糾錯(cuò)復(fù)原型機(jī)器人教學(xué)案例研究

康斯雅?鐘柏昌

摘 要：中小學(xué)機(jī)器人課程作為一門典型的工程教育類課程備受關(guān)注，如何在機(jī)器人教育中培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)思維和問題解決能力值得研究者思考。通過糾錯(cuò)任務(wù)解決機(jī)器人產(chǎn)品中的問題，能夠促進(jìn)學(xué)生理解機(jī)器人內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)及功能，培養(yǎng)問題解決能力，獲取更深層的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。結(jié)合已有研究，文章嘗試將糾錯(cuò)復(fù)原型教學(xué)模式應(yīng)用于中小學(xué)機(jī)器人教育，通過感知與操作、拆分與分析、識(shí)別與診斷、測(cè)試與總結(jié)等步驟引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題并解決問題，旨在為機(jī)器人教育提供實(shí)踐參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人教育;糾錯(cuò)復(fù)原型教學(xué)模式;案例研究

中圖分類號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-0069（2019）01-0037-05

現(xiàn)階段中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)過程大多數(shù)側(cè)重于模擬或模仿[1]，參考相關(guān)機(jī)器人廠家提供的說明書進(jìn)行零件安裝和項(xiàng)目學(xué)習(xí)[2]。盡管此方法可以讓學(xué)生掌握一些知識(shí)與技能，但是灌輸學(xué)習(xí)顯然不利于工程類學(xué)科的教育。機(jī)器人教育作為一種典型的工程教育之一，對(duì)學(xué)生問題解決的培養(yǎng)至關(guān)重要。學(xué)生通過課堂中對(duì)機(jī)器人的糾錯(cuò)分析和動(dòng)手實(shí)踐，可以有效感知和理解其操作原理，同時(shí)也能培養(yǎng)工程思維和問題解決能力。本文嘗試在教學(xué)過程中引入糾錯(cuò)任務(wù)，針對(duì)機(jī)器人運(yùn)行、避障、循跡等項(xiàng)目分別設(shè)計(jì)適合的教學(xué)內(nèi)容，使機(jī)器人教育充分發(fā)揮教學(xué)價(jià)值。

一、糾錯(cuò)復(fù)原型機(jī)器人教學(xué)特點(diǎn)及價(jià)值

糾錯(cuò)，也稱故障檢測(cè)，是問題解決的一種常見形式。日常生產(chǎn)生活中的糾錯(cuò)常指技術(shù)人員或?qū)I(yè)人員通過診斷并修正故障，讓系統(tǒng)恢復(fù)至正常狀態(tài)[3]。機(jī)器人教育中的糾錯(cuò)復(fù)原型教學(xué)模式是指將機(jī)器人的故障檢測(cè)與修復(fù)作為主要學(xué)習(xí)任務(wù)，使學(xué)生在檢測(cè)和調(diào)試機(jī)器人系統(tǒng)故障的過程中，分析故障原因（涉及機(jī)器人結(jié)構(gòu)、傳感、控制、動(dòng)力以及通信等不同方面），并設(shè)計(jì)和運(yùn)用多種方案進(jìn)行修正，以此解決機(jī)器人產(chǎn)品中的問題[4]。此模式以逆向工程思想、糾錯(cuò)學(xué)習(xí)理論等為基礎(chǔ)，核心價(jià)值表現(xiàn)為幫助學(xué)生將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問題，積累經(jīng)驗(yàn)并提升工程設(shè)計(jì)能力。與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，糾錯(cuò)復(fù)原型機(jī)器人教學(xué)模式具有以下特點(diǎn)：

一是機(jī)器人糾錯(cuò)復(fù)原模型較為系統(tǒng)。糾錯(cuò)復(fù)原型教學(xué)模式不以糾錯(cuò)為最終目的，該模式強(qiáng)調(diào)問題的發(fā)現(xiàn)與解決，主張以糾錯(cuò)復(fù)原的基本過程為教學(xué)主線，通過感知與操作、拆分與分析、識(shí)別與診斷、測(cè)試與總結(jié)等過程培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)及問題解決等能力。

