基于設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)（DBL）的機(jī)器人競賽教學(xué)模式構(gòu)建研究*
——以2018年FLL工程挑戰(zhàn)賽“飲水思源”為例

羅倩茹，秦健，劉寶瑞，劉 立

（陜西師范大學(xué) 教育學(xué)院，陜西 西安 710062）

一、引言

2003年，教育部頒布《普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》，首次將“人工智能初步”和“簡易機(jī)器人制作”模塊納入高中信息技術(shù)和通用技術(shù)中，標(biāo)志著機(jī)器人教學(xué)正式進(jìn)入到基礎(chǔ)教育領(lǐng)域當(dāng)中。2017年，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，要求我國中小學(xué)階段設(shè)置人工智能、編程教育等課程，完善相關(guān)課程體系。2018年1月，教育部頒布新課程標(biāo)準(zhǔn)，將“人工智能初步”和“開源項(xiàng)目設(shè)計(jì)”模塊納入高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)的選擇性必修課中，將“技術(shù)與工程”系列納入高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)的選擇性必修課中。在國家政策的支持下，我國的機(jī)器人教育進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。

二、問題的提出

近幾年，機(jī)器人教育的發(fā)展飛快，在國內(nèi)基礎(chǔ)教育領(lǐng)域中，大多數(shù)中小學(xué)開展了機(jī)器人教育，最終都希望學(xué)生能夠去參加機(jī)器人競賽。從本質(zhì)上來說，機(jī)器人競賽為學(xué)生提供了一個(gè)鍛煉的平臺，有助于提高學(xué)生的綜合能力，在參加比賽的過程中，學(xué)生可以學(xué)習(xí)到很多在課堂上學(xué)不到的知識。

然而，參加機(jī)器人競賽必須建立在學(xué)生接受過機(jī)器人普及教育的基礎(chǔ)之上。目前機(jī)器人競賽教學(xué)過程中存在的最大問題是部分學(xué)校由于時(shí)間問題無法開展以機(jī)器人競賽為主題的教學(xué)活動，常常購買一些具有高性能、傻瓜化操作等特點(diǎn)的機(jī)器人，學(xué)生在比賽前夕進(jìn)行相關(guān)操作，熟練了就直接去參加比賽。這種機(jī)器人不僅僅價(jià)格昂貴，而且與我們所倡導(dǎo)的機(jī)器人競賽理念背道而馳。這樣不利于機(jī)器人教育的公平健康發(fā)展，也不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的有效培養(yǎng)。[1]因此，機(jī)器人競賽教學(xué)的模式創(chuàng)新已經(jīng)成為我國機(jī)器人教育行業(yè)的重中之重。

三、DBL在機(jī)器人競賽教學(xué)模式中的可行性分析

1.理論基礎(chǔ)

（1）DBL 的定義

Design-Based Learning（DBL）譯為基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)或者通過設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)。起源于學(xué)習(xí)科學(xué)研究領(lǐng)域，其目的是在真實(shí)情境中，以研究者與實(shí)踐者的協(xié)作為基礎(chǔ)，通過分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)施的反復(fù)循環(huán)來改進(jìn)教育實(shí)踐，并提煉對情境敏感的設(shè)計(jì)原則和理論。[2]

（2）DBL 的特征

特征包括：學(xué)科知識的整合性，個(gè)體只有具有整合型的知識，才能順利實(shí)現(xiàn)有效的遷移、應(yīng)用和問題解決；學(xué)習(xí)過程的設(shè)計(jì)性，設(shè)計(jì)的思想始終貫穿于整個(gè)學(xué)習(xí)過程，又將學(xué)習(xí)得到的結(jié)論反饋于設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性與有效性；學(xué)習(xí)過程的迭代性，設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)在一次任務(wù)完成之后，通常要進(jìn)行評價(jià)修改，進(jìn)入第二次活動循環(huán)，這是一種持續(xù)地尋找實(shí)施辦法的過程；學(xué)習(xí)結(jié)果的反思性，反思強(qiáng)調(diào)的是對學(xué)生進(jìn)行反思技能的訓(xùn)練。[3]

