基于GOMS的趣味交互型机器人教学案例设计研究

韩蕾 李婷婷 钟柏昌

（南京师范大学 教育科学学院，江苏 南京 210097）

基于GOMS的趣味交互型机器人教学案例设计研究

韩蕾 李婷婷 钟柏昌

（南京师范大学 教育科学学院，江苏 南京 210097）

机器人教育已经成为当今教育的热点话题，越来越多的研究者倾向于关注机器人教育的现状、意义、问题及对策。而本研究则以设计、开发及应用机器人教学案例为主，构建价格低廉、开源共享的Arduino机器人教学项目，并将GOMS模型引入趣味交互型机器人的教学案例设计及应用中，为趣味交互型机器人教学提供一种可参考的思路和方法。

GOMS；趣味交互型机器人；教学案例设计

当前中小学在开展机器人教学时，其教学项目往往局限于小车避障、循迹、走直线等机器人学科本位的知识和技术，或是参考当前流行的一些机器人竞赛项目，抑或是参考机器人厂家提供的说明书等。尽管这些机器人项目可以让学生习得一定的机器人知识和技能，但是其相应的教学项目并不利于学生创造力和问题解决能力的培养与形成。因此，需要在机器人教学过程中丰富教学项目的类型，从而设计、开发及应用趣味交互型机器人的教学项目，使得机器人教学真正成为培养学生创新力的阵地。

一、趣味交互型机器人教学的定义及特点

趣味交互型机器人教学是指以开发有趣、好玩的机器人联机交互系统为主要任务的教学。在该系统中存在三个要素：计算机、用户、机器人，本研究中计算机层面使用的是S4A软件，用户是中学生，机器人使用的则是Arduino，图1所示为S4A机器人核心模块，[1]图2所示为S4A机器人交互模式。

图1 S4A机器人核心模块

图2 S4A机器人交互模式

趣味交互型机器人编程使用的是S4A软件。S4A，全名“Scratch for Arduino”，是基于Scratch衍生的二次开发软件，由西班牙Citilab公司设计开发完成。S4A具有原生的Scratch图形化程序设计的特点和功能，简单易懂，并且提供了对Arduino的支持。基于S4A平台的趣味交互型机器人编程不仅门槛低，还能创作出功能强大的交互作品，非常适合于中小学生的编程学习。S4A分为编程端和机器人端，其中机器人端使用Arduino主控板作为控制器。开源的Ar-duino硬件价格低廉，扩展性好，且可选用的传感器和执行器类型丰富，而S4A软件在媒体互动方向也有较好的应用。S4A+Arduino控制器可以支持多输入输出，能较好地应用于机器人教学实践中。

目前S4A拥有一些活跃的国际性社区，大量有趣好玩的项目与系统都使用S4A来搭建。S4A将开源硬件平台Arduino与学习、实践计算思维的工具Scratch结合在一起，使得于教学实践中创作趣味交互型机器人成为现实。[2]因此在机器人教学过程中，以趣味交互型机器人作为教学项目，将相关的知识点融合到机器人项目的制作过程中，不仅可以使学生习得机器人相关的基础知识与基本技能，而且更能体会到以机器人为媒介进行人机互动的乐趣。与传统的机器人教学相比，趣味交互型机器人具有以下特点：

1.用户与计算机之间实现实时交互。其交互的过程可以是用户通过一定的操作影响机器人中传感器的输入值，当计算机发现该值的变化时通过分析数值来给予用户反馈。

2.机器人与计算机共同处理数据。在趣味交互型机器人项目中，除了传感器，计算机同样可以获取传感器输入的值并对其进行分析，并且计算机在分析数据后能给用户更多可视化的反馈。

3.以实现人机交互为目标组织机器人相关知识点，这能够很好地承载培养学生机器人开发能力的任务。

4.趣味交互型机器人无法脱机运行。

二、GOMS理论及其适用性

GOMS模型是一种认知任务分析技术，旨在解决复杂问题。对于可观察的任务行为，GOMS模型可用于分析该行为的基础，例如相关知识、思想过程和目标结构，帮助揭示更有效地处理复杂情境的认知技能。[3]其中G指的是目标（Goals），O指的是操作（Operations），M指的是方法（Methods），S指的是选择规则（Selection Rules）。简单地说，GOMS模型主要由描述这些完成具体目标所需要的方法组成。方法是一系列用户执行的操作行为序列，一个方法包括多个子目标的实现，因此方法是具有层次结构的。如果实现一个目标时有多个方法可供选择，此时应根据内容使用选择规则选择恰当的方法。GOMS分析，或者说是建构GOMS模型，就是在常规方式下，对系列任务的目标、操作、方法和选择规则进行描述。[4]

