基于設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)的機(jī)器人競(jìng)賽教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

羅倩茹 秦健 劉全銘

摘 要：設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)通過(guò)分析、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和實(shí)施的反復(fù)循環(huán)來(lái)改進(jìn)教育實(shí)踐，其理念與機(jī)器人競(jìng)賽的備賽過(guò)程一致，因此，可采用DBL的理念開(kāi)展機(jī)器人競(jìng)賽的教學(xué)過(guò)程。本文主要針對(duì)機(jī)器人競(jìng)賽的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，在深入了解眾多中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)方式的基礎(chǔ)上，查閱了國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，并結(jié)合筆者連續(xù)兩年深入中小學(xué)指導(dǎo)學(xué)生參加FLL工程挑戰(zhàn)賽的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不斷改進(jìn)教學(xué)策略，以期為一線教師機(jī)器人競(jìng)賽教學(xué)的開(kāi)展提供參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人競(jìng)賽;教學(xué)設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí);FLL工程挑戰(zhàn)賽

中圖分類(lèi)號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-0069（2020）01-0072-04

引言

2017 年，國(guó)務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》， 要求我國(guó)中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育。機(jī)器人課程作為人工智能教育的入門(mén)課程，受到大家的廣泛關(guān)注。這為從小學(xué)開(kāi)始開(kāi)設(shè)機(jī)器人課程，落實(shí)STEAM教育理念中的跨學(xué)科教育和科學(xué)素養(yǎng)提供了最佳入口，由此，機(jī)器人教育再度成為教育熱點(diǎn)[1]。

一、小學(xué)機(jī)器人競(jìng)賽現(xiàn)狀

隨著機(jī)器人教育的不斷發(fā)展，機(jī)器人競(jìng)賽的項(xiàng)目也不斷增多。機(jī)器人競(jìng)賽能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)工程技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、動(dòng)手實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)精神，提高科學(xué)素質(zhì)，養(yǎng)成面對(duì)真實(shí)問(wèn)題的解決思路與方案。所以大多數(shù)開(kāi)設(shè)機(jī)器人課程的中小學(xué)都會(huì)組織學(xué)校參加機(jī)器人相關(guān)比賽。然而在以機(jī)器人競(jìng)賽為主題的教學(xué)過(guò)程中存在機(jī)器人教學(xué)方法更新不到位，“以賽促學(xué)”的模式?jīng)]有得到合理的應(yīng)用等問(wèn)題[2]。那么在機(jī)器人競(jìng)賽的教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)該采用什么樣的教學(xué)模式，如何充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主探究性成為我們關(guān)注的焦點(diǎn)。

二、以機(jī)器人競(jìng)賽為主題的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

（一）教學(xué)目標(biāo)

學(xué)生能夠應(yīng)用自己已有的搭建、編程等基礎(chǔ)知識(shí)，完成FLL工程挑戰(zhàn)賽中的任務(wù)，以賽促學(xué)，在完成任務(wù)的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、動(dòng)手實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)精神。

（二）學(xué)習(xí)者特征分析

S小學(xué)機(jī)器人社團(tuán)的學(xué)生都處于四、五年級(jí)，并且在校內(nèi)社團(tuán)中已經(jīng)進(jìn)行過(guò)為期一年的學(xué)習(xí)，對(duì)機(jī)器人的搭建、編程等基礎(chǔ)知識(shí)有了一定的掌握。隨著一年的學(xué)習(xí)，學(xué)生的興趣、偏好都發(fā)生了很大的變化，總的來(lái)說(shuō)，分為兩大類(lèi)，第一類(lèi)的學(xué)生喜歡搭建，第二類(lèi)的學(xué)生喜歡編程。綜合學(xué)生的興趣、協(xié)作配合的能力對(duì)學(xué)生進(jìn)行了分組。

（三）教學(xué)內(nèi)容

2019年FLL工程挑戰(zhàn)賽“太空之旅”，共包含15個(gè)任務(wù)，部分任務(wù)中含有三個(gè)小任務(wù)，每個(gè)任務(wù)中都有特定的規(guī)則、得分方式。以任務(wù)M01啟動(dòng)太空旅行為例，該任務(wù)中共包含三個(gè)小任務(wù)：讓車(chē)輛載荷滑下太空之旅軌道（22分）;讓補(bǔ)給載荷滑下太空之旅軌道（14分）;讓成員載荷滑下太空之旅軌道（10分）。初始狀態(tài)：第一個(gè)載荷是預(yù)先放置好的，機(jī)器人需要把另外兩個(gè)載荷裝到基座上。得分要求啟動(dòng)每一個(gè)有效載荷，使之明顯地從太空之旅坡道向下滑動(dòng)，對(duì)于每一次滑動(dòng)，在到達(dá)第一個(gè)軌道連接處時(shí)，小車(chē)必須是獨(dú)立行進(jìn)的。本節(jié)課選取任務(wù)M01中的第一個(gè)任務(wù)為教學(xué)內(nèi)容。