2.賽事分析

（1）FLL機(jī)器人工程挑戰(zhàn)賽簡介

FLL（FIRST LEGO League）機(jī)器人世界錦標(biāo)賽，又稱之為FLL機(jī)器人工程挑戰(zhàn)賽，簡稱FLL，是一項(xiàng)由美國FIRST非營利性慈善機(jī)構(gòu)和丹麥樂高集團(tuán)主辦的針對9-16歲孩子的國際性機(jī)器人比賽。參賽隊(duì)伍由多名隊(duì)員組成 （一般4-6人），隊(duì)員們需要組建團(tuán)隊(duì)來解決問題，這個(gè)賽事鼓勵孩子們用科學(xué)的方式去調(diào)查研究以及自己動手設(shè)計(jì)機(jī)器人。

（2）2018年FLL工程挑戰(zhàn)賽賽事分析

2018年FLL挑戰(zhàn)賽的主題為“飲水思源”，此次“飲水思源”主題中共有18個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)的難度不同，對學(xué)生綜合能力的考驗(yàn)也不相同。比賽要求學(xué)生在老師的指導(dǎo)下完成機(jī)器人的設(shè)計(jì)、搭建以及編程等工作來解決現(xiàn)實(shí)世界中的問題。整個(gè)比賽的過程可以分為四個(gè)部分：設(shè)計(jì)、搭建、編程和調(diào)試。設(shè)計(jì)、搭建、編程是完成比賽設(shè)定任務(wù)的初始條件，而調(diào)試則是整個(gè)備賽過程的重中之重。通過不斷地去調(diào)試，找到自己存在的問題，并且不斷修改完善。

3.設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)在機(jī)器人競賽教學(xué)中的可行性分析

機(jī)器人競賽的備賽過程與DBL的理念相一致，完全滿足DBL的四大特征：學(xué)科知識的整合性、學(xué)習(xí)過程的設(shè)計(jì)性、學(xué)習(xí)過程的迭代性、學(xué)習(xí)結(jié)果的反思性。因此將設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)的理念應(yīng)用于機(jī)器人競賽中具有理論可行性。

倡導(dǎo)參加機(jī)器人競賽的前提是學(xué)生必須進(jìn)行過相關(guān)基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，對機(jī)械結(jié)構(gòu)的搭建、原理以及編程有較為深入的了解。以S學(xué)校為例，該校學(xué)生在進(jìn)入比賽之前，已經(jīng)進(jìn)行了長達(dá)六個(gè)月的基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)。因此在S學(xué)校進(jìn)行基于DBL的機(jī)器人競賽教學(xué)模式探究具有現(xiàn)實(shí)可行性。

四、基于DBL的機(jī)器人競賽教學(xué)模式構(gòu)建

設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)是一種基于項(xiàng)目的探究學(xué)習(xí)方法，學(xué)習(xí)者通過反復(fù)探究的方式完成教師提出的設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)，來學(xué)習(xí)所需的知識與技能。[5]基于DBL的機(jī)器人競賽教學(xué)模式主要是以機(jī)器人競賽的特定任務(wù)為項(xiàng)目，以學(xué)生的自主探究與協(xié)作學(xué)習(xí)方式為主導(dǎo)，教師作為整個(gè)教學(xué)過程的組織者和引導(dǎo)者，在這一教學(xué)過程中，要定好學(xué)生學(xué)習(xí)過程的整體步調(diào)并輔助學(xué)生解決問題。[6-9]機(jī)器人競賽教學(xué)模式的設(shè)計(jì)主要基于DBL理念，從賽前、賽中、賽后三個(gè)層面出發(fā)，分別從教師和學(xué)生兩個(gè)角度進(jìn)行構(gòu)建，具體教學(xué)模式如圖1所示。