GOMS模型被广泛地应用于人机互动系统的设计过程中，是指导设计者进行人机交互系统设计的重要理论。趣味交互型机器人的核心在于利用机器人来实现人机互动，以GOMS模型为设计原则，能够优化趣味交互型机器人作品的交互效果，形成一定的方法来帮助学生建构设计、制作趣味交互型机器人的认知体系。

GOMS模型中的四个步骤清晰、明确，与趣味交互型机器人的设计过程相契合，适合用于指导趣味交互型机器人项目的设计。大致过程如下：在设计趣味交互型机器人的初期，设计者设定该项目要达到的交互行为目标，再由该目标引申出欲达成目标所要完成的子目标。当完成整个项目的目标框架时，再思考经过怎样的操作来实现目标，进行这种操作有哪些方法并对这些方法进行选择优化，从而形成一条合理、清晰的趣味交互型机器人设计以及制作的脉络。运用GOMS理论的机器人开发方法中的目标是基于项目中的交互行为来描述的。在确定了交互行为目标之后，确定要完成交互目标的操作，并确立操作的方法及选择规则。

三、基于GOMS的趣味交互型机器人开发方法与策略

趣味交互型机器人开发方法应融合到教学过程之中，教学过程中将方法渗透到学生的认知体系中，更加有利于学生对知识点的迁移及应用，进而达到举一反三的作用。美国密歇根大学的David Kieras（大卫・凯尔罗斯）在研究中指出：不同于利用GOMS分析一个现存的或特有的设计，GOMS模型也可以用于指导设计的过程。也就是说，在设计之初列出用户要达到的最高层目标，然后为这些目标定义相应的方法，之后继续制定子目标及其相应的方法，在考虑对用户的直接影响下，制定者决定如何进行界面设计。[5]趣味交互型机器人作为一个特殊的人机交互系统，将GOMS模型引入其设计过程，可以指导学生更加规范地进行趣味交互型机器人的设计与制作，创作出效果更好的作品。

GOMS模型指导下的以S4A为平台开发趣味交互型机器人的过程可描述为以下五个步骤：

1.描述项目功能。简述趣味交互型机器人要实现的功能，并描述其中存在哪些互动过程。

2.准备器材。选取项目中所需要的Arduino相关器材。

3.添加角色，编写脚本。在Scratch端根据项目功能建立情境并添加角色，编写脚本来实现项目功能。

4.连接硬件。将Arduino控制板与计算机连接，并将Arduino的传感器、控制器等与主板相连。

5.作品测试与完善。测试作品是否达到预期目标，在已完成的基础上优化、完善作品。

将GOMS模型运用到趣味交互型机器人开发方法的构建过程中，首先解析该模型中的四部分在机器人开发过程中的含义，如表1所示：

表1 GOMS模型中各要素及其描述

将GOMS模型融合到S4A的开发过程中，其中目标可以解释为项目要实现的交互行为；操作是要实现项目功能而进行的“准备器材”“添加角色与编写脚本”“连接硬件”“作品测试与完善”等步骤；方法是为实现目标而进行的具体操作，如要实现脚本的编写就需在Scratch端进行程序的设计并通过拖拽语句模块来完成编写；选择规则是指有多种方法来实现目标时，学生确定选用哪种方法的依据，如两种语句均可实现编程目的，此时应该按照易于理解、程序简洁高效的原则进行选择。GOMS模型在趣味交互型机器人开发过程中的具体应用可描述为如图3所示。该框架运用于学生开发机器人的实际过程中，可将其演化为项目计划表的形式作为学习支架来帮助学生独立设计、制作趣味交互型机器人。

