整、改進(jìn)，直到實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案為止。在解決以上問題后，操作手需要熟悉機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)以及機(jī)器人與遙控器的信號通道的對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)過反復(fù)實(shí)戰(zhàn)練習(xí)，能夠盡可能在手動比賽時(shí)段得到高分。在這個(gè)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)尋找原因并解決。直到最終能夠按照比賽方案設(shè)計(jì)完成一場比賽。

● 結(jié)語

在基于PBL教學(xué)法的FTC競賽輔導(dǎo)中，學(xué)生真正意義上實(shí)現(xiàn)了自主學(xué)習(xí)，提升了積極主動解決問題的能力，對學(xué)科前沿知識有了更深刻的理解，這對PBL的進(jìn)一步研究及機(jī)器人教育的研究都有深遠(yuǎn)的意義。