韓蕾 李婷婷 鐘柏昌

（南京師范大學(xué) 教育科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210097）

基于GOMS的趣味交互型機(jī)器人教學(xué)案例設(shè)計(jì)研究

韓蕾 李婷婷 鐘柏昌

（南京師范大學(xué) 教育科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210097）

機(jī)器人教育已經(jīng)成為當(dāng)今教育的熱點(diǎn)話題，越來(lái)越多的研究者傾向于關(guān)注機(jī)器人教育的現(xiàn)狀、意義、問(wèn)題及對(duì)策。而本研究則以設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)及應(yīng)用機(jī)器人教學(xué)案例為主，構(gòu)建價(jià)格低廉、開(kāi)源共享的Arduino機(jī)器人教學(xué)項(xiàng)目，并將GOMS模型引入趣味交互型機(jī)器人的教學(xué)案例設(shè)計(jì)及應(yīng)用中，為趣味交互型機(jī)器人教學(xué)提供一種可參考的思路和方法。

GOMS；趣味交互型機(jī)器人；教學(xué)案例設(shè)計(jì)

當(dāng)前中小學(xué)在開(kāi)展機(jī)器人教學(xué)時(shí)，其教學(xué)項(xiàng)目往往局限于小車避障、循跡、走直線等機(jī)器人學(xué)科本位的知識(shí)和技術(shù)，或是參考當(dāng)前流行的一些機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)目，抑或是參考機(jī)器人廠家提供的說(shuō)明書等。盡管這些機(jī)器人項(xiàng)目可以讓學(xué)生習(xí)得一定的機(jī)器人知識(shí)和技能，但是其相應(yīng)的教學(xué)項(xiàng)目并不利于學(xué)生創(chuàng)造力和問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)與形成。因此，需要在機(jī)器人教學(xué)過(guò)程中豐富教學(xué)項(xiàng)目的類型，從而設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)及應(yīng)用趣味交互型機(jī)器人的教學(xué)項(xiàng)目，使得機(jī)器人教學(xué)真正成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新力的陣地。

一、趣味交互型機(jī)器人教學(xué)的定義及特點(diǎn)

趣味交互型機(jī)器人教學(xué)是指以開(kāi)發(fā)有趣、好玩的機(jī)器人聯(lián)機(jī)交互系統(tǒng)為主要任務(wù)的教學(xué)。在該系統(tǒng)中存在三個(gè)要素：計(jì)算機(jī)、用戶、機(jī)器人，本研究中計(jì)算機(jī)層面使用的是S4A軟件，用戶是中學(xué)生，機(jī)器人使用的則是Arduino，圖1所示為S4A機(jī)器人核心模塊，[1]圖2所示為S4A機(jī)器人交互模式。

圖1 S4A機(jī)器人核心模塊

圖2 S4A機(jī)器人交互模式

趣味交互型機(jī)器人編程使用的是S4A軟件。S4A，全名“Scratch for Arduino”，是基于Scratch衍生的二次開(kāi)發(fā)軟件，由西班牙Citilab公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)完成。S4A具有原生的Scratch圖形化程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和功能，簡(jiǎn)單易懂，并且提供了對(duì)Arduino的支持?；赟4A平臺(tái)的趣味交互型機(jī)器人編程不僅門檻低，還能創(chuàng)作出功能強(qiáng)大的交互作品，非常適合于中小學(xué)生的編程學(xué)習(xí)。S4A分為編程端和機(jī)器人端，其中機(jī)器人端使用Arduino主控板作為控制器。開(kāi)源的Ar-duino硬件價(jià)格低廉，擴(kuò)展性好，且可選用的傳感器和執(zhí)行器類型豐富，而S4A軟件在媒體互動(dòng)方向也有較好的應(yīng)用。S4A+Arduino控制器可以支持多輸入輸出，能較好地應(yīng)用于機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐中。

