基于項目式學習的VEX機器人教學模式探究

賀甜甜 秦健 韓恭恩

摘要：隨著人工智能+教育的浪潮不斷推進，機器人教育逐漸被各界重視。我國高中的通用技術新課標中也明確將“機器人設計與制作”模塊列入選擇性必修中，旨在激發(fā)學生STEM方向的學習興趣，通過機器人教學培養(yǎng)學生的工程思維、創(chuàng)新設計、圖樣表達、物化能力等核心素養(yǎng)。目前我國的機器人教育多以競賽為依托，通過社團課或興趣班的形式開展，尚沒有系統(tǒng)的授課內容和方式，存在諸多問題。作者結合一線機器人教師多年來的教學經驗以及自身的參賽經歷，以VEX機器人為例，探究了基于項目學習的VEX機器人教學模式，為機器人教學在中小學的開展提供了參考。

關鍵詞：人工智能;項目式學習;STEAM教育;機器人教學;VEX機器人

中圖分類號：G424? ? ? ? 文獻標志碼：B? ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2020）02-0034-04

一、研究背景

1.機器人教育

機器人教育在國外開展較早，美國、英國、日本最具代表性，除了對機器人學習外，還利用機器人服務于課堂教學等，在各個階段都有涉及[1]。機器人教育的研究最開始源自大學開設機器人課程，后期陸續(xù)在中小學展開了機器人教學實踐活動。

我國學校教育環(huán)境中，機器人教育的推廣和實踐形式主要是通過通用技術和信息技術課程中的機器人模塊來推進，部分學校會以社團課和比賽的形式推進，大多以小組協(xié)作展開，激發(fā)學生興趣，培養(yǎng)學生動手實踐和科學探究能力[2]。尤其是近幾年，隨著“互聯(lián)網+人工智能”以及機器學習的發(fā)展，創(chuàng)客教育和STEAM教育日漸興起，機器人教育如何在中小學開展成為各級領導、師生、家長關注的事情。在經濟發(fā)達地區(qū)如北京、上海已有中小學開展專門的機器人以及人工智能課程，將其作為一門獨立學科進行教授學習，但尚且沒有形成統(tǒng)一的課程內容和模式。

2.VEX機器人競賽

VEX機器人競賽是由美國機器人教育與競賽基金會（Robotics education and competition foundation簡稱 REC基金會）于2003年在美國創(chuàng)辦的，每年參加競賽的選手來自全球50多個國家[3]，其參賽人數(shù)打破了吉尼斯世界記錄成為“最大規(guī)模的機器人比賽”。

VEX工程挑戰(zhàn)賽也是我國科學技術協(xié)會主辦的青少年機器人競賽項目之一， 旨在為青少年機器人愛好者提供一個跨學科知識與技能的平臺，該比賽采用聯(lián)隊對抗、現(xiàn)場抽簽的形式，更加考驗學生的臨場應對能力。通過自己設計搭建的機器人在場上獲取得分物，不僅要主動獲取分數(shù)，還要考慮使用策略防守對方。VEX機器人相比其他機器人項目與工程、科學等領域更為接近，每年不同的項目主題以及規(guī)則和得分方式使得它相比其他機器人項目更具吸引力，在整個比賽過程中青少年的團隊協(xié)作、統(tǒng)籌安排和解決實際問題的能力也能得到鍛煉。

二、機器人教育的意義

有研究者認為，機器人教育能夠將“Engineering”帶進基礎教育中，培養(yǎng)學生的 STEM素養(yǎng)和綜合能力[4]。

1.提升學生的工程思維和計算思維

機器人競賽需要學生設計并搭建機器人，通過計算機編程讓其實現(xiàn)一定的功能。學生根據(jù)這一具體任務展開要素分析，進行整體規(guī)劃，在整個過程中不斷對機器和編程策略進行優(yōu)化，通過計算機在線搜集信息資料，用計算信息思維解決問題[5]。在機器人模擬設計過程中，學生可以分析規(guī)劃整個系統(tǒng)、結構、流程的關系。在面對激烈的比賽時，學生根據(jù)實際情況作出相應的風險評估判斷和實際決策，進一步培養(yǎng)工程思維、創(chuàng)新設計等學科核心素養(yǎng)[6]。

