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(jìn)，機(jī)器人教育逐漸被各界重視。我國高中的通用技術(shù)新課標(biāo)中也明確將“機(jī)器人設(shè)計與制作”模塊列入選擇性必修中，旨在激發(fā)學(xué)生STEM方向的學(xué)習(xí)興趣，通過機(jī)器人教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的工程思維、創(chuàng)新設(shè)計、圖樣表達(dá)、物化能力等核心素養(yǎng)。目前我國的機(jī)器人教育多以競賽為依托，通過社團(tuán)課或興趣班的形式開展，尚沒有系統(tǒng)的授課內(nèi)容和方式，存在諸多問題。作者結(jié)合一線機(jī)器人教師多年來的教學(xué)經(jīng)驗以及自身的參賽經(jīng)歷，以VEX機(jī)器人為例，探究了基于項目學(xué)習(xí)的VEX機(jī)器人教學(xué)模式，為機(jī)器人教學(xué)在中小學(xué)的開展提供了參考。

關(guān)鍵詞：人工智能;項目式學(xué)習(xí);STEAM教育;機(jī)器人教學(xué);VEX機(jī)器人

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

一、研究背景

1.機(jī)器人教育

機(jī)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(jī)器人學(xué)習(xí)外，還利用機(jī)器人服務(wù)于課堂教學(xué)等，在各個階段都有涉及[1]。機(jī)器人教育的研究最開始源自大學(xué)開設(shè)機(jī)器人課程，后期陸續(xù)在中小學(xué)展開了機(jī)器人教學(xué)實踐活動。

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

2.VEX機(jī)器人競賽

VEX機(jī)器人競賽是由美國機(jī)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(jī)器人比賽”。

VEX工程挑戰(zhàn)賽也是我國科學(xué)技術(shù)協(xié)會主辦的青少年機(jī)器人競賽項目之一， 旨在為青少年機(jī)器人愛好者提供一個跨學(xué)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(xué)生的臨場應(yīng)對能力。通過自己設(shè)計搭建的機(jī)器人在場上獲取得分物，不僅要主動獲取分?jǐn)?shù)，還要考慮使用策略防守對方。VEX機(jī)器人相比其他機(jī)器人項目與工程、科學(xué)等領(lǐng)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(jī)器人項目更具吸引力，在整個比賽過程中青少年的團(tuán)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(jī)器人教育的意義

有研究者認(rèn)為，機(jī)器人教育能夠?qū)ⅰ癊ngineering”帶進(jìn)基礎(chǔ)教育中，培養(yǎng)學(xué)生的 STEM素養(yǎng)和綜合能力[4]。

1.提升學(xué)生的工程思維和計算思維

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

2.打破傳統(tǒng)的大班教學(xué)模式，有助于個性化教學(xué)

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

3.推進(jìn)人工智能教育與STEAM教育的發(fā)展

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

4.符合國家培養(yǎng)目標(biāo)，提升學(xué)生核心素養(yǎng)和綜合能力

21世紀(jì)對人才的要求更加全面綜合，我國普通高中的培養(yǎng)目標(biāo)重點在于提升學(xué)生的各方面素質(zhì)，發(fā)展核心素養(yǎng)，使其具有終身學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊協(xié)作能力和自我認(rèn)知能力[7]。VEX機(jī)器人教學(xué)常采取項目式教學(xué)加輔助案例的形式，學(xué)生進(jìn)行小組討論，針對項目要求進(jìn)行方案設(shè)計、頭腦風(fēng)暴、策略選擇、角色分工，相互配合，可以一定程度上提升學(xué)生的綜合能力。

三、基于項目式學(xué)習(xí)的VEX機(jī)器人教學(xué)模式探究

項目式學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)生融入項目中，親自參與到活動中，通過對知識的建構(gòu)解決現(xiàn)實中的問題[3]。而VEX機(jī)器人比賽正是一個典型的項目式學(xué)習(xí)的案例，它的工程挑戰(zhàn)項目每年都會更新，學(xué)生拿到新賽季主題后，對其展開小組討論，進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，自主制定方案與策略，設(shè)計并搭建，利用編程使機(jī)器人實現(xiàn)特定功能，完成相應(yīng)的任務(wù)。教師可通過一個完整的項目進(jìn)行教學(xué)活動，是將理論知識和實踐操作相互結(jié)合并應(yīng)用于教學(xué)的重要體現(xiàn)。

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

本文將以2018-2019年VEX-EDR中學(xué)組比賽為例進(jìn)行說明，本賽季的主題為“攻城易幟”，該項目要求學(xué)生自主設(shè)計并搭建機(jī)器人，在場上完成相應(yīng)的任務(wù)，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(xué)生利用程序控制機(jī)器人，使機(jī)器人可以通過程序自動完成任務(wù)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(xué)生利用寫好的手控程序使用遙控器操控機(jī)器人得分。雙方在有限的時間通過完成任務(wù)獲取分?jǐn)?shù)，最終分?jǐn)?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(shè)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(shè)計獎、評審獎、巧思獎等，評價指標(biāo)包含比賽戰(zhàn)況、答辯表現(xiàn)、工程筆記、團(tuán)隊協(xié)作、機(jī)器性能和結(jié)構(gòu)等。