目前S4A擁有一些活躍的國(guó)際性社區(qū)，大量有趣好玩的項(xiàng)目與系統(tǒng)都使用S4A來(lái)搭建。S4A將開(kāi)源硬件平臺(tái)Arduino與學(xué)習(xí)、實(shí)踐計(jì)算思維的工具Scratch結(jié)合在一起，使得于教學(xué)實(shí)踐中創(chuàng)作趣味交互型機(jī)器人成為現(xiàn)實(shí)。[2]因此在機(jī)器人教學(xué)過(guò)程中，以趣味交互型機(jī)器人作為教學(xué)項(xiàng)目，將相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)融合到機(jī)器人項(xiàng)目的制作過(guò)程中，不僅可以使學(xué)生習(xí)得機(jī)器人相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能，而且更能體會(huì)到以機(jī)器人為媒介進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)的樂(lè)趣。與傳統(tǒng)的機(jī)器人教學(xué)相比，趣味交互型機(jī)器人具有以下特點(diǎn)：

1.用戶與計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互。其交互的過(guò)程可以是用戶通過(guò)一定的操作影響機(jī)器人中傳感器的輸入值，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)現(xiàn)該值的變化時(shí)通過(guò)分析數(shù)值來(lái)給予用戶反饋。

2.機(jī)器人與計(jì)算機(jī)共同處理數(shù)據(jù)。在趣味交互型機(jī)器人項(xiàng)目中，除了傳感器，計(jì)算機(jī)同樣可以獲取傳感器輸入的值并對(duì)其進(jìn)行分析，并且計(jì)算機(jī)在分析數(shù)據(jù)后能給用戶更多可視化的反饋。

3.以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互為目標(biāo)組織機(jī)器人相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，這能夠很好地承載培養(yǎng)學(xué)生機(jī)器人開(kāi)發(fā)能力的任務(wù)。

4.趣味交互型機(jī)器人無(wú)法脫機(jī)運(yùn)行。

二、GOMS理論及其適用性

GOMS模型是一種認(rèn)知任務(wù)分析技術(shù)，旨在解決復(fù)雜問(wèn)題。對(duì)于可觀察的任務(wù)行為，GOMS模型可用于分析該行為的基礎(chǔ)，例如相關(guān)知識(shí)、思想過(guò)程和目標(biāo)結(jié)構(gòu)，幫助揭示更有效地處理復(fù)雜情境的認(rèn)知技能。[3]其中G指的是目標(biāo)（Goals），O指的是操作（Operations），M指的是方法（Methods），S指的是選擇規(guī)則（Selection Rules）。簡(jiǎn)單地說(shuō)，GOMS模型主要由描述這些完成具體目標(biāo)所需要的方法組成。方法是一系列用戶執(zhí)行的操作行為序列，一個(gè)方法包括多個(gè)子目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，因此方法是具有層次結(jié)構(gòu)的。如果實(shí)現(xiàn)一個(gè)目標(biāo)時(shí)有多個(gè)方法可供選擇，此時(shí)應(yīng)根據(jù)內(nèi)容使用選擇規(guī)則選擇恰當(dāng)?shù)姆椒āOMS分析，或者說(shuō)是建構(gòu)GOMS模型，就是在常規(guī)方式下，對(duì)系列任務(wù)的目標(biāo)、操作、方法和選擇規(guī)則進(jìn)行描述。[4]

GOMS模型被廣泛地應(yīng)用于人機(jī)互動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，是指導(dǎo)設(shè)計(jì)者進(jìn)行人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要理論。趣味交互型機(jī)器人的核心在于利用機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，以GOMS模型為設(shè)計(jì)原則，能夠優(yōu)化趣味交互型機(jī)器人作品的交互效果，形成一定的方法來(lái)幫助學(xué)生建構(gòu)設(shè)計(jì)、制作趣味交互型機(jī)器人的認(rèn)知體系。