（四）教學(xué)重難點(diǎn)

設(shè)計(jì)型教學(xué)模式精確應(yīng)用，師生角色的準(zhǔn)確定位，把握什么時(shí)候應(yīng)該讓學(xué)生自己動(dòng)手做，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力，什么時(shí)候教師應(yīng)該進(jìn)行干預(yù)，引導(dǎo)學(xué)生不要偏離主題，并輔助學(xué)生解決問(wèn)題。

（五）教學(xué)策略

采用設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)的教育理念，以機(jī)器人競(jìng)賽的特定任務(wù)為項(xiàng)目，以學(xué)生的自主探究和協(xié)作學(xué)習(xí)的方式為主導(dǎo)，教師作為整個(gè)教學(xué)過(guò)程中的組織者和引導(dǎo)者，幫助學(xué)生定好學(xué)習(xí)過(guò)程的整體步調(diào)并輔助學(xué)生解決問(wèn)題。學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主動(dòng)探究者，通過(guò)協(xié)作探究、設(shè)計(jì)方案、動(dòng)手實(shí)踐、任務(wù)展示、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、總結(jié)凝練、方案迭代形成一個(gè)不斷設(shè)計(jì)與再設(shè)計(jì)的循環(huán)，教師通過(guò)分組協(xié)作、答疑解惑、跟蹤引導(dǎo)和評(píng)價(jià)反饋等方式組織教學(xué)。

（六）教學(xué)過(guò)程與實(shí)踐

1.解讀規(guī)則，制定方案

教師解讀規(guī)則：在啟動(dòng)太空旅行的項(xiàng)目中，共有三個(gè)小任務(wù)，其中車(chē)輛載荷任務(wù)最簡(jiǎn)單，得分最高。車(chē)輛載荷是預(yù)先放置到軌道上方，機(jī)器人需要將基座抬起，讓車(chē)輛載荷滑入太空之旅軌道，并且在到達(dá)第一個(gè)軌道連接處時(shí)，小車(chē)必須獨(dú)立行進(jìn)，可以采用機(jī)械臂將基座抬起的方法完成這個(gè)任務(wù)。

學(xué)生討論，制定方案：

A組學(xué)生：可以用一個(gè)有135度傾角的梁，然后用一個(gè)中型電機(jī)，起始位置往下一些，等小車(chē)走到基座那里后，讓中型電機(jī)抬起那個(gè)梁就可以了。

B組學(xué)生：如果是有傾角的梁那是不是就可以不用中型電機(jī)了，小車(chē)可以多往前走一些，基座會(huì)隨著傾角的增高，就可以直接把基座抬起。

2.機(jī)型設(shè)計(jì)，搭建機(jī)器

教師：引導(dǎo)學(xué)生，幫助學(xué)生解決搭建過(guò)程中遇到的基礎(chǔ)性問(wèn)題，引導(dǎo)組內(nèi)學(xué)生之間進(jìn)行合理的分工與協(xié)作。搭建時(shí)需要去場(chǎng)地上測(cè)試，手動(dòng)測(cè)試一下能否完成這個(gè)任務(wù)，如果不能，應(yīng)該怎么修改結(jié)構(gòu)，才能讓機(jī)器更好地完成任務(wù)。

