依托机器人工作坊为机器人第二课堂搭建平台

韩迎峰

摘 要：工作坊作为一种培养学生实践能力的教学模式在很多领域得到了应用，随着机器人在中小学教学中的不断普及，关于机器人教学方法的研究也日趋增多，作者尝试将工作坊教学模式应用到机器人教学中去，期许从中能不断提高学生的动手能力、物化能力，培养学生的创新意识、合作意识。

关键词：机器人；工作坊；第二课堂

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2017）22-0088-03

一、什么是工作坊

工作坊最早源于德国以培养工程设计师和建筑设计师为宗旨的包豪斯学院。在包豪斯学院，学生的身份是“学徒工”，“形式导师”教授理论性知识，“工作室师傅”教授技术类知识，由于实践环节需要在特定的场地进行，因此学生的日常实践操作空间——工作坊，逐渐成为实践环节的核心，以此形成的实践模式被称为“工作坊教学”[1]。

工作坊区别于传统的课堂教学，它有明确的主题，鼓励学生创新、实践，从做中学，活动中有一个或者多个实践中遇到的问题或者项目等待学生去研究和学习，活动互动性强，参与度高，形势多样。

二、为什么要建立机器人工作坊

1.机器人课堂教学存在的不足

机器人课程作为技术课程，强调“做中学”——亲身体验的技术学习方式和工程学基于项目或基于问题解决的学习方式，将技术操作“埋藏”在交流设计活动之中， 与思考问题和设计形式等相应的活动一起进行[2]。

高中通用技术选修课程中开设了《简易机器人制作》选修课程，从走进机器人的世界、让简易机器人动起来、让简易机器人完成指派任务、让简易机器人自动适应环境几个章节介绍了机器人的基础知识，为进一步的机器人学习打下了一定的基础，但是这些知识点是相对简单的，也是相对独立的，学生虽然掌握了知识点，却很难将此转换为解决问题的方法。而在机器人设计与制作过程中，学生会遇到很多不可预期的问题，在有限的课堂学习时间内，在教学形式相对单一的课堂教学中，显然是无法解决这些问题的。其次，课堂45分钟时间、教室空间是无法满足学生探索机器人的渴望的。再次，由于课堂学生人数多，学生的参与度也比较低的。

所以亟需在机器人课堂教学外，采用更多样的第二课堂的学习形式，给学生和教师提供一个克服学科教学所造成的知识和技能条块分割的机会，综合不同课程的知识，充分使用课堂以外的各种学习资源，展开协作式学习，创造性地分析和解决问题。

2.机器人工作坊在机器人教学中存在哪些优势

正因为机器人课堂教学存在现实的弊端，而在课堂之外，让学生自发地报名、自由的组合，机器人工作坊为兴趣相投、目标一致的学生投入机器人学习提供了更好的平台。相对于机器人课堂教学以传授知识点为主的学习方式，在机器人工作坊中，学生是为了解决某一具体问题或者某一项目而去学习，以机器人小车转直角弯为例，学生会围绕这一具体明确的问题展开研究和讨论，在研究和实践中，学生会发现影响机器人小车转直角弯的因素很多，如地面的摩擦力、前后车轮的距离、机器人路口转弯的起点位置、电机的转动时间长短、前置导向轮的三轮小车和四轮小车的不同等因素，甚至还要考虑机器人电量变化导致的输出电压改变对于机器人转直角弯精度的影响等，这样的问题与生活密切相关，它不是教材上纸上谈兵式的知识点阐述，学生带着明确的目标去学习，这是一个融会贯通多学科知识的过程，而不是课堂教学中的零散学习。一般说来，工作坊形式的社团内人际互动不但具有明确方向性，而且具有生产性，因为这种互动总是围绕着解决或了解某个具体的问题（即不确定性）而组织的[3]。成员会自发分成一个个小组，并进行分工，相对于课堂学习，这种跨年级、跨班级、自发组合的小组的生产效率会远高于课堂学习的效率。

机器人工作坊的建立，将为机器人的深入学习带来如下几个益处：①工作坊人数少，学生参与度高，投入程度高，学生因此产生的成就感、集体荣誉感等会更强；②活动地点灵活，教室、實验室、会议室甚至家里都可成为活动的场所；③活动形式多样，听课讨论、案例分析、实践操作、分享经验等都是工作坊的学习形式；④话题针对性强，学生专注度高，围绕某一个项目或者问题展开讨论研究，相对于课堂教学，学生的专注度更高，进而对于问题的研究深入度也更高。

三、机器人工作坊模式实践探索

1.打好机器人课堂教学基础，为机器人工作坊的开展做铺垫

机器人设计与制作需要有个循序渐进的过程，想一开始就能设计机器人显然很不现实，学生必须从基础学起，如机器人的基本组成和工作原理、机械的常用传动方式、电子控制系统、单片机控制电路、常见传感器及工作原理、机器人的程序控制等基础知识，这些知识主要还是通过课堂教学来完成，这些知识点将是接下来进行项目式学习的重要基础，而机器人设计与制作项目则不能完全依靠课堂来完成，它需要形式更多样化、时间更充裕、环境更开放的第二课堂来完成。