GOMS模型中的四個(gè)步驟清晰、明確，與趣味交互型機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程相契合，適合用于指導(dǎo)趣味交互型機(jī)器人項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。大致過(guò)程如下：在設(shè)計(jì)趣味交互型機(jī)器人的初期，設(shè)計(jì)者設(shè)定該項(xiàng)目要達(dá)到的交互行為目標(biāo)，再由該目標(biāo)引申出欲達(dá)成目標(biāo)所要完成的子目標(biāo)。當(dāng)完成整個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)框架時(shí)，再思考經(jīng)過(guò)怎樣的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，進(jìn)行這種操作有哪些方法并對(duì)這些方法進(jìn)行選擇優(yōu)化，從而形成一條合理、清晰的趣味交互型機(jī)器人設(shè)計(jì)以及制作的脈絡(luò)。運(yùn)用GOMS理論的機(jī)器人開(kāi)發(fā)方法中的目標(biāo)是基于項(xiàng)目中的交互行為來(lái)描述的。在確定了交互行為目標(biāo)之后，確定要完成交互目標(biāo)的操作，并確立操作的方法及選擇規(guī)則。

三、基于GOMS的趣味交互型機(jī)器人開(kāi)發(fā)方法與策略

趣味交互型機(jī)器人開(kāi)發(fā)方法應(yīng)融合到教學(xué)過(guò)程之中，教學(xué)過(guò)程中將方法滲透到學(xué)生的認(rèn)知體系中，更加有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的遷移及應(yīng)用，進(jìn)而達(dá)到舉一反三的作用。美國(guó)密歇根大學(xué)的David Kieras（大衛(wèi)?凱爾羅斯）在研究中指出：不同于利用GOMS分析一個(gè)現(xiàn)存的或特有的設(shè)計(jì)，GOMS模型也可以用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)的過(guò)程。也就是說(shuō)，在設(shè)計(jì)之初列出用戶要達(dá)到的最高層目標(biāo)，然后為這些目標(biāo)定義相應(yīng)的方法，之后繼續(xù)制定子目標(biāo)及其相應(yīng)的方法，在考慮對(duì)用戶的直接影響下，制定者決定如何進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。[5]趣味交互型機(jī)器人作為一個(gè)特殊的人機(jī)交互系統(tǒng)，將GOMS模型引入其設(shè)計(jì)過(guò)程，可以指導(dǎo)學(xué)生更加規(guī)范地進(jìn)行趣味交互型機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作，創(chuàng)作出效果更好的作品。

GOMS模型指導(dǎo)下的以S4A為平臺(tái)開(kāi)發(fā)趣味交互型機(jī)器人的過(guò)程可描述為以下五個(gè)步驟：

1.描述項(xiàng)目功能。簡(jiǎn)述趣味交互型機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)的功能，并描述其中存在哪些互動(dòng)過(guò)程。

2.準(zhǔn)備器材。選取項(xiàng)目中所需要的Arduino相關(guān)器材。

3.添加角色，編寫腳本。在Scratch端根據(jù)項(xiàng)目功能建立情境并添加角色，編寫腳本來(lái)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目功能。

4.連接硬件。將Arduino控制板與計(jì)算機(jī)連接，并將Arduino的傳感器、控制器等與主板相連。

5.作品測(cè)試與完善。測(cè)試作品是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，在已完成的基礎(chǔ)上優(yōu)化、完善作品。

將GOMS模型運(yùn)用到趣味交互型機(jī)器人開(kāi)發(fā)方法的構(gòu)建過(guò)程中，首先解析該模型中的四部分在機(jī)器人開(kāi)發(fā)過(guò)程中的含義，如表1所示：

表1 GOMS模型中各要素及其描述

將GOMS模型融合到S4A的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，其中目標(biāo)可以解釋為項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)的交互行為；操作是要實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目功能而進(jìn)行的“準(zhǔn)備器材”“添加角色與編寫腳本”“連接硬件”“作品測(cè)試與完善”等步驟；方法是為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)而進(jìn)行的具體操作，如要實(shí)現(xiàn)腳本的編寫就需在Scratch端進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)并通過(guò)拖拽語(yǔ)句模塊來(lái)完成編寫；選擇規(guī)則是指有多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)，學(xué)生確定選用哪種方法的依據(jù)，如兩種語(yǔ)句均可實(shí)現(xiàn)編程目的，此時(shí)應(yīng)該按照易于理解、程序簡(jiǎn)潔高效的原則進(jìn)行選擇。GOMS模型在趣味交互型機(jī)器人開(kāi)發(fā)過(guò)程中的具體應(yīng)用可描述為如圖3所示。該框架運(yùn)用于學(xué)生開(kāi)發(fā)機(jī)器人的實(shí)際過(guò)程中，可將其演化為項(xiàng)目計(jì)劃表的形式作為學(xué)習(xí)支架來(lái)幫助學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)、制作趣味交互型機(jī)器人。

