羅倩茹 秦健 劉全銘

摘 要：設計型學習強調(diào)通過分析、設計、開發(fā)和實施的反復循環(huán)來改進教育實踐，其理念與機器人競賽的備賽過程一致，因此，可采用DBL的理念開展機器人競賽的教學過程。本文主要針對機器人競賽的課堂教學設計，在深入了解眾多中小學機器人教學方式的基礎上，查閱了國內(nèi)外相關文獻，并結合筆者連續(xù)兩年深入中小學指導學生參加FLL工程挑戰(zhàn)賽的實踐經(jīng)驗，不斷改進教學策略，以期為一線教師機器人競賽教學的開展提供參考。

關鍵詞：機器人競賽;教學設計;設計型學習;FLL工程挑戰(zhàn)賽

中圖分類號：G4 文獻標志碼：A 文章編號：2096-0069（2020）01-0072-04

引言

2017 年，國務院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》， 要求我國中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育。機器人課程作為人工智能教育的入門課程，受到大家的廣泛關注。這為從小學開始開設機器人課程，落實STEAM教育理念中的跨學科教育和科學素養(yǎng)提供了最佳入口，由此，機器人教育再度成為教育熱點[1]。

一、小學機器人競賽現(xiàn)狀

隨著機器人教育的不斷發(fā)展，機器人競賽的項目也不斷增多。機器人競賽能夠激發(fā)學生對工程技術的學習興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、動手實踐能力和團隊精神，提高科學素質(zhì)，養(yǎng)成面對真實問題的解決思路與方案。所以大多數(shù)開設機器人課程的中小學都會組織學校參加機器人相關比賽。然而在以機器人競賽為主題的教學過程中存在機器人教學方法更新不到位，“以賽促學”的模式?jīng)]有得到合理的應用等問題[2]。那么在機器人競賽的教學過程中，教師應該采用什么樣的教學模式，如何充分調(diào)動學生的自主探究性成為我們關注的焦點。

二、以機器人競賽為主題的教學設計與實踐

（一）教學目標

學生能夠應用自己已有的搭建、編程等基礎知識，完成FLL工程挑戰(zhàn)賽中的任務，以賽促學，在完成任務的過程中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、動手實踐能力和團隊精神。

（二）學習者特征分析

S小學機器人社團的學生都處于四、五年級，并且在校內(nèi)社團中已經(jīng)進行過為期一年的學習，對機器人的搭建、編程等基礎知識有了一定的掌握。隨著一年的學習，學生的興趣、偏好都發(fā)生了很大的變化，總的來說，分為兩大類，第一類的學生喜歡搭建，第二類的學生喜歡編程。綜合學生的興趣、協(xié)作配合的能力對學生進行了分組。

（三）教學內(nèi)容

2019年FLL工程挑戰(zhàn)賽“太空之旅”，共包含15個任務，部分任務中含有三個小任務，每個任務中都有特定的規(guī)則、得分方式。以任務M01啟動太空旅行為例，該任務中共包含三個小任務：讓車輛載荷滑下太空之旅軌道（22分）;讓補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)：第一個載荷是預先放置好的，機器人需要把另外兩個載荷裝到基座上。得分要求啟動每一個有效載荷，使之明顯地從太空之旅坡道向下滑動，對于每一次滑動，在到達第一個軌道連接處時，小車必須是獨立行進的。本節(jié)課選取任務M01中的第一個任務為教學內(nèi)容。

（四）教學重難點

設計型教學模式精確應用，師生角色的準確定位，把握什么時候應該讓學生自己動手做，發(fā)揮學生的創(chuàng)造力，什么時候教師應該進行干預，引導學生不要偏離主題，并輔助學生解決問題。

（五）教學策略

采用設計型學習的教育理念，以機器人競賽的特定任務為項目，以學生的自主探究和協(xié)作學習的方式為主導，教師作為整個教學過程中的組織者和引導者，幫助學生定好學習過程的整體步調(diào)并輔助學生解決問題。學生作為學習的主動探究者，通過協(xié)作探究、設計方案、動手實踐、任務展示、發(fā)現(xiàn)問題、總結凝練、方案迭代形成一個不斷設計與再設計的循環(huán)，教師通過分組協(xié)作、答疑解惑、跟蹤引導和評價反饋等方式組織教學。

（六）教學過程與實踐

1.解讀規(guī)則，制定方案

教師解讀規(guī)則：在啟動太空旅行的項目中，共有三個小任務，其中車輛載荷任務最簡單，得分最高。車輛載荷是預先放置到軌道上方，機器人需要將基座抬起，讓車輛載荷滑入太空之旅軌道，并且在到達第一個軌道連接處時，小車必須獨立行進，可以采用機械臂將基座抬起的方法完成這個任務。

學生討論，制定方案：

A組學生：可以用一個有135度傾角的梁，然后用一個中型電機，起始位置往下一些，等小車走到基座那里后，讓中型電機抬起那個梁就可以了。

B組學生：如果是有傾角的梁那是不是就可以不用中型電機了，小車可以多往前走一些，基座會隨著傾角的增高，就可以直接把基座抬起。

2.機型設計，搭建機器

教師：引導學生，幫助學生解決搭建過程中遇到的基礎性問題，引導組內(nèi)學生之間進行合理的分工與協(xié)作。搭建時需要去場地上測試，手動測試一下能否完成這個任務，如果不能，應該怎么修改結構，才能讓機器更好地完成任務。