圖1 機(jī)器人競賽教學(xué)模式

1.賽前師生角色的定位

在賽前，主要采用DBL理念進(jìn)行教學(xué)過程的開展，DBL最突出的特點(diǎn)就是在探究過程中的迭代循環(huán)，整個(gè)教學(xué)過程都是以小組協(xié)作探究的方式進(jìn)行。學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主動探究者，通過協(xié)作探究、設(shè)計(jì)方案、動手實(shí)踐、任務(wù)展示、發(fā)現(xiàn)問題、總結(jié)提煉、方案迭代形成一個(gè)不斷設(shè)計(jì)再設(shè)計(jì)的循環(huán)，而老師作為學(xué)生的引導(dǎo)者，通過分組協(xié)作、答疑解惑、跟蹤引導(dǎo)和評價(jià)反饋等方式組織教學(xué)。

（1）教師的角色定位

學(xué)習(xí)者特征分析：教師根據(jù)每個(gè)學(xué)生擅長的領(lǐng)域以及性格特征初步確定分組名單，初步形成的分組名單不一定是最合適的分組名單，在接下來將近一個(gè)月的時(shí)間里，教師需要充分了解每個(gè)組的成員配合情況以及每個(gè)學(xué)生在組內(nèi)承擔(dān)的角色。在這一個(gè)月的磨合期內(nèi)，教師根據(jù)自己的觀察記錄、學(xué)生的總結(jié)反思不斷地去重新調(diào)整分組，直至每個(gè)組的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力達(dá)到最優(yōu)。

比賽任務(wù)分析：教師需要熟悉比賽的規(guī)則，包括18個(gè)任務(wù)的難度、分值以及獎懲條件，按照18個(gè)任務(wù)的難度從易到難進(jìn)行排序，并且?guī)ьI(lǐng)學(xué)生明確比賽的規(guī)則，讓學(xué)生按照任務(wù)的難易程度依次去完成任務(wù)，在這個(gè)過程中，教師要對每個(gè)小組跟蹤引導(dǎo)，并且進(jìn)行答疑解惑和及時(shí)評價(jià)反饋。

（2）學(xué)生的角色定位

相互磨合、分工協(xié)作：根據(jù)教師的分組，學(xué)生之間相互熟悉小組成員之間的性格以及各自的特長，相互磨合，明確各自的分工，并逐漸形成組內(nèi)成員之間的默契，這個(gè)過程貫穿整個(gè)教學(xué)過程的始終。

頭腦風(fēng)暴、設(shè)計(jì)方案：根據(jù)教師制定的學(xué)習(xí)計(jì)劃，組內(nèi)成員之間通過協(xié)作探究的方式依次完成比賽任務(wù)。在完成任務(wù)的過程中，學(xué)生需要將各科的知識進(jìn)行整合，利用學(xué)習(xí)過的基礎(chǔ)知識，設(shè)計(jì)出能完成特定任務(wù)的方案。

搭建機(jī)器、編寫程序：根據(jù)小組成員設(shè)計(jì)出的方案，團(tuán)隊(duì)之間相互配合將自己的方案實(shí)現(xiàn)出來，搭建出機(jī)器人的基本模型，并且完成程序的編寫。

不斷調(diào)試、迭代方案：在對自己的方案進(jìn)行調(diào)試和其他小組的方案進(jìn)行對比之后，又驅(qū)使學(xué)生思考自己方案的優(yōu)缺點(diǎn)，以及如何進(jìn)行改良，并且教師也在不斷地鼓勵學(xué)生進(jìn)行闡述，說出自己最初設(shè)計(jì)的想法及如何設(shè)計(jì)的，發(fā)現(xiàn)什么問題，應(yīng)該如何進(jìn)行優(yōu)化。教師要鼓勵學(xué)生將這些問題全部記錄下來，并且嘗試依次去解決這些問題，學(xué)生可以通過小組成員討論、網(wǎng)上搜集資料或者請教指導(dǎo)教師的方式進(jìn)行方案的再次設(shè)計(jì)、修改和調(diào)試。在這個(gè)不斷反思的過程中，學(xué)習(xí)的自主性得到了增強(qiáng)。

（3）案例分析

以2018年FLL比賽“飲水思源”中的“移除水管”任務(wù)為例：“移除水管”的任務(wù)難度在18個(gè)任務(wù)中屬于中等偏下，從易到難排序時(shí)“移除水管”排到了“過濾和移動三腳架”之后。按照預(yù)訂計(jì)劃，做“移除水管”的任務(wù)時(shí)，學(xué)生已經(jīng)完成了“過濾和移動三腳架”的任務(wù)。