圖3 GOMS模型在趣味交互型機(jī)器人開(kāi)發(fā)過(guò)程中的具體描述

四、基于GOMS的趣味交互型機(jī)器人教學(xué)案例設(shè)計(jì)

（一）趣味交互型機(jī)器人教學(xué)方法的設(shè)計(jì)

趣味交互型機(jī)器人更加注重程序部分，而硬件在整個(gè)系統(tǒng)中則處于輔助地位。在趣味交互型機(jī)器人系統(tǒng)中，承擔(dān)程序編輯任務(wù)的為S4A，承擔(dān)硬件執(zhí)行任務(wù)的為Arduino機(jī)器人。其關(guān)鍵在于如何設(shè)計(jì)符合機(jī)器人教學(xué)環(huán)境下的項(xiàng)目，以及在教學(xué)開(kāi)展過(guò)程中如何發(fā)揮趣味交互型機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)。Irene Lee（艾琳?李）與Fred Martin（弗雷德?馬丁）等研究者在一系列由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金提供支持的項(xiàng)目中通過(guò)調(diào)查中學(xué)生的計(jì)算思維是如何形成的，從而提出了在計(jì)算思維中學(xué)生的認(rèn)知與實(shí)踐行為的三個(gè)階段：使用—修改—?jiǎng)?chuàng)造（Use-Modify-Create，本文中將此模式簡(jiǎn)稱為UMC）。[6]在本研究中將該模式應(yīng)用到趣味交互型機(jī)器人項(xiàng)目設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，并結(jié)合具體的機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐，在UMC三個(gè)階段的基礎(chǔ)上增加“Think”即思考的過(guò)程，將UMC模型構(gòu)建為UTMC模型，并在本研究中解釋為：玩一玩—想一想—改一改—?jiǎng)?chuàng)一創(chuàng)四個(gè)步驟。分別對(duì)學(xué)生、教師在上述四個(gè)步驟中的行為及其任務(wù)安排進(jìn)行描述。

1.學(xué)生的行為及任務(wù)

玩一玩：在教學(xué)開(kāi)始時(shí)首先為學(xué)生提供案例供學(xué)生學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生探索該機(jī)器人案例的結(jié)構(gòu)、功能及運(yùn)行方式等。用這種方法更能幫助學(xué)生進(jìn)行自主探索學(xué)習(xí)、了解項(xiàng)目功能及結(jié)構(gòu)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與獨(dú)立思考的能力。

想一想：在了解所要學(xué)習(xí)的機(jī)器人項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，思考完成該項(xiàng)目所需要的器材、基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能等。器材主要針對(duì)Arduino，而基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能則是在S4A與Arduino兩方面中都需要考慮的。學(xué)生在思考的過(guò)程中建立關(guān)于項(xiàng)目中各部分的功能是如何實(shí)現(xiàn)的假設(shè)，并進(jìn)一步了解整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的功能及運(yùn)行過(guò)程。

改一改：在所提供案例的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行修改，更加深入地了解趣味交互型機(jī)器人項(xiàng)目中各部分的關(guān)系，并在修改的過(guò)程中驗(yàn)證在“想一想”環(huán)節(jié)中形成的假設(shè)。

創(chuàng)一創(chuàng)：學(xué)生在掌握本項(xiàng)目的基本知識(shí)、基本技能及設(shè)計(jì)思想后，對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化或者在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)其他的作品，實(shí)現(xiàn)自己的想法。該部分是對(duì)學(xué)生能力的拓展與提升，能夠幫助學(xué)生形成良好的趣味交互型機(jī)器人開(kāi)發(fā)思想，使學(xué)生更有效率地進(jìn)行作品的創(chuàng)作。