學生：搭建基礎小車，在基礎小車的基礎上增加中型電機，完成任務一的機械臂。

3.程序設計，編寫程序

教師：告訴學生主要的步驟。第一，設計程序的路線。第二，測量機器從初始狀態(tài)到終止狀態(tài)的距離，由于場地圖紙是恒定的，場地上的任務模型的位置也是恒定的，小車必須從基地出發(fā)，當小車在基地的初始位置確定好后，基地距離任務模型的距離也就確定了。首先要進行的是對初始位置到終止位置距離的測量，測量方法有兩種，第一種是使用主控直接測量，第二種是使用電腦輔助的方式間接測量。在測量時，讓小車從基地的初始位置出發(fā)，按照設計的路線從起始狀態(tài)到終止狀態(tài)全部模擬一遍，記錄所有電機以及傳感器的變化。第三，利用測量的值初步編寫程序。第四，調(diào)試程序，通過測試機器在場地中真實運行的情況，將程序中的值調(diào)試準確。

學生：采用老師教授的方法，在測值、編程、調(diào)試這幾個環(huán)節(jié)中組內(nèi)成員明確分工，相互配合，完成程序的編寫與調(diào)試;在測值時，一個成員負責測試，一個成員負責記錄;在編程時一個成員負責編程，一個成員負責查找記錄的數(shù)值并且核對編寫的程序;在調(diào)試時，一個成員在基地負責擺位，保證每次出發(fā)的起點不變，一個成員負責在機器完成任務的位置觀察機器在完成任務時出現(xiàn)的問題。

4.調(diào)試機器，修改方案

教師：在調(diào)試機器時會發(fā)現(xiàn)很多問題，很多的問題只需要修改一個小結構就能夠解決，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)試機器的過程中發(fā)現(xiàn)了什么問題先引導學生想一想能否通過修改結構去解決，如果結構無法解決，那么程序上哪里出現(xiàn)了問題，應該如何去修改。每次引導學生發(fā)現(xiàn)在調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，并提供一些可參考的解決方案。

學生：根據(jù)調(diào)試觀察到的問題，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，一類是結構問題，一類是程序問題，結構沒有最好的結構，只有更優(yōu)的結構，同樣程序也沒有最好的程序，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)學生想到的解決方案，帶領學生一起分析每種解決方案的優(yōu)缺點，鼓勵學生盡可能多地嘗試多種解決方案，分析時需要告訴學生哪種方案比較費時間，哪種方案執(zhí)行起來難度較大，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，引導學生學會解決問題的思維，只是自己進行的一個預先的評估，會有主觀因素加進去，在條件允許的范圍之內(nèi)盡可能鼓勵學生多嘗試，自己找最優(yōu)的解決方案。

以第一組為例，在原方案的基礎上進行了二次修改。第一次測試存在問題：機械臂的梁容易摩擦到地面，修改方案：將原有機械臂的傾角由朝下改為朝上。第二次修改方案：在完成車輛載荷任務同時完成補給載荷，這樣可以節(jié)省大量時間。

5.小組匯報，展示成果

各小組成員之間進行匯報展示，每個小組從機器的設計、程序的編寫、組內(nèi)的分工、自己方案的優(yōu)勢等方面進行匯報展示，并且用機器在現(xiàn)場進行演示。各個小組在聽取其他小組匯報的同時，反思自己的方案存在哪些問題，可以從其他小組學習到什么，其他小組是否存在問題，你是否能給他們小組更好的修改建議。

（七）教學反思

教師在指導學生備賽過程中，首先需要進行整體規(guī)劃布局，即解讀規(guī)則、制定策略，告訴學生哪個任務優(yōu)先做，哪個任務最后做;其次，引導學生完成某個具體的任務：學生在完成某一個具體的任務時會遇到很多問題，問題最多的是不會調(diào)試，搭完一個東西后就不會再去改，教師要在這個過程中教會學生去調(diào)試程序，及時發(fā)現(xiàn)問題并讓學生發(fā)現(xiàn)問題，給他們一些解決問題的建議，當他們發(fā)現(xiàn)問題后，可能會想出比你的想法更好的解決問題的方案;最后也是最重要的一點是引導學生學會思考，學生在做的過程中會有很多想法，有的是關于策略的，有的是關于任務完成方案的，你需要及時告訴他這個想法可行不可行，可行的鼓勵支持并給他建議，不可行的首先告訴他他的想法會存在什么問題，引導他進行思考，并給他一個更好的方案讓他參考，引導他分析這兩個方案各有什么優(yōu)缺點，并鼓勵他思考一個更完善的方案。

三、基于DBL的機器人競賽教學過程的建議

（一）貫穿DBL教育理念

機器人競賽的備賽過程與DBL的理念一致，教師可以在機器人競賽的教學過程中貫穿DBL的教育理念，從而提高學生的創(chuàng)新能力和動手實踐能力，培養(yǎng)學生在面對真實問題時的問題解決能力。

（二）鼓勵學生大膽創(chuàng)新

學生的想法和創(chuàng)新能力遠遠超過教師，教師需要鼓勵學生大膽去嘗試，不要扼殺學生的想法，并引導他們一步步將創(chuàng)意變?yōu)榭吹靡娒弥膶嵨铩?/p>

（三）不要代替學生完成比賽任務

競賽不僅僅是為了取得成績，更重要的是備賽過程中學生的成長和收獲。在備賽時，教師盡量不要代替學生去完成比賽任務，可以采用引導的方式，在關鍵問題上給予學生點撥，讓學生嘗試自己解決問題。

參考文獻

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

[2]盧曉琦，秦健.基于STEAM理念的小學機器人項目教學實踐：以LEGO機器人“駕考寶典”項目為例[J].中小學電教，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