VEX機(jī)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(zhuǎn)課堂進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生通過在各大網(wǎng)站上搜集往屆的賽事視頻，對常見的機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)和賽事規(guī)則進(jìn)行基本了解[8]。在課堂上教師需要進(jìn)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(chǔ)等。

1.教師進(jìn)行理論教學(xué)，學(xué)生模擬練習(xí)

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

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

2.采用軟硬件配對模式，進(jìn)行異質(zhì)分組

一般的機(jī)器人學(xué)習(xí)為小組協(xié)作學(xué)習(xí)模式，而常見的合作模式有駕導(dǎo)配對模式、軟硬件配對模式。相關(guān)研究表明，軟硬配對學(xué)習(xí)模式在機(jī)器人教學(xué)中應(yīng)用效果較好，學(xué)生可以更好地發(fā)揮自我能動性[9]。在前期的基礎(chǔ)知識教學(xué)過程中，教師需要記錄好課堂案例，以便及時總結(jié)，可以結(jié)合學(xué)生意愿和特長進(jìn)行分組，可組間同質(zhì)、組內(nèi)異質(zhì)。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(yùn)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(jī)器，后期搭建手可以配合進(jìn)行測試或比賽練習(xí)，整個過程非?？简瀸W(xué)生的團(tuán)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(qiáng)，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(dá)決定告知操控手應(yīng)該執(zhí)行哪個操作，以求獲得較高分?jǐn)?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(dāng)組內(nèi)進(jìn)展出現(xiàn)問題時及時組織討論。教師主要負(fù)責(zé)統(tǒng)籌整個時間點，把控每個隊伍的進(jìn)度，包括搭建、編程、練習(xí)、工程日志進(jìn)度等，團(tuán)隊所有成員要根據(jù)項目的實際進(jìn)展情況及時作出調(diào)整。

3.解讀規(guī)則，制定計劃和策略

當(dāng)新賽季主題和規(guī)則公布后，教師帶領(lǐng)學(xué)生一起解讀規(guī)則，學(xué)生以小組為單位進(jìn)行頭腦風(fēng)暴、設(shè)計機(jī)器人結(jié)構(gòu)、確定比賽的策略，最終決定機(jī)器人要采用什么結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)怎么樣的功能，并給出設(shè)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(wù)，可以通過不同的結(jié)構(gòu)裝置完成，常見的有彈射結(jié)構(gòu)、拋射結(jié)構(gòu)、飛輪結(jié)構(gòu)等，不同的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)難易程度和效率均不同，需要學(xué)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(jìn)度。關(guān)于創(chuàng)意結(jié)構(gòu)的搭建和組裝是學(xué)生在面臨新賽季項目時需解決的最大難題，這需要學(xué)生在了解了大量的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上實現(xiàn)再創(chuàng)造。

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

每一個思路和設(shè)計的更新迭代都是項目進(jìn)展的重要體現(xiàn)，學(xué)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(yīng)學(xué)生的工程行為和機(jī)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(biāo)，可根據(jù)實際情況由專門人員負(fù)責(zé)填寫記錄。

4.比賽時學(xué)生為主，教師為輔

教師主要負(fù)責(zé)學(xué)生安全達(dá)到比賽場地，觀察學(xué)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(guān)系如圖3所示。

各小組成員提前分配好每個人的任務(wù)，包括備用工具以及零件的準(zhǔn)備與管理，及時給電池充電，對比賽進(jìn)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(dá)場地后要進(jìn)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(diào)整。

教師要鼓勵學(xué)生，不管輸贏，每次比賽下來都應(yīng)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(yīng)的調(diào)整，而不是垂頭喪氣或者自我否定。學(xué)生在面對評審進(jìn)行答辯時，隊長進(jìn)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(tuán)隊每個成員足夠的時間，挑選不同切入點去展示機(jī)器的特點和團(tuán)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(shè)計并搭建屬于自己的機(jī)器人，他們均來自不同學(xué)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(jī)器人愛好者的盛宴，來自不同國家不同學(xué)校的教師們可以相互溝通，交流教學(xué)心得。學(xué)生在尋找聯(lián)隊時也可以加強(qiáng)交流，互相學(xué)習(xí)，項目和師生之間是相互聯(lián)系、相互促進(jìn)的。

5.賽后教師及時總結(jié)

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

四、總結(jié)

機(jī)器人教學(xué)不同于平常的課堂教學(xué)，而VEX機(jī)器人更多的是在整個項目的進(jìn)展過程中鍛煉學(xué)生的綜合能力。教師作為一個輔助者，通過不同的教學(xué)策略和方式，讓學(xué)生在準(zhǔn)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(jìn)其在搭建和編程方面的動手實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作能力和時間觀念，使學(xué)生學(xué)會自主學(xué)習(xí)解決實際問題，并對未來的專業(yè)選擇和職業(yè)探索進(jìn)行思考。通過基礎(chǔ)的搭建編程學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)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(xué)習(xí)的VEX機(jī)器人教學(xué)讓學(xué)生在項目中跨學(xué)科學(xué)習(xí)應(yīng)用所學(xué)知識，一定程度上有助于推進(jìn)教育創(chuàng)新與教學(xué)的變革[12]?；陧椖渴降臋C(jī)器人教學(xué)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(jī)器人教育發(fā)展任重而道遠(yuǎn)，還需要不斷探索與實踐。

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（編輯：魯利瑞）