2.教師的行為及任務(wù)

玩一玩：在本環(huán)節(jié)中教師為學(xué)生提供案例供學(xué)生探究學(xué)習(xí)，并組織學(xué)生回答自己的探究情況，就學(xué)生使用案例過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題給予解答。

想一想：將學(xué)生分組，并要求各組思考并討論要實(shí)現(xiàn)案例中的機(jī)器人系統(tǒng)需要的硬件、基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能等。幫助學(xué)生形成假設(shè)，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行更加深入的探究。

改一改：組織學(xué)生分組修改機(jī)器人系統(tǒng)中的可變部分，并要求學(xué)生記錄修改后的機(jī)器人的表現(xiàn)。

創(chuàng)一創(chuàng)：系統(tǒng)地解答學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，并對(duì)案例中核心知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的講解，強(qiáng)化學(xué)生的理解，為學(xué)生進(jìn)行獨(dú)自創(chuàng)作奠定基礎(chǔ)。給學(xué)生灌輸趣味交互型機(jī)器人的開(kāi)發(fā)方法，使學(xué)生形成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作思路。引導(dǎo)學(xué)生在本項(xiàng)目案例的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化并獨(dú)立設(shè)計(jì)、制作屬于自己的趣味交互型機(jī)器人，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)散思維，將自己的想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。教學(xué)設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié)及師生活動(dòng)框架如圖4所示。

（二）基于GOMS的趣味交互型機(jī)器人教學(xué)案例設(shè)計(jì)

在本研究中，趣味交互型機(jī)器人案例的設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：教學(xué)項(xiàng)目的適宜性及趣味性，教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)性與系統(tǒng)性，并兼具GOMS的指導(dǎo)性。

圖4 教學(xué)環(huán)節(jié)及師生活動(dòng)框架設(shè)計(jì)

首先，教學(xué)項(xiàng)目的選取應(yīng)該符合本研究對(duì)象（高中生）的特點(diǎn)，高中生希望在項(xiàng)目的學(xué)習(xí)及制作過(guò)程中獲得成就感，并期待對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行深層次的探究。若趣味交互型機(jī)器人案例中的互動(dòng)過(guò)程過(guò)于簡(jiǎn)單則會(huì)導(dǎo)致學(xué)生失去對(duì)教學(xué)項(xiàng)目的關(guān)注與興趣。而且在考慮到項(xiàng)目互動(dòng)過(guò)程復(fù)雜程度的同時(shí)也應(yīng)考慮到項(xiàng)目的趣味性，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人的動(dòng)機(jī)，并在學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)揮其主動(dòng)性。因此從項(xiàng)目的適宜性及趣味性出發(fā)，本研究選取了“智能游戲”“我是音樂(lè)家”等項(xiàng)目。

其次，教學(xué)內(nèi)容注重知識(shí)的基礎(chǔ)性與系統(tǒng)性，本研究以中國(guó)教育技術(shù)協(xié)會(huì)信息技術(shù)教育專業(yè)委員會(huì)編寫出版的《基礎(chǔ)教育信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2012版）》為指導(dǎo)來(lái)設(shè)置知識(shí)點(diǎn)。此標(biāo)準(zhǔn)中的機(jī)器人模塊包括“結(jié)構(gòu)與功能”“設(shè)計(jì)與制作”兩部分內(nèi)容，“結(jié)構(gòu)與功能”主要是機(jī)器人的基本概念、硬件和軟件等方面的知識(shí)，“設(shè)計(jì)與制作”主要是針對(duì)基本知識(shí)的綜合運(yùn)用能力。因此在項(xiàng)目的設(shè)置過(guò)程中，知識(shí)點(diǎn)由易到難呈螺旋式上升，但保證符合絕大多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)和探究能力。同時(shí)，項(xiàng)目互動(dòng)的復(fù)雜性也是由簡(jiǎn)到繁逐步遞增的，在課程開(kāi)始之初為學(xué)生提供簡(jiǎn)單的案例，如智能臺(tái)燈，用來(lái)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)S4A進(jìn)行初步的認(rèn)識(shí)與學(xué)習(xí)，隨著學(xué)習(xí)的深入增加知識(shí)點(diǎn)的難度與互動(dòng)的復(fù)雜度。按照這種邏輯來(lái)開(kāi)展機(jī)器人案例的開(kāi)發(fā)，保證案例項(xiàng)目的基礎(chǔ)性及系統(tǒng)性，從而幫助學(xué)生更好地進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的建構(gòu)。