首先，教師進(jìn)行任務(wù)規(guī)則解讀：將場地中間的黃色斷裂水管移除，使之完全進(jìn)入基地就可得分，滿分20分；接下來，教師進(jìn)行任務(wù)的分析，這個(gè)任務(wù)是要將水管移回基地，大家觀察這個(gè)水管，水管上有一個(gè)圓環(huán)，我們是不是可以考慮在機(jī)器人前邊搭建一個(gè)物體，把它挑回基地；最后就是小組合作探究設(shè)計(jì)方案的過程（以S小學(xué)第一小組為例）。

成員甲：我們這么多零件，拿個(gè)梁就能把它挑回去（邊說邊用書示范）；成員乙（擅長搭建）：你用手肯定能運(yùn)回去，但是這個(gè)梁肯定得連接到中型電機(jī)上啊，不然你怎么把它挑回去；成員丙：我們可以用這個(gè)軸啊，這個(gè)還細(xì)點(diǎn)。經(jīng)過小組成員的討論，最終確定初步方案：在基礎(chǔ)小車的基礎(chǔ)上加個(gè)中型電機(jī)，然后在中型電機(jī)上連接個(gè)軸，當(dāng)機(jī)器走到那個(gè)位置的時(shí)候，讓中型電機(jī)挑起來運(yùn)回基地。

小組成員按照自己設(shè)計(jì)的方案完成機(jī)器的搭建，并進(jìn)行了電機(jī)的測值，完成了程序的編寫。進(jìn)行第一輪調(diào)試，在調(diào)試的過程中發(fā)現(xiàn)機(jī)器人每次走的路線都不一樣，導(dǎo)致軸無法準(zhǔn)確地插入圓環(huán)中。組內(nèi)成員記錄問題，討論交流解決方案。

教師指導(dǎo)評價(jià)：“你們小組初步方案已經(jīng)算是完成了，現(xiàn)在最大的問題就是成功率不高的問題，大家覺得為什么成功率不高呢？一般情況下有兩種問題，一種是程序的問題，一種是結(jié)構(gòu)的問題。你們覺得你們組的問題從程序上容易解決？還是從結(jié)構(gòu)上容易解決？”

小組討論交流解決方案，最終達(dá)成一致：修改結(jié)構(gòu)，可以在前邊多搭建幾個(gè)軸，這樣就算機(jī)器運(yùn)行偏離也可以插進(jìn)圓環(huán)。經(jīng)過不斷修改、調(diào)試和方案的迭代，形成了最終方案：結(jié)構(gòu)上多搭建幾個(gè)軸，程序上轉(zhuǎn)彎之后加上了重新定位的程序，在結(jié)構(gòu)和程序上都進(jìn)行了迭代，成功率大幅度提升。

圖2 學(xué)生搭建的“移除水管”任務(wù)最終方案

2.賽中師生角色的定位

賽場是學(xué)生真正成長、進(jìn)步最快的地方，因?yàn)樵诒荣惖倪^程中，教師不允許進(jìn)入賽場，賽場上遇到的所有問題都需要學(xué)生自己解決。在短短一天的比賽中，既是對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的檢驗(yàn)，又是對教師教學(xué)效果的檢驗(yàn)，更是對學(xué)生解決問題的能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力、動手操作的能力、應(yīng)變能力等綜合能力的考驗(yàn)與提升。

在比賽中，教師的角色是做好比賽過程中的后勤保障工作，學(xué)生的主體性進(jìn)一步增強(qiáng)，賽前有專業(yè)老師做指導(dǎo)，學(xué)生也可以自己在網(wǎng)上檢索大量的輔助性資料。但是在賽場上，沒有專業(yè)老師的指導(dǎo)，更沒有任何的通訊設(shè)備，而且在賽場上會碰到很多無法預(yù)估的問題，所有的問題都只能靠學(xué)生自己來解決。筆者通過記錄賽場上容易發(fā)生的問題，將教師與學(xué)生在比賽過程中需要準(zhǔn)備的東西以及注意事項(xiàng)整理到表1中。