學(xué)生：搭建基礎(chǔ)小車(chē)，在基礎(chǔ)小車(chē)的基礎(chǔ)上增加中型電機(jī)，完成任務(wù)一的機(jī)械臂。

3.程序設(shè)計(jì)，編寫(xiě)程序

教師：告訴學(xué)生主要的步驟。第一，設(shè)計(jì)程序的路線。第二，測(cè)量機(jī)器從初始狀態(tài)到終止?fàn)顟B(tài)的距離，由于場(chǎng)地圖紙是恒定的，場(chǎng)地上的任務(wù)模型的位置也是恒定的，小車(chē)必須從基地出發(fā)，當(dāng)小車(chē)在基地的初始位置確定好后，基地距離任務(wù)模型的距離也就確定了。首先要進(jìn)行的是對(duì)初始位置到終止位置距離的測(cè)量，測(cè)量方法有兩種，第一種是使用主控直接測(cè)量，第二種是使用電腦輔助的方式間接測(cè)量。在測(cè)量時(shí)，讓小車(chē)從基地的初始位置出發(fā)，按照設(shè)計(jì)的路線從起始狀態(tài)到終止?fàn)顟B(tài)全部模擬一遍，記錄所有電機(jī)以及傳感器的變化。第三，利用測(cè)量的值初步編寫(xiě)程序。第四，調(diào)試程序，通過(guò)測(cè)試機(jī)器在場(chǎng)地中真實(shí)運(yùn)行的情況，將程序中的值調(diào)試準(zhǔn)確。

學(xué)生：采用老師教授的方法，在測(cè)值、編程、調(diào)試這幾個(gè)環(huán)節(jié)中組內(nèi)成員明確分工，相互配合，完成程序的編寫(xiě)與調(diào)試;在測(cè)值時(shí)，一個(gè)成員負(fù)責(zé)測(cè)試，一個(gè)成員負(fù)責(zé)記錄;在編程時(shí)一個(gè)成員負(fù)責(zé)編程，一個(gè)成員負(fù)責(zé)查找記錄的數(shù)值并且核對(duì)編寫(xiě)的程序;在調(diào)試時(shí)，一個(gè)成員在基地負(fù)責(zé)擺位，保證每次出發(fā)的起點(diǎn)不變，一個(gè)成員負(fù)責(zé)在機(jī)器完成任務(wù)的位置觀察機(jī)器在完成任務(wù)時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題。

4.調(diào)試機(jī)器，修改方案

教師：在調(diào)試機(jī)器時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)很多問(wèn)題，很多的問(wèn)題只需要修改一個(gè)小結(jié)構(gòu)就能夠解決，但是如果用程序去解決，就需要付出雙倍的工作量，因此，在調(diào)試機(jī)器的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了什么問(wèn)題先引導(dǎo)學(xué)生想一想能否通過(guò)修改結(jié)構(gòu)去解決，如果結(jié)構(gòu)無(wú)法解決，那么程序上哪里出現(xiàn)了問(wèn)題，應(yīng)該如何去修改。每次引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)在調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，并提供一些可參考的解決方案。

學(xué)生：根據(jù)調(diào)試觀察到的問(wèn)題，小組討論解決辦法，解決方案可以有很多種，但是主要就是兩大類(lèi)，一類(lèi)是結(jié)構(gòu)問(wèn)題，一類(lèi)是程序問(wèn)題，結(jié)構(gòu)沒(méi)有最好的結(jié)構(gòu)，只有更優(yōu)的結(jié)構(gòu)，同樣程序也沒(méi)有最好的程序，只有更優(yōu)的程序。盡可能多地想出所有的解決方案。

教師：根據(jù)學(xué)生想到的解決方案，帶領(lǐng)學(xué)生一起分析每種解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生盡可能多地嘗試多種解決方案，分析時(shí)需要告訴學(xué)生哪種方案比較費(fèi)時(shí)間，哪種方案執(zhí)行起來(lái)難度較大，哪種方案是比較適合他們的解決方法。但是教師的這些分析只是建議，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)解決問(wèn)題的思維，只是自己進(jìn)行的一個(gè)預(yù)先的評(píng)估，會(huì)有主觀因素加進(jìn)去，在條件允許的范圍之內(nèi)盡可能鼓勵(lì)學(xué)生多嘗試，自己找最優(yōu)的解決方案。

以第一組為例，在原方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了二次修改。第一次測(cè)試存在問(wèn)題：機(jī)械臂的梁容易摩擦到地面，修改方案：將原有機(jī)械臂的傾角由朝下改為朝上。第二次修改方案：在完成車(chē)輛載荷任務(wù)同時(shí)完成補(bǔ)給載荷，這樣可以節(jié)省大量時(shí)間。

5.小組匯報(bào)，展示成果

各小組成員之間進(jìn)行匯報(bào)展示，每個(gè)小組從機(jī)器的設(shè)計(jì)、程序的編寫(xiě)、組內(nèi)的分工、自己方案的優(yōu)勢(shì)等方面進(jìn)行匯報(bào)展示，并且用機(jī)器在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行演示。各個(gè)小組在聽(tīng)取其他小組匯報(bào)的同時(shí)，反思自己的方案存在哪些問(wèn)題，可以從其他小組學(xué)習(xí)到什么，其他小組是否存在問(wèn)題，你是否能給他們小組更好的修改建議。