最后，以GOMS理論為指導(dǎo)進(jìn)行案例具體的設(shè)計(jì)及制作。在確定了項(xiàng)目功能及呈現(xiàn)方式之后，以目標(biāo)—操作—方法—選擇規(guī)則的順序來(lái)進(jìn)行實(shí)際的案例開(kāi)發(fā)。并在教學(xué)過(guò)程中的“創(chuàng)一創(chuàng)”環(huán)節(jié)向?qū)W生講解基于GOMS的趣味交互型機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，用以指導(dǎo)學(xué)生從GOMS的角度去設(shè)計(jì)機(jī)器人作品。

五、基于GOMS的趣味交互型機(jī)器人教學(xué)案例設(shè)計(jì)應(yīng)用

這里以“我是音樂(lè)家”的教學(xué)為例，介紹基于GOMS的趣味交互型機(jī)器人教學(xué)案例設(shè)計(jì)應(yīng)用。

1.引入新課

經(jīng)過(guò)上節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生都對(duì)趣味交互型機(jī)器人的開(kāi)發(fā)過(guò)程有了一定的了解。再加上音樂(lè)是人們生活中必不可少的一個(gè)元素，筆者就利用S4A來(lái)模擬樂(lè)器，讓學(xué)生來(lái)當(dāng)一回音樂(lè)演奏家。

2．教授新課

（1）玩一玩

提供案例供學(xué)生探究，觀察學(xué)生行為，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在使用過(guò)程中的主要問(wèn)題。

（2）想一想

引導(dǎo)學(xué)生思考問(wèn)題：

問(wèn)題1：time值的變化對(duì)演奏音樂(lè)有何影響？

問(wèn)題2：如何觀測(cè)聲音傳感器輸入值的變化？

問(wèn)題3 ：條件語(yǔ)句的嵌套在程序中的作用是什么？

組織學(xué)生進(jìn)行小組合作，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行討論，并形成初步的假設(shè)。

（3）改一改

組織學(xué)生修改案例，來(lái)驗(yàn)證假設(shè)。對(duì)學(xué)生遇到的問(wèn)題給予解答，并就本課中的重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的講解。

解答問(wèn)題1：time值指的是兩個(gè)音符演奏之間的時(shí)間間隔，time值越大兩個(gè)音符之間的時(shí)間間隔越長(zhǎng)。

解答問(wèn)題2：打開(kāi)傳感器監(jiān)測(cè)面板，找到傳感器對(duì)應(yīng)的針腳號(hào)，觀察數(shù)值的變化。

解答問(wèn)題3：利用條件語(yǔ)句的嵌套將傳感器輸入值分為不同區(qū)間，根據(jù)數(shù)值的不同來(lái)演奏不同音調(diào)的音符。

（4）創(chuàng)一創(chuàng)

以本節(jié)課呈現(xiàn)的案例為例，分目標(biāo)、操作、方法、選擇規(guī)則四個(gè)部分講解基于GOMS的趣味交互型機(jī)器人開(kāi)發(fā)方法，如表2所示。

表2 基于GOMS的趣味交互型機(jī)器人開(kāi)發(fā)方法

引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行作品創(chuàng)作，可以在本案例基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展。拓展思路：一是舞臺(tái)中添加“舞蹈演員”的角色，當(dāng)音樂(lè)響起的時(shí)候跳舞，音樂(lè)停止的時(shí)候靜止。二是在A端安裝LED燈，不同音符對(duì)應(yīng)不同的LED燈，當(dāng)某一音符響起時(shí)其對(duì)應(yīng)的LED燈亮。三是在本節(jié)課學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新的項(xiàng)目，提供給學(xué)生項(xiàng)目計(jì)劃表，以小組為單位開(kāi)發(fā)機(jī)器人項(xiàng)目。