图3 GOMS模型在趣味交互型机器人开发过程中的具体描述

四、基于GOMS的趣味交互型机器人教学案例设计

（一）趣味交互型机器人教学方法的设计

趣味交互型机器人更加注重程序部分，而硬件在整个系统中则处于辅助地位。在趣味交互型机器人系统中，承担程序编辑任务的为S4A，承担硬件执行任务的为Arduino机器人。其关键在于如何设计符合机器人教学环境下的项目，以及在教学开展过程中如何发挥趣味交互型机器人的优势。Irene Lee（艾琳・李）与Fred Martin（弗雷德・马丁）等研究者在一系列由美国国家科学基金提供支持的项目中通过调查中学生的计算思维是如何形成的，从而提出了在计算思维中学生的认知与实践行为的三个阶段：使用—修改—创造（Use-Modify-Create，本文中将此模式简称为UMC）。[6]在本研究中将该模式应用到趣味交互型机器人项目设计开发的过程中，并结合具体的机器人教学实践，在UMC三个阶段的基础上增加“Think”即思考的过程，将UMC模型构建为UTMC模型，并在本研究中解释为：玩一玩—想一想—改一改—创一创四个步骤。分别对学生、教师在上述四个步骤中的行为及其任务安排进行描述。

1.学生的行为及任务

玩一玩：在教学开始时首先为学生提供案例供学生学习，引导学生探索该机器人案例的结构、功能及运行方式等。用这种方法更能帮助学生进行自主探索学习、了解项目功能及结构，从而激发学生的学习兴趣与独立思考的能力。

想一想：在了解所要学习的机器人项目的基础上，思考完成该项目所需要的器材、基础知识与基本技能等。器材主要针对Arduino，而基础知识和基本技能则是在S4A与Arduino两方面中都需要考虑的。学生在思考的过程中建立关于项目中各部分的功能是如何实现的假设，并进一步了解整个机器人系统的功能及运行过程。

改一改：在所提供案例的基础上对其进行修改，更加深入地了解趣味交互型机器人项目中各部分的关系，并在修改的过程中验证在“想一想”环节中形成的假设。

创一创：学生在掌握本项目的基本知识、基本技能及设计思想后，对本项目进行优化或者在此基础上设计其他的作品，实现自己的想法。该部分是对学生能力的拓展与提升，能够帮助学生形成良好的趣味交互型机器人开发思想，使学生更有效率地进行作品的创作。

2.教师的行为及任务

玩一玩：在本环节中教师为学生提供案例供学生探究学习，并组织学生回答自己的探究情况，就学生使用案例过程中出现的问题给予解答。

想一想：将学生分组，并要求各组思考并讨论要实现案例中的机器人系统需要的硬件、基础知识、基本技能等。帮助学生形成假设，鼓励学生进行更加深入的探究。

改一改：组织学生分组修改机器人系统中的可变部分，并要求学生记录修改后的机器人的表现。

创一创：系统地解答学生学习过程中出现的问题，并对案例中核心知识点进行进一步的讲解，强化学生的理解，为学生进行独自创作奠定基础。给学生灌输趣味交互型机器人的开发方法，使学生形成系统的设计、制作思路。引导学生在本项目案例的基础上进行优化并独立设计、制作属于自己的趣味交互型机器人，鼓励学生发散思维，将自己的想法变为现实。教学设计的主要环节及师生活动框架如图4所示。

（二）基于GOMS的趣味交互型机器人教学案例设计

在本研究中，趣味交互型机器人案例的设计主要应考虑以下几点：教学项目的适宜性及趣味性，教学内容的基础性与系统性，并兼具GOMS的指导性。

图4 教学环节及师生活动框架设计

首先，教学项目的选取应该符合本研究对象（高中生）的特点，高中生希望在项目的学习及制作过程中获得成就感，并期待对项目进行深层次的探究。若趣味交互型机器人案例中的互动过程过于简单则会导致学生失去对教学项目的关注与兴趣。而且在考虑到项目互动过程复杂程度的同时也应考虑到项目的趣味性，从而激发学生学习机器人的动机，并在学习过程中发挥其主动性。因此从项目的适宜性及趣味性出发，本研究选取了“智能游戏”“我是音乐家”等项目。

其次，教学内容注重知识的基础性与系统性，本研究以中国教育技术协会信息技术教育专业委员会编写出版的《基础教育信息技术课程标准（2012版）》为指导来设置知识点。此标准中的机器人模块包括“结构与功能”“设计与制作”两部分内容，“结构与功能”主要是机器人的基本概念、硬件和软件等方面的知识，“设计与制作”主要是针对基本知识的综合运用能力。因此在项目的设置过程中，知识点由易到难呈螺旋式上升，但保证符合绝大多数学生的学习和探究能力。同时，项目互动的复杂性也是由简到繁逐步递增的，在课程开始之初为学生提供简单的案例，如智能台灯，用来引导学生对S4A进行初步的认识与学习，随着学习的深入增加知识点的难度与互动的复杂度。按照这种逻辑来开展机器人案例的开发，保证案例项目的基础性及系统性，从而帮助学生更好地进行相关知识的建构。