2.打破傳統(tǒng)的大班教學模式，有助于個性化教學

機器人教學作為新科目突破了傳統(tǒng)的一言堂教學模式，多采用教師輔助、學生主導的體驗式項目教學，小組成員協(xié)作學習，教師通過觀察學生在課堂中的表現(xiàn)以及出現(xiàn)的問題，可進行針對性的輔導，及時處理學生在認知實踐中出現(xiàn)的困惑，從而促進學生全面發(fā)展。

3.推進人工智能教育與STEAM教育的發(fā)展

VEX機器人的設計與制作涉及到了科學、技術、工程、藝術、數(shù)學、物理等不同科目的知識，其中機器人的機械臂設計運用到的物理齒輪傳動、數(shù)學比例計算、電機的負載、算法的優(yōu)化等都是跨學科教學的重要體現(xiàn)。通過簡單機器人的設計制作，學生在實踐中綜合應用跨學科知識，形成對人工智能的初步認識。

4.符合國家培養(yǎng)目標，提升學生核心素養(yǎng)和綜合能力

21世紀對人才的要求更加全面綜合，我國普通高中的培養(yǎng)目標重點在于提升學生的各方面素質，發(fā)展核心素養(yǎng)，使其具有終身學習能力、團隊協(xié)作能力和自我認知能力[7]。VEX機器人教學常采取項目式教學加輔助案例的形式，學生進行小組討論，針對項目要求進行方案設計、頭腦風暴、策略選擇、角色分工，相互配合，可以一定程度上提升學生的綜合能力。

三、基于項目式學習的VEX機器人教學模式探究

項目式學習強調學生融入項目中，親自參與到活動中，通過對知識的建構解決現(xiàn)實中的問題[3]。而VEX機器人比賽正是一個典型的項目式學習的案例，它的工程挑戰(zhàn)項目每年都會更新，學生拿到新賽季主題后，對其展開小組討論，進行頭腦風暴，自主制定方案與策略，設計并搭建，利用編程使機器人實現(xiàn)特定功能，完成相應的任務。教師可通過一個完整的項目進行教學活動，是將理論知識和實踐操作相互結合并應用于教學的重要體現(xiàn)。

因VEX機器人比賽本身的開放性和自主性，以社團為載體進行的VEX機器人教學則具有一定的挑戰(zhàn)性，教學主題年年更新，課堂形式靈活多樣，存在因過于注重比賽結果而忽略對學生進行理論知識教學，缺乏關注學生綜合發(fā)展等問題。筆者結合一線教師多年來的機器人教學經驗和自身的參賽經歷，以VEX機器人為例，探究出適用于中小學的基于項目式學習、以小組協(xié)作形式開展的VEX機器人教學模式（如圖1所示）。

本文將以2018-2019年VEX-EDR中學組比賽為例進行說明，本賽季的主題為“攻城易幟”，該項目要求學生自主設計并搭建機器人，在場上完成相應的任務，比如用球擊打旗幟或者翻碟蓋。常規(guī)一場比賽時間為120秒，前15秒為自動時間，學生利用程序控制機器人，使機器人可以通過程序自動完成任務并得分判斷輸贏，贏的一方將在總分成績上加4分，后105秒是手動模式，學生利用寫好的手控程序使用遙控器操控機器人得分。雙方在有限的時間通過完成任務獲取分數(shù)，最終分數(shù)多的一方獲勝。除了用冠亞季軍的形式作為評價外，該項目還設置了很多專項獎，包括全能獎、技能獎、建造獎、創(chuàng)意獎、最佳設計獎、評審獎、巧思獎等，評價指標包含比賽戰(zhàn)況、答辯表現(xiàn)、工程筆記、團隊協(xié)作、機器性能和結構等。