（5）作品評(píng)價(jià)

展示學(xué)生作品，請(qǐng)同學(xué)評(píng)價(jià)他組作品。對(duì)學(xué)生作品進(jìn)行積極的反饋。

3.課堂總結(jié)

引導(dǎo)學(xué)生對(duì)本節(jié)課案例進(jìn)行總結(jié)。

4.布置作業(yè)

（1）將自己的聲音錄入到S4A中，將其作為素材開(kāi)發(fā)一個(gè)機(jī)器人作品。

（2）觀察生活中的智能家居都有哪些?（也可在網(wǎng)上搜索相關(guān)資源）

六、小結(jié)

通過(guò)“我是音樂(lè)家”這一課的學(xué)習(xí)，同學(xué)們創(chuàng)作出了給他人驚喜的“Happy Birthday”“智能音樂(lè)盒”等作品。在教學(xué)過(guò)程中，提供給學(xué)生一套系統(tǒng)的可操作的機(jī)器人作品設(shè)計(jì)思路，并且以探究式的教學(xué)方法進(jìn)行傳授，從而幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)，創(chuàng)作出更具創(chuàng)新性的機(jī)器人作品。本研究著力于機(jī)器人教學(xué)的實(shí)踐過(guò)程，通過(guò)開(kāi)發(fā)趣味交互型機(jī)器人來(lái)豐富機(jī)器人教學(xué)項(xiàng)目類型，嘗試將機(jī)器人開(kāi)發(fā)方法融入到教學(xué)過(guò)程并探討其可行性，為機(jī)器人教學(xué)提供一種新的思路。

[1]龍麗嫦.“智造機(jī)器人”小學(xué)S4A個(gè)性化課程實(shí)驗(yàn)[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育,2014，(5)：22-24.

[2]俞中堅(jiān).旁觀者眼中的《S4A和互動(dòng)媒體技術(shù)》[J].中國(guó)信息技術(shù)教育,2014，(5)：8-9.

[3]陳剛,石晉陽(yáng).基于GOMS模型的科學(xué)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)認(rèn)知任務(wù)分析[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2013,23(4)：39-43.

[4]KIERAS D.GOMS Models for Task Analysis.The Handbook of Task Analysis for Human-computer Interaction[M].New Jersey：Lawrence Erlbaum Associates.2003： 83-116.

[5]JOHN B E,KIERAS D E.The GOMS Family of User Interface Analysis Techniques：Comparison and Contrast[J].ACM Transactions on Computer-Human Interaction (TOCHI)（S1073-0516）,1996,3(4)：320-351.

[6]LEE I ,MARTIN F,DENNER J,et al.Computational Thinking for Youth in Practice[J].Acm Inroads（S2153-2184）,2011,2(1)：32-37.

（責(zé)任編輯 杜丹丹）

Research on the Design of Fun and Interactive Robot Teaching Cases Based on GOMS

HAN Lei,LI Tingting,ZHONG Baichang
(School of Education Science,Nanjing Normal University,Nanjing,Jiangsu,China 210097)

Robot education has become a hot topic in nowadays education.An increasing number of researchers tend to focus on the current status,significance,problems and corresponding measures of robot education.This research mainly focuses on the design,development and applying robot teaching cases,constructs cheap,Open Source Arduino robot teaching program,and introduces GOMS model into the design and application of fun and interactive robot teaching cases,providing a thought and method for fun and interactive robot teaching as a reference.

GOMS;fun and interactive robot;teaching cases design

G434

A

2096-0069（2016）06-0061-06

2016-07-03

韓蕾（1990— ），女，河北滄州人，南京師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)樾畔⒓夹g(shù)教育；李婷婷（1992— ），女，四川達(dá)州人，南京師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)樾畔⒓夹g(shù)教育；鐘柏昌（1978— ），男，江西宜豐人，南京師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院教授，博士，研究方向?yàn)樾畔⒓夹g(shù)教育、教育技術(shù)基礎(chǔ)理論問(wèn)題。