表1 師生在比賽過程中的注意事項(xiàng)

3.賽后師生角色的定位

DBL的整個(gè)過程都是不斷促使學(xué)生進(jìn)行反思的，特別是比賽后，反思變得更為重要。學(xué)生在新的知識觀形成后，就會試圖用新的觀念去重新認(rèn)識已經(jīng)積累起來的設(shè)計(jì)技巧、方法和規(guī)律，把它們納入剛剛建立起來的認(rèn)識結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)反思過程，更是一個(gè)學(xué)習(xí)過程。

比賽后，老師需要帶著學(xué)生一起反思總結(jié)，從最開始的備賽階段到正式比賽的過程進(jìn)行回顧，學(xué)生需要總結(jié)在這次比賽中自己在小組內(nèi)擔(dān)任著什么角色，學(xué)習(xí)到了什么，收獲了什么，在賽場上出現(xiàn)了哪些問題，有什么解決方案，賽場上其他學(xué)校的隊(duì)伍對你有什么啟示以及其他的感受。老師需要總結(jié)的是在整個(gè)教學(xué)過程中遇到了什么問題，教學(xué)方法上有哪些不足，哪些需要改進(jìn)，學(xué)生在整個(gè)過程中哪些方面做的不足需要改進(jìn)，哪些做的很好需要保留。最后，教師和學(xué)生一起撰寫反思總結(jié)，形成檔案，為下一輪比賽提供很好的案例。

五、基于DBL的機(jī)器人競賽教學(xué)模式的建議

1.賽前（對教師的建議）

基于DBL的機(jī)器人競賽教學(xué)模式最核心的部分就是賽前教師的教學(xué)過程，賽場上對學(xué)生綜合能力的要求很高。因此教師在教學(xué)過程中一定要以學(xué)生為主體，學(xué)生遇到的問題盡量讓組內(nèi)成員或者讓其他組的學(xué)生幫助解決，但是教師一定要做好學(xué)生的引導(dǎo)者，為學(xué)習(xí)者提供及時(shí)的反饋，使得他們明確自己的學(xué)習(xí)質(zhì)量，不斷調(diào)整自己的學(xué)習(xí)計(jì)劃和方式，保證學(xué)生整體步調(diào)的準(zhǔn)確性、科學(xué)性、合理性。[10]

2.賽中（對學(xué)生的建議）

賽場是對學(xué)生綜合能力的考驗(yàn)，小組成員之間經(jīng)過了這么長時(shí)間的磨合，協(xié)作探究的能力已經(jīng)有了很大的提升。筆者根據(jù)3次的比賽經(jīng)驗(yàn)，建議小組成員之間一定要分工明確，在進(jìn)入賽場之前就清楚每個(gè)人需要干什么，各個(gè)成員在負(fù)責(zé)好自己應(yīng)該做的工作的基礎(chǔ)上，與其他成員密切配合，從而將小組之間的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力最優(yōu)化。

3.賽后（對教師和學(xué)生的建議）

很多人可能認(rèn)為比賽成績是最重要的，但是恰恰相反，成績不重要，更重要的反思總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。老師反思自己的教學(xué)過程，學(xué)生反思自己的備賽過程，當(dāng)讓學(xué)生集合思思縷縷的信息對整個(gè)過程進(jìn)行闡述的時(shí)候，既是學(xué)生對自己缺點(diǎn)的反思，也是對其他人優(yōu)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，在這個(gè)過程中，學(xué)生已經(jīng)擁有了解決問題的經(jīng)驗(yàn)，最終成為自主性很強(qiáng)的問題解決者。

六、結(jié)束語

基于設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)的機(jī)器人競賽教學(xué)模式的探究，為機(jī)器人競賽的教學(xué)模式提供了參考，對于教師與學(xué)生都具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。希望有更多的學(xué)者能夠致力于機(jī)器人競賽教學(xué)模式的探究，讓機(jī)器人競賽的理念不忘初心，為學(xué)生綜合能力的提升提供更廣闊的平臺。