二是機(jī)器人糾錯(cuò)任務(wù)形式較為多樣。在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中，糾錯(cuò)包含兩個(gè)層面，第一個(gè)層面是機(jī)器人教學(xué)過程中自然發(fā)生的錯(cuò)誤，第二個(gè)層面是教師人為設(shè)計(jì)的糾錯(cuò)任務(wù)，為充分驗(yàn)證糾錯(cuò)復(fù)原型機(jī)器人教學(xué)模式的教學(xué)效果，本研究將重點(diǎn)采用人為設(shè)計(jì)的糾錯(cuò)任務(wù)，但不排除自然發(fā)生的糾錯(cuò)任務(wù)的教學(xué)優(yōu)勢(shì)。

三是機(jī)器人糾錯(cuò)涉及領(lǐng)域較為廣泛。機(jī)器人的故障檢測(cè)與修復(fù)存在于造型搭建領(lǐng)域、程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域等，教師需針對(duì)不同領(lǐng)域分別設(shè)計(jì)糾錯(cuò)內(nèi)容。

二、糾錯(cuò)復(fù)原型機(jī)器人教學(xué)案例設(shè)計(jì)

（一）糾錯(cuò)復(fù)原型機(jī)器人教學(xué)方法設(shè)計(jì)

在機(jī)器人教育中，通過教師提供的故障產(chǎn)品培養(yǎng)學(xué)生的糾錯(cuò)能力是必要的，此過程也為機(jī)器人理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問題、提高學(xué)生的工程設(shè)計(jì)水平提供了新的途徑。糾錯(cuò)復(fù)原型機(jī)器人教學(xué)過程具體體現(xiàn)為：感知與操作——拆分與分析——識(shí)別與診斷——測(cè)試與總結(jié)等，具體解釋如下：

1.感知與操作

本環(huán)節(jié)意在使學(xué)生投身機(jī)器人產(chǎn)品，通過對(duì)產(chǎn)品的感知提高興趣，以便進(jìn)一步理解其結(jié)構(gòu)和功能。不同于傳統(tǒng)的講授演示型教學(xué)，感知與操作過程可以讓學(xué)生自主探尋，減少對(duì)機(jī)器人產(chǎn)品的陌生感。

在機(jī)器人的造型搭建領(lǐng)域，感知與操作的載體體現(xiàn)在機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)。教學(xué)開始時(shí)，學(xué)生感知和操作已損壞或功能缺失的機(jī)器人產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，為以后的機(jī)器人拆分與分析做準(zhǔn)備;在機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域，感知與操作的載體體現(xiàn)在機(jī)器人產(chǎn)品的程序指令，主要包括機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的功能和已有程序的測(cè)試，此部分要求學(xué)生已經(jīng)掌握機(jī)器人軟硬件操作相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，顯然不適用于教學(xué)初期。

2.拆分與分析

拆分與分析，是指在對(duì)機(jī)器人拆解的過程中觀察各組成部分的結(jié)構(gòu)，同時(shí)理解各部分的存在意義。本環(huán)節(jié)的重點(diǎn)在于通過動(dòng)手操作分析機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和功能，使學(xué)生結(jié)合逆向思維理解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，并嘗試尋找故障根源。

在機(jī)器人的造型搭建領(lǐng)域，拆分與分析體現(xiàn)在機(jī)器人結(jié)構(gòu)的拆解、測(cè)量和記錄。在分析和揣摩別人安裝過程中推斷產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖，并嘗試尋找故障根源。在機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域，此步驟側(cè)重于執(zhí)行程序的拆分與分析，學(xué)生將基于已有基礎(chǔ)和教師的引導(dǎo)對(duì)功能實(shí)現(xiàn)的代碼進(jìn)行結(jié)構(gòu)拆分，分析和記錄故障指令與作用，并構(gòu)思實(shí)現(xiàn)該功能所需要的正確執(zhí)行代碼，為下一步故障代碼的識(shí)別與診斷做好準(zhǔn)備。

3.識(shí)別與診斷

識(shí)別與診斷是解決故障根源過程中非常重要的環(huán)節(jié)。很多學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)故障根源，但在解決問題時(shí)會(huì)遇到困難，因此該環(huán)節(jié)旨在培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)和問題解決能力，使學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題后可呈現(xiàn)出有效的解決方案。

