基于設(shè)計型學習（DBL）的機器人競賽教學模式構(gòu)建研究

羅倩茹 秦健 劉寶瑞

摘 要：在國家政策的大力支持下，我國機器人教育迎來了快速發(fā)展時期。多數(shù)開展機器人教育的學校都希望學生能夠參加相關(guān)機器人競賽，給學生提供一個展示自己的平臺。目前機器人日常教學中的內(nèi)容與競賽主題脫節(jié)是機器人教學中的最大問題，以機器人競賽為主題的教學模式創(chuàng)新已經(jīng)成為我國機器人教育行業(yè)的重中之重。本文在深入了解眾多中小學機器人競賽教學方式的基礎(chǔ)上，查閱了國內(nèi)外文獻，梳理了設(shè)計型學習在教育中的應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合筆者指導(dǎo)S學校二十多個學生參加2018年FLL工程挑戰(zhàn)賽“飲水思源”的實踐經(jīng)驗，從賽前、賽中、賽后三個層面出發(fā)，提出了基于設(shè)計型學習的機器人競賽教學模式，以期為中小學機器人競賽的教學過程提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：FLL工程挑戰(zhàn)賽；設(shè)計型學習；DBL；教學模式；機器人競賽

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2018）17-0041-04

一、引言

2003年，教育部頒布《普通高中技術(shù)課程標準（實驗）》，首次將“人工智能初步”和“簡易機器人制作”模塊納入高中信息技術(shù)和通用技術(shù)中，標志著機器人教學正式進入到基礎(chǔ)教育領(lǐng)域當中。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準，將“人工智能初步”和“開源項目設(shè)計”模塊納入高中信息技術(shù)課程標準的選擇性必修課中，將“技術(shù)與工程”系列納入高中通用技術(shù)課程標準的選擇性必修課中。在國家政策的支持下，我國的機器人教育進入了快速發(fā)展時期。

二、問題的提出

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

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

三、DBL在機器人競賽教學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)計的學習或者通過設(shè)計學習。起源于學習科學研究領(lǐng)域，其目的是在真實情境中，以研究者與實踐者的協(xié)作為基礎(chǔ)，通過分析、設(shè)計、開發(fā)和實施的反復(fù)循環(huán)來改進教育實踐，并提煉對情境敏感的設(shè)計原則和理論。[2]

（2）DBL的特征

特征包括：學科知識的整合性，個體只有具有整合型的知識，才能順利實現(xiàn)有效的遷移、應(yīng)用和問題解決；學習過程的設(shè)計性，設(shè)計的思想始終貫穿于整個學習過程，又將學習得到的結(jié)論反饋于設(shè)計，檢驗設(shè)計的合理性與有效性；學習過程的迭代性，設(shè)計型學習在一次任務(wù)完成之后，通常要進行評價修改，進入第二次活動循環(huán)，這是一種持續(xù)地尋找實施辦法的過程；學習結(jié)果的反思性，反思強調(diào)的是對學生進行反思技能的訓(xùn)練。[3]

2.賽事分析

（1）FLL機器人工程挑戰(zhàn)賽簡介

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

（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個任務(wù)，每個任務(wù)的難度不同，對學生綜合能力的考驗也不相同。比賽要求學生在老師的指導(dǎo)下完成機器人的設(shè)計、搭建以及編程等工作來解決現(xiàn)實世界中的問題。整個比賽的過程可以分為四個部分：設(shè)計、搭建、編程和調(diào)試。設(shè)計、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)計型學習在機器人競賽教學中的可行性分析

機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：學科知識的整合性、學習過程的設(shè)計性、學習過程的迭代性、學習結(jié)果的反思性。因此將設(shè)計型學習的理念應(yīng)用于機器人競賽中具有理論可行性。

倡導(dǎo)參加機器人競賽的前提是學生必須進行過相關(guān)基礎(chǔ)知識的學習，對機械結(jié)構(gòu)的搭建、原理以及編程有較為深入的了解。以S學校為例，該校學生在進入比賽之前，已經(jīng)進行了長達六個月的基礎(chǔ)知識學習。因此在S學校進行基于DBL的機器人競賽教學模式探究具有現(xiàn)實可行性。

四、基于DBL的機器人競賽教學模式構(gòu)建

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

1.賽前師生角色的定位

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

（1）教師的角色定位

學習者特征分析：教師根據(jù)每個學生擅長的領(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，在接下來將近一個月的時間里，教師需要充分了解每個組的成員配合情況以及每個學生在組內(nèi)承擔的角色。在這一個月的磨合期內(nèi)，教師根據(jù)自己的觀察記錄、學生的總結(jié)反思不斷地去重新調(diào)整分組，直至每個組的團隊協(xié)作能力達到最優(yōu)。

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

（2）學生的角色定位

相互磨合、分工協(xié)作：根據(jù)教師的分組，學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，這個過程貫穿整個教學過程的始終。