VEX機器人比賽一般每年四五月份公布主題，在沒有得到新賽季主題之前，教師主要通過翻轉課堂進行教學，學生通過在各大網站上搜集往屆的賽事視頻，對常見的機器人機械結構和賽事規(guī)則進行基本了解[8]。在課堂上教師需要進行基本的理論知識講解與梳理，包括物理傳動原理、編程語言基礎等。

1.教師進行理論教學，學生模擬練習

該賽事對學生的機械結構和編程知識有一定的要求，教師需整理歷屆賽事主題對應的機器人結構，分析常見的經典機械傳動結構和物理原理，讓學生嘗試搭建并應用比如齒輪傳動、拉伸結構等，對應的編程語言環(huán)境一般是基于C或C++，教師要給學生提前梳理編程語言的基本語法和簡單應用。

例如：對于2018-2019年“攻城易幟”賽季，學生需要通過機器人的功能結構用球去擊打賽場上的紅藍色旗幟，通過使己方顏色的旗幟朝上獲取分數(shù)，除此之外場上還有紅藍色的碟蓋和紅藍色的低臺，分別對應不同的分值，最后根據(jù)比賽結束時場上得分物的狀態(tài)記分分出勝負。常見的打球結構原型就來自于物理中的齒輪傳動和滑軌力學知識。

2.采用軟硬件配對模式，進行異質分組

一般的機器人學習為小組協(xié)作學習模式，而常見的合作模式有駕導配對模式、軟硬件配對模式。相關研究表明，軟硬配對學習模式在機器人教學中應用效果較好，學生可以更好地發(fā)揮自我能動性[9]。在前期的基礎知識教學過程中，教師需要記錄好課堂案例，以便及時總結，可以結合學生意愿和特長進行分組，可組間同質、組內異質。VEX項目的角色分工如圖2所示。

VEX小組由4-6人組成，隊伍中需要有編程者（軟件）、搭建者（硬件）、操控手、記錄者、運營指揮、外聯(lián)管理者等，可一人飾多角，沒有一個角色是獨立存在的，都需要相互協(xié)作，比如前期其他人員可以配合搭建手一起來搭建機器，后期搭建手可以配合進行測試或比賽練習，整個過程非?？简瀸W生的團隊協(xié)作和溝通執(zhí)行能力?！肮コ且讕谩辟惣疽蚱鋵剐暂^強，場上的操控手往往視野受限制，需要有指揮人員統(tǒng)籌場上的情況并立刻下達決定告知操控手應該執(zhí)行哪個操作，以求獲得較高分數(shù)。所以現(xiàn)場比賽時操控手和指揮的默契尤為重要。

每隊需選出一名隊長，當組內進展出現(xiàn)問題時及時組織討論。教師主要負責統(tǒng)籌整個時間點，把控每個隊伍的進度，包括搭建、編程、練習、工程日志進度等，團隊所有成員要根據(jù)項目的實際進展情況及時作出調整。

3.解讀規(guī)則，制定計劃和策略

當新賽季主題和規(guī)則公布后，教師帶領學生一起解讀規(guī)則，學生以小組為單位進行頭腦風暴、設計機器人結構、確定比賽的策略，最終決定機器人要采用什么結構、實現(xiàn)怎么樣的功能，并給出設計草圖和零件清單，用虛擬仿真軟件模擬搭建檢驗有效后可開始搭建。例如：針對用球擊打旗幟這一子任務，可以通過不同的結構裝置完成，常見的有彈射結構、拋射結構、飛輪結構等，不同的結構實現(xiàn)難易程度和效率均不同，需要學生去計算去嘗試，教師在這個過程中要站在宏觀的角度把握進度。關于創(chuàng)意結構的搭建和組裝是學生在面臨新賽季項目時需解決的最大難題，這需要學生在了解了大量的結構基礎之上實現(xiàn)再創(chuàng)造。