在機(jī)器人的造型搭建領(lǐng)域，識(shí)別與診斷是指學(xué)生識(shí)別出機(jī)器人結(jié)構(gòu)搭建的錯(cuò)誤所在，結(jié)合各零部件的測(cè)量和記錄梳理修正故障所需要的材料，并經(jīng)過思考與討論對(duì)可執(zhí)行的修改方案做出判斷;在機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域，該過程是指通過上一環(huán)節(jié)中分析和記錄的指令功能，對(duì)故障指令進(jìn)行篩選并提出修改意見、完善診斷報(bào)告。

4.測(cè)試與總結(jié)

糾錯(cuò)復(fù)原型機(jī)器人教學(xué)的最終物化成果是修正存在故障的機(jī)器人產(chǎn)品，本環(huán)節(jié)的教學(xué)旨在結(jié)合診斷報(bào)告，在分析產(chǎn)品需求、投資、安全、生產(chǎn)、能源及綜合性因素之后選出最優(yōu)方案進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)試以獲得更深層的學(xué)習(xí)體驗(yàn)[5]。此環(huán)節(jié)在工程設(shè)計(jì)過程中至關(guān)重要，不斷地完善故障機(jī)器人的造型或程序可以增加成就感，反復(fù)的調(diào)試過程會(huì)使學(xué)生掌握真實(shí)經(jīng)驗(yàn)，有利于提高解決實(shí)際問題的能力。

在實(shí)際教學(xué)過程中，該步驟不僅包括學(xué)生對(duì)機(jī)器人糾錯(cuò)與復(fù)原全過程的感悟與總結(jié)，也包括教師對(duì)本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容的總結(jié)、教學(xué)知識(shí)的回顧以及課程的評(píng)價(jià)，其中課程評(píng)價(jià)包括與機(jī)器人課程內(nèi)容相符的能力水平標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試、參考以往研究設(shè)計(jì)的機(jī)器人學(xué)習(xí)態(tài)度調(diào)查、多維度的機(jī)器人作品評(píng)價(jià)以及課后訪談等方法[6]。教師可以通過以上多方面的評(píng)價(jià)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的反思和調(diào)整，其中的能力水平標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試和機(jī)器人作品評(píng)價(jià)也有利于學(xué)生鞏固課程中學(xué)習(xí)的知識(shí)，從而不斷提高教學(xué)質(zhì)量。

（二）糾錯(cuò)復(fù)原型機(jī)器人教學(xué)案例設(shè)計(jì)

在本研究中，糾錯(cuò)復(fù)原型機(jī)器人案例設(shè)計(jì)主要考慮如下因素：教學(xué)項(xiàng)目的趣味性和可行性，教學(xué)內(nèi)容的探索性和連貫性。

首先，教學(xué)項(xiàng)目的選擇需符合中小學(xué)生的特點(diǎn)，更具趣味性的項(xiàng)目會(huì)吸引學(xué)生的注意力，使其充分投入到教學(xué)內(nèi)容中來。但仍需結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)情況實(shí)施復(fù)雜的糾錯(cuò)項(xiàng)目，否則不僅無法解決已有問題還會(huì)增加學(xué)生的挫敗感，因此在設(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí)要充分考慮實(shí)施過程的復(fù)雜程度，以平衡學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和執(zhí)行能力。

其次，教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)可以從生活實(shí)際出發(fā)，使學(xué)生在掌握知識(shí)和技能的基礎(chǔ)上，激發(fā)學(xué)習(xí)機(jī)器人的積極性，進(jìn)一步探索機(jī)器人的奧秘。結(jié)合已有知識(shí)，循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生參與到發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程中，為提高學(xué)習(xí)效率、培養(yǎng)工程設(shè)計(jì)思想和問題解決能力提供可能。

三、糾錯(cuò)復(fù)原型機(jī)器人教學(xué)案例設(shè)計(jì)應(yīng)用

這里以“探測(cè)巡線走”的教學(xué)為例，介紹糾錯(cuò)復(fù)原型機(jī)器人教學(xué)案例的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

（一）方案設(shè)計(jì)