（七）教學(xué)反思

教師在指導(dǎo)學(xué)生備賽過(guò)程中，首先需要進(jìn)行整體規(guī)劃布局，即解讀規(guī)則、制定策略，告訴學(xué)生哪個(gè)任務(wù)優(yōu)先做，哪個(gè)任務(wù)最后做;其次，引導(dǎo)學(xué)生完成某個(gè)具體的任務(wù)：學(xué)生在完成某一個(gè)具體的任務(wù)時(shí)會(huì)遇到很多問(wèn)題，問(wèn)題最多的是不會(huì)調(diào)試，搭完一個(gè)東西后就不會(huì)再去改，教師要在這個(gè)過(guò)程中教會(huì)學(xué)生去調(diào)試程序，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，給他們一些解決問(wèn)題的建議，當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，可能會(huì)想出比你的想法更好的解決問(wèn)題的方案;最后也是最重要的一點(diǎn)是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)思考，學(xué)生在做的過(guò)程中會(huì)有很多想法，有的是關(guān)于策略的，有的是關(guān)于任務(wù)完成方案的，你需要及時(shí)告訴他這個(gè)想法可行不可行，可行的鼓勵(lì)支持并給他建議，不可行的首先告訴他他的想法會(huì)存在什么問(wèn)題，引導(dǎo)他進(jìn)行思考，并給他一個(gè)更好的方案讓他參考，引導(dǎo)他分析這兩個(gè)方案各有什么優(yōu)缺點(diǎn)，并鼓勵(lì)他思考一個(gè)更完善的方案。

三、基于DBL的機(jī)器人競(jìng)賽教學(xué)過(guò)程的建議

（一）貫穿DBL教育理念

機(jī)器人競(jìng)賽的備賽過(guò)程與DBL的理念一致，教師可以在機(jī)器人競(jìng)賽的教學(xué)過(guò)程中貫穿DBL的教育理念，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生在面對(duì)真實(shí)問(wèn)題時(shí)的問(wèn)題解決能力。

（二）鼓勵(lì)學(xué)生大膽創(chuàng)新

學(xué)生的想法和創(chuàng)新能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)教師，教師需要鼓勵(lì)學(xué)生大膽去嘗試，不要扼殺學(xué)生的想法，并引導(dǎo)他們一步步將創(chuàng)意變?yōu)榭吹靡?jiàn)摸得著的實(shí)物。

（三）不要代替學(xué)生完成比賽任務(wù)

競(jìng)賽不僅僅是為了取得成績(jī)，更重要的是備賽過(guò)程中學(xué)生的成長(zhǎng)和收獲。在備賽時(shí)，教師盡量不要代替學(xué)生去完成比賽任務(wù)，可以采用引導(dǎo)的方式，在關(guān)鍵問(wèn)題上給予學(xué)生點(diǎn)撥，讓學(xué)生嘗試自己解決問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]王學(xué)男，林眾，朱慧.基于科學(xué)素養(yǎng)的機(jī)器人教育與人才培養(yǎng)：訪清華大學(xué)人工智能研究院院長(zhǎng)張鈸院士[J].中國(guó)電化教育，2019（6）：1-5+36.

[2]盧曉琦，秦健.基于STEAM理念的小學(xué)機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐：以LEGO機(jī)器人“駕考寶典”項(xiàng)目為例[J].中小學(xué)電教，2018（Z2）：76-79.

The Teaching Design and Practice of Robot Competition Based on Design-type Learning

—Taking“Journey into Space”in 2019 FLL Engineering

Challenge as an Example

LUO Qianru1，QIN Jian1，LIU Quanming2

（1.College of Education，Shaanxi Normal University，Xian，Shaanxi，China 710062;

2.The High School Affiliated to Xian Jiaotong University，Xian，Shaanxi，China 710048）

Abstract： Design-type learning emphasizes repetitive circulating to improve education practice through analysis，design，development and implementation，the idea of which coordinates with the preparing of robot competition.So，the idea of DBL can be adopted to apply to the teaching process of robot competition.Aiming at the classroom teaching design of robot competition，this writer，on the basis of a deep understanding of many robot teaching methods in primary and secondary schools，has looked up related literature at home and abroad，combining two yearspractical experiences of directing primary and secondary students to participate FLL Engineering Challenge，and improved teaching strategies constantly，hoping to provide reference to the carrying out of robot competition teaching of frontline teachers.

Key words： robot competition;teaching design;design-type learning;FLL Engineering Challenge