最后，以GOMS理论为指导进行案例具体的设计及制作。在确定了项目功能及呈现方式之后，以目标—操作—方法—选择规则的顺序来进行实际的案例开发。并在教学过程中的“创一创”环节向学生讲解基于GOMS的趣味交互型机器人设计方案，用以指导学生从GOMS的角度去设计机器人作品。

五、基于GOMS的趣味交互型机器人教学案例设计应用

这里以“我是音乐家”的教学为例，介绍基于GOMS的趣味交互型机器人教学案例设计应用。

1.引入新课

经过上节课的学习，学生都对趣味交互型机器人的开发过程有了一定的了解。再加上音乐是人们生活中必不可少的一个元素，笔者就利用S4A来模拟乐器，让学生来当一回音乐演奏家。

2．教授新课

（1）玩一玩

提供案例供学生探究，观察学生行为，发现学生在使用过程中的主要问题。

（2）想一想

引导学生思考问题：

问题1：time值的变化对演奏音乐有何影响？

问题2：如何观测声音传感器输入值的变化？

问题3 ：条件语句的嵌套在程序中的作用是什么？

组织学生进行小组合作，对发现的问题进行讨论，并形成初步的假设。

（3）改一改

组织学生修改案例，来验证假设。对学生遇到的问题给予解答，并就本课中的重点、难点进行详细的讲解。

解答问题1：time值指的是两个音符演奏之间的时间间隔，time值越大两个音符之间的时间间隔越长。

解答问题2：打开传感器监测面板，找到传感器对应的针脚号，观察数值的变化。

解答问题3：利用条件语句的嵌套将传感器输入值分为不同区间，根据数值的不同来演奏不同音调的音符。

（4）创一创

以本节课呈现的案例为例，分目标、操作、方法、选择规则四个部分讲解基于GOMS的趣味交互型机器人开发方法，如表2所示。

表2 基于GOMS的趣味交互型机器人开发方法

引导学生进行作品创作，可以在本案例基础上进行拓展。拓展思路：一是舞台中添加“舞蹈演员”的角色，当音乐响起的时候跳舞，音乐停止的时候静止。二是在A端安装LED灯，不同音符对应不同的LED灯，当某一音符响起时其对应的LED灯亮。三是在本节课学习的基础上设计新的项目，提供给学生项目计划表，以小组为单位开发机器人项目。

（5）作品评价

展示学生作品，请同学评价他组作品。对学生作品进行积极的反馈。

3.课堂总结

引导学生对本节课案例进行总结。

4.布置作业

（1）将自己的声音录入到S4A中，将其作为素材开发一个机器人作品。

（2）观察生活中的智能家居都有哪些?（也可在网上搜索相关资源）

六、小结

通过“我是音乐家”这一课的学习，同学们创作出了给他人惊喜的“Happy Birthday”“智能音乐盒”等作品。在教学过程中，提供给学生一套系统的可操作的机器人作品设计思路，并且以探究式的教学方法进行传授，从而帮助学生更好地学习机器人的相关知识，创作出更具创新性的机器人作品。本研究着力于机器人教学的实践过程，通过开发趣味交互型机器人来丰富机器人教学项目类型，尝试将机器人开发方法融入到教学过程并探讨其可行性，为机器人教学提供一种新的思路。

[1]龙丽嫦.“智造机器人”小学S4A个性化课程实验[J].中小学信息技术教育,2014，(5)：22-24.

[2]俞中坚.旁观者眼中的《S4A和互动媒体技术》[J].中国信息技术教育,2014，(5)：8-9.

[3]陈刚,石晋阳.基于GOMS模型的科学发现学习认知任务分析[J].现代教育技术,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.

（责任编辑 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

韩蕾（1990— ），女，河北沧州人，南京师范大学教育科学学院硕士研究生，研究方向为信息技术教育；李婷婷（1992— ），女，四川达州人，南京师范大学教育科学学院硕士研究生，研究方向为信息技术教育；钟柏昌（1978— ），男，江西宜丰人，南京师范大学教育科学学院教授，博士，研究方向为信息技术教育、教育技术基础理论问题。