1.教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生情況分析

本節(jié)課“探測(cè)巡線走”的教學(xué)重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)探測(cè)機(jī)器人的巡線行進(jìn)，主要涉及的傳感器是巡線傳感器，教學(xué)對(duì)象是小學(xué)五年級(jí)的學(xué)生。總體而言，該學(xué)段位于學(xué)習(xí)機(jī)器人的初級(jí)階段，側(cè)重于機(jī)器人基本知識(shí)與基本技能的掌握。前面幾節(jié)課，學(xué)生學(xué)習(xí)了探測(cè)機(jī)器人的拆裝步驟和電機(jī)的原理及應(yīng)用，熟練掌握了機(jī)器人的造型搭建和程序編寫上傳至機(jī)器人的流程，對(duì)探測(cè)機(jī)器人有了濃厚的學(xué)習(xí)興趣。與初學(xué)者相比，在動(dòng)手操作與編程能力方面都有了顯著的提升。

2.教學(xué)目標(biāo)

在知識(shí)與技能方面，要求學(xué)生了解巡線傳感器具備的功能和運(yùn)行原理，學(xué)會(huì)在mBlock圖形化編程軟件中使用巡線傳感器等指令實(shí)現(xiàn)巡線功能，并了解巡線功能在日常生活中的現(xiàn)實(shí)意義。

在過程與方法方面，要求學(xué)生在掌握巡線傳感器原理的基礎(chǔ)上，理解相關(guān)指令代碼的功能與意義，并通過糾錯(cuò)復(fù)原的過程實(shí)現(xiàn)探測(cè)機(jī)器人的巡線功能。

在情感、態(tài)度與價(jià)值觀方面，要求學(xué)生通過修改并完善程序指令，感受程序設(shè)計(jì)的操作過程，使學(xué)生了解機(jī)器人課程并不只是簡(jiǎn)單的搭建，激發(fā)對(duì)機(jī)器人進(jìn)一步探索的積極性。

3.可選方案的設(shè)計(jì)與選擇

基于教學(xué)內(nèi)容可知，本節(jié)課主要是使學(xué)生理解巡線傳感器原理，實(shí)現(xiàn)探測(cè)機(jī)器人巡線功能，本文初步設(shè)計(jì)以下幾種教學(xué)方案，如表1所示。筆者在綜合幾種方案的優(yōu)缺點(diǎn)、實(shí)際教學(xué)時(shí)間，并分析五年級(jí)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況之后，最終選擇了方案一。先由教師介紹巡線傳感器的原理及應(yīng)用，接著下發(fā)人為設(shè)計(jì)的故障巡線程序，隨后展開糾錯(cuò)復(fù)原教學(xué)過程。

（二）教學(xué)實(shí)踐

1.復(fù)習(xí)與導(dǎo)入

本環(huán)節(jié)主要是帶領(lǐng)學(xué)生回顧上節(jié)課學(xué)習(xí)的電機(jī)原理及應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生從程序設(shè)計(jì)的角度去分析機(jī)器人的執(zhí)行過程。教師以巡線傳感器在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用為例，導(dǎo)入本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)——實(shí)現(xiàn)機(jī)器人巡線功能，并播放探測(cè)機(jī)器人巡線走的視頻，以便教學(xué)的展開。

2.講解與拋疑

本環(huán)節(jié)的第一部分是向?qū)W生介紹巡線傳感器的工作原理，讓學(xué)生了解到巡線傳感器上有兩個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器上包含紅外發(fā)射LED和紅外感應(yīng)晶體管，而機(jī)器人正是利用傳感器的信號(hào)才能在白底背景上巡線前進(jìn)。隨后向?qū)W生解釋可以巡黑線是因?yàn)榧t外光線的反射特性，引導(dǎo)學(xué)生了解光的反射和信號(hào)傳輸?shù)认嚓P(guān)知識(shí)。

第二部分是向?qū)W生介紹通過mBlock圖形化編程軟件實(shí)現(xiàn)探測(cè)機(jī)器人巡線走的原理，如表2所示。教師通過講解機(jī)器人巡線功能與編程指令之間的關(guān)聯(lián)，使學(xué)生進(jìn)一步感知程序設(shè)計(jì)的原理，為之后的程序糾錯(cuò)做鋪墊。

學(xué)生掌握了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人巡線功能的原理之后，第三部分是由教師下發(fā)紙質(zhì)版路線示意圖（以小組為單位）和存在故障的程序（以個(gè)人為單位），如圖1和2所示，為之后的糾錯(cuò)復(fù)原過程做好準(zhǔn)備。

3.感知與操作

本環(huán)節(jié)是在前一環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)器人進(jìn)行的自主探究學(xué)習(xí)。學(xué)生以小組為單位領(lǐng)取探測(cè)機(jī)器人，并對(duì)接收的故障程序進(jìn)行測(cè)試。