頭腦風暴、設(shè)計方案：根據(jù)教師制定的學習計劃，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，學生需要將各科的知識進行整合，利用學習過的基礎(chǔ)知識，設(shè)計出能完成特定任務(wù)的方案。

搭建機器、編寫程序：根據(jù)小組成員設(shè)計出的方案，團隊之間相互配合將自己的方案實現(xiàn)出來，搭建出機器人的基本模型，并且完成程序的編寫。

不斷調(diào)試、迭代方案：在對自己的方案進行調(diào)試和其他小組的方案進行對比之后，又驅(qū)使學生思考自己方案的優(yōu)缺點，以及如何進行改良，并且教師也在不斷地鼓勵學生進行闡述，說出自己最初設(shè)計的想法及如何設(shè)計的，發(fā)現(xiàn)什么問題，應(yīng)該如何進行優(yōu)化。教師要鼓勵學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)教師的方式進行方案的再次設(shè)計、修改和調(diào)試。在這個不斷反思的過程中，學習的自主性得到了增強。

（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個任務(wù)中屬于中等偏下，從易到難排序時“移除水管”排到了“過濾和移動三腳架”之后。按照預(yù)訂計劃，做“移除水管”的任務(wù)時，學生已經(jīng)完成了“過濾和移動三腳架”的任務(wù)。

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

成員甲：我們這么多零件，拿個梁就能把它挑回去（邊說邊用書示范）；成員乙（擅長搭建）：你用手肯定能運回去，但是這個梁肯定得連接到中型電機上啊，不然你怎么把它挑回去；成員丙：我們可以用這個軸啊，這個還細點。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)上加個中型電機，然后在中型電機上連接個軸，當機器走到那個位置的時候，讓中型電機挑起來運回基地。

小組成員按照自己設(shè)計的方案完成機器的搭建，并進行了電機的測值，完成了程序的編寫。進行第一輪調(diào)試，在調(diào)試的過程中發(fā)現(xiàn)機器人每次走的路線都不一樣，導(dǎo)致軸無法準確地插入圓環(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：“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，最終達成一致：修改結(jié)構(gòu)，可以在前邊多搭建幾個軸，這樣就算機器運行偏離也可以插進圓環(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)和程序上都進行了迭代，成功率大幅度提升。

2.賽中師生角色的定位

賽場是學生真正成長、進步最快的地方，因為在比賽的過程中，教師不允許進入賽場，賽場上遇到的所有問題都需要學生自己解決。在短短一天的比賽中，既是對學生學習效果的檢驗，又是對教師教學效果的檢驗，更是對學生解決問題的能力、團隊協(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，學生的主體性進一步增強，賽前有專業(yè)老師做指導(dǎo)，學生也可以自己在網(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，將教師與學生在比賽過程中需要準備的東西以及注意事項整理到表1中。

3.賽后師生角色的定位

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

比賽后，老師需要帶著學生一起反思總結(jié)，從最開始的備賽階段到正式比賽的過程進行回顧，學生需要總結(jié)在這次比賽中自己在小組內(nèi)擔任著什么角色，學習到了什么，收獲了什么，在賽場上出現(xiàn)了哪些問題，有什么解決方案，賽場上其他學校的隊伍對你有什么啟示以及其他的感受。老師需要總結(jié)的是在整個教學過程中遇到了什么問題，教學方法上有哪些不足，哪些需要改進，學生在整個過程中哪些方面做的不足需要改進，哪些做的很好需要保留。最后，教師和學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的機器人競賽教學模式的建議

1.賽前（對教師的建議）

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

2.賽中（對學生的建議）

賽場是對學生綜合能力的考驗，小組成員之間經(jīng)過了這么長時間的磨合，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，建議小組成員之間一定要分工明確，在進入賽場之前就清楚每個人需要干什么，各個成員在負責好自己應(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隊協(xié)作能力最優(yōu)化。

3.賽后（對教師和學生的建議）

很多人可能認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。老師反思自己的教學過程，學生反思自己的備賽過程，當讓學生集合思思縷縷的信息對整個過程進行闡述的時候，既是學生對自己缺點的反思，也是對其他人優(yōu)點的學習，在這個過程中，學生已經(jīng)擁有了解決問題的經(jīng)驗，最終成為自主性很強的問題解決者。

六、結(jié)束語

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

參考文獻：

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[5]王佑鎂，李璐.設(shè)計型學習——一種正在興起的學習范式[J].中國電化教育，2009（10）：12-16.

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[8]張麗芳.基于STEM的Arduino機器人教學項目設(shè)計研究[D].南京：南京師范大學，2015.

[9]盧曉琦，秦健.基于項目式學習（PBL）的VEX機器人比賽選手準備過程模式構(gòu)建[J].中國教育信息化，2017（17）：79-81.

[10]王同聚.“微課導(dǎo)學”教學模式構(gòu)建與實踐——以中小學機器人教學為例[J].中國電化教育，2015（2）：112-117.

（編輯：王曉明）