在整個設計過程，中學生需要用系統(tǒng)的方法考慮機器的搭建，因為每臺機器人的尺寸和電機數(shù)量都有一定的限制，學生要根據(jù)特定的約束條件決定結構的取舍，一般大家會采用打旗、翻碟蓋、上擂臺的方法獲得分數(shù)，放棄掛高碟盤，如果設計的車是防守型的可考慮加上挑高碟盤的結構，防止萬一對方掛高碟盤情況發(fā)生。

每一個思路和設計的更新迭代都是項目進展的重要體現(xiàn)，學生在平常搭建和編程過程中要及時做好過程性記錄，包括整個過程中遇到的問題以及解決辦法等。工程日志可很好地反應學生的工程行為和機器的更新迭代過程，也是作為最終參賽的一項重要評價指標，可根據(jù)實際情況由專門人員負責填寫記錄。

4.比賽時學生為主，教師為輔

教師主要負責學生安全達到比賽場地，觀察學生賽場表現(xiàn)，鼓勵全員參與答辯，做好輔助工作即可。師生關系如圖3所示。

各小組成員提前分配好每個人的任務，包括備用工具以及零件的準備與管理，及時給電池充電，對比賽進行錄像分析，得知比賽對戰(zhàn)情況后要有專人與其他賽隊溝通交流。到達場地后要進行場地測試，看是否發(fā)生異常，能否執(zhí)行完所有的操作，如果存在問題需要根據(jù)實際情況現(xiàn)場調整。

教師要鼓勵學生，不管輸贏，每次比賽下來都應該根據(jù)比賽戰(zhàn)況分析存在的問題，及時在下一場作出相對應的調整，而不是垂頭喪氣或者自我否定。學生在面對評審進行答辯時，隊長進行總概括闡述，其他成員分別針對不同的點去描述，要留給團隊每個成員足夠的時間，挑選不同切入點去展示機器的特點和團隊特色。

VEX比賽的項目每年更新，不同的參賽成員圍繞同一個主題設計并搭建屬于自己的機器人，他們均來自不同學校、不同地區(qū)甚至不同國家。比賽不僅是賽隊之間的交流，更是機器人愛好者的盛宴，來自不同國家不同學校的教師們可以相互溝通，交流教學心得。學生在尋找聯(lián)隊時也可以加強交流，互相學習，項目和師生之間是相互聯(lián)系、相互促進的。

5.賽后教師及時總結

教師根據(jù)比賽情況和學生平時的表現(xiàn)進行客觀評價，不能過分注重比賽成績，要關注學生在這個過程中的成長與收獲，鼓勵學生在比賽中多交流學習，并要求學生在比賽結束后提交總結或感悟[10]。及時對學生的反思總結先進行分析再客觀評價，結合實際情況在后期的教學中進行改進，以求不斷地完善教學設計提升教學效果，把握好教師和學生的主輔地位，以實現(xiàn)對學生的個性化培養(yǎng)。

四、總結

機器人教學不同于平常的課堂教學，而VEX機器人更多的是在整個項目的進展過程中鍛煉學生的綜合能力。教師作為一個輔助者，通過不同的教學策略和方式，讓學生在準備比賽的過程中充分發(fā)揮自己特長和興趣愛好[11]，從而促進其在搭建和編程方面的動手實踐能力，培養(yǎng)學生的協(xié)作能力和時間觀念，使學生學會自主學習解決實際問題，并對未來的專業(yè)選擇和職業(yè)探索進行思考。通過基礎的搭建編程學習，培養(yǎng)學生的工程思維、物化能力以及計算思維和邏輯能力?；陧椖渴綄W習的VEX機器人教學讓學生在項目中跨學科學習應用所學知識，一定程度上有助于推進教育創(chuàng)新與教學的變革[12]?；陧椖渴降臋C器人教學因其靈活度較高，對教師的專業(yè)技能和統(tǒng)籌素養(yǎng)要求相對較高，未來的機器人教育發(fā)展任重而道遠，還需要不斷探索與實踐。

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（編輯：魯利瑞）