4.拆分與分析

在本環(huán)節(jié)中，學(xué)生仍以小組為單位，基于已有知識(shí)以及教師的指導(dǎo)，對(duì)故障代碼進(jìn)行結(jié)構(gòu)拆分，并分析和記錄相關(guān)指令及功能。通過組內(nèi)商討對(duì)填寫的指令功能達(dá)成統(tǒng)一意見，依次記錄指令分析的序號(hào)、名稱及功能。

5.識(shí)別與診斷

本環(huán)節(jié)是上一環(huán)節(jié)的延續(xù)，側(cè)重于識(shí)別故障指令中的錯(cuò)誤。學(xué)生以個(gè)人為單位依次記錄序號(hào)、指令名稱和修改意見，填寫好之后與組內(nèi)同學(xué)協(xié)商，并達(dá)成統(tǒng)一意見，為下一步測(cè)試做準(zhǔn)備。

6.測(cè)試與總結(jié)

本環(huán)節(jié)共包含四個(gè)部分，第一部分是學(xué)生根據(jù)識(shí)別與診斷表格對(duì)程序代碼進(jìn)行迭代的修改和測(cè)試，同時(shí)教師負(fù)責(zé)觀察各組的修改意見是否正確;第二部分是時(shí)間截止后，成功調(diào)試出巡線功能的小組進(jìn)行演示，并講解指令修改意見;第三部分是教師對(duì)本節(jié)課下發(fā)的代碼進(jìn)行故障講解，并下發(fā)代碼文件，講解正確代碼的結(jié)構(gòu)和功能;第四部分是教學(xué)效果的評(píng)價(jià)，包括能力水平標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試、問題解決能力問卷調(diào)查等。

（三）教學(xué)反思

從實(shí)際教學(xué)效果來看，學(xué)生對(duì)巡線傳感器的使用、程序代碼的修改和編寫掌握得比較扎實(shí)，這主要源于學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人的興趣。不同于以往的講授演示型教學(xué)，從故障代碼出發(fā)更容易調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中注重發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。當(dāng)然，本節(jié)課也有需要改進(jìn)的地方，比如課堂教學(xué)時(shí)間的把控、如何引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行遷移創(chuàng)新等，希望能夠再次完善教學(xué)過程，以便呈現(xiàn)更好的教學(xué)效果。

四、小結(jié)

學(xué)生在“探測(cè)巡線走”的學(xué)習(xí)過程中深入探索，嘗試發(fā)現(xiàn)和解決問題。提供給學(xué)生存在故障的機(jī)器人或程序代碼，以糾錯(cuò)復(fù)原型教學(xué)模式進(jìn)行知識(shí)與技能的學(xué)習(xí)，有益于幫助學(xué)生掌握機(jī)器人相關(guān)知識(shí)、自主地探索與發(fā)現(xiàn)。本研究著力于機(jī)器人的教學(xué)實(shí)踐，通過糾錯(cuò)復(fù)原型機(jī)器人項(xiàng)目的開發(fā)和應(yīng)用探討更多的教學(xué)模式的可行性，為中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)模式提供一種新的參考。

[1]閆妮，鐘柏昌.中小學(xué)機(jī)器人教育的核心理論研究：論發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式[J].電化教育研究，2018，39（04）：66-72.

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Case Study on Error Correction and Recovery Robot Teaching

KANG Siya，ZHONG Baichang

（School of Education Science，Nanjing Normal University，Nanjing，Jiangsu，China 210097）

Abstract： The robotic curriculum of primary and secondary schools has attracted much attention as a typical engineering education course.How to cultivate students’engineering design thinking and problem-solving ability in robot education is worthy of researchers’thinking.Solving problems existed in robot products through error correction tasks can help students understand the internal structure and functions of robots，cultivate their problem-solving skills，and gain a deeper learning experience.Combined with existing research，this paper attempts to apply the error correction and recovery teaching mode to primary and secondary school robot education.Through the steps of perception and operation，splitting and analysis，recognition and diagnosis，testing and summarization，the students are guided to discover problems，think about problems and solve problems，hoping to provide a practical reference for robot education.

Key words：? robot education;error correction and recovery teaching mode;case study