2.机器人工作坊教学案例分析

目前工作坊在多个领域得到应用，如教师工作坊、翻译工作坊、急救护理工作坊、管理工作坊、影像工作坊、表演工作坊等，而在机器人的教学方面，笔者也尝试着将工作坊带入机器人教学的第二课堂，形成对机器人课堂教学的有益补充。表1是笔者为机器人工作坊针对学生完成某一机器项目而制定的某一活动方案。

机器人工作坊成员由主讲教师、辅导教师、学生组成：①主讲教师负责教学计划的制定和方案的实施，主讲教师是工作坊的决策者、组织和管理者，辅导教师则承担着辅导学生的任务；②机器人的设计与制作是一个由理论走向实践的活动，前期有了机器人的课堂教学活动，工作坊活动则以实践为主，围绕某一个具体问题展开学习和交流，项目或者问题不是凭空想象的，而是在机器人设计制作过程中遇到的实际问题；③学生中存在很大的个体差异，有高一刚学机器人的学生，也有高二学了一年机器人的学生，高二学生可以辅导高一学生，从而可以在师生之间、学生之间建立充分的互动；④活动形式也可多样化，如以介绍某种新型机器人项目为目的的专家讲座、在竞赛机器人中以解决某个具体问题的探讨为目的的小组讨论、以选拔竞赛机器人参赛选手为目的的设计竞赛等。图1是机器人工作坊的活动流程图。endprint

在这样的活动模式中，要处理好以下几个关键环节：

（1）时间分配和成员关系

机器人工作坊的核心在于实践，所以学生的体验和分享环节是工作坊的主要活动，主讲教师在学生实践前的讲授、活动后的归纳总结、辅导教师活动过程中的辅导都是围绕学生的实践活动展开的。学生是活动的主体，主讲教师是整个工作坊的组织者，负责任务安排和分析，以及任务中可能会遇到的主要问题的分析，辅导教师协助主讲教师辅导和答疑。机器人从理论走向实践存在一个很大的鸿沟，机器人的设计制作过程包括任务分析、结构设计、零件装配、编写程序、调试修改等，这样一个复杂的过程是要学生综合多学科知识技能将之物化的结果， 所以特别对于刚接触机器人学习的学生来说，不太容易实现，他甚至需要教师手把手地类似于传统手工艺中师傅带徒弟式的传授，所以除了主讲教师以外，辅导教师在此过程中的作用也尤为重要。

（2）问题的设计

有意义的学习关键是对问题的自主权，因此，向学习者提供有趣的、相关的、有吸引力的问题是必要的[4]。如果是在解决他们真正感兴趣的问题，学生就可以学会思维[5]。机器人设计涉及到多个领域、多个学科的知识，教师在任务的安排和问题的设计时要考虑学生的特点，问题太难，凭借学生当前已有的知识和能力根本无法解决，问题太简单，无法调动学生的兴趣。所以，教师要精心设计问题，既要围绕已学知识点展开，又不局限于已有知识，适当的难度，调动其潜能，使学生超越发展区而达到下一个发展阶段的水平。

（3）学生的参与度

學生必须成为教学过程的参与者，只有参与知识的发生、发展和形成过程，才能从被动接受转为主动建构。机器人工作坊活动模式以实践和操作为主，虽然学生自行进行了分组，但是组分好了不代表学生就能分工明确地完成任务，因为学生习惯了文化课程独立式的学习方式，合作意识、协作能力也不是与生俱来的，所以在此过程中主讲教师、辅导教师就要发挥指导的作用。合作差的小组往往表现为一人做事、多人观望，学习效率低，学生参与度得不到保证。辅导教师应及时发现问题，指导学生进行分工，小组可以一起讨论机器人设计方案，确定好方案后要进行人员分工，谁负责硬件搭建，谁负责程序设计，硬件搭建任务相对比较大、耗时长，那又如何将硬件搭建任务进行分解，责任到人，还可以将难度相对较低的子任务交由低年级组协助完成。在设计过程中，学生会因为某一个问题而使得整个任务停滞不前，由于解决问题和动手能力的欠缺，往往会钻牛角尖，这时候辅导教师及时的介入和启发，可以让问题迎刃而解，学生从中学会了合作，经历了分析问题和解决问题的过程，也感受到了成功的喜悦。因此保证学生较高的参与度，是工作坊学习效果有力的保障。

（4）评价标准

机器人学习不同于其他学科的学习，它是理论与实践紧密结合的一门学科，更是对学生的创新力高要求的学科，在机器人设计中，往往一个很巧妙的结构设计能够让问题迎刃而解，所以在对作品和学生评价时，不能将机器人完成任务作为评价的唯一依据，对于结果的评价，还可从以下几个方面进行：①完成任务的稳定性如何，机器人电量变化、场地摩擦力变化（比如灰尘影响）、环境光线变化等会不会对任务的完成造成影响；②完成任务的效率如何，耗费时间长吗，当前任务的完成会不会对其他任务的完成造成影响，有没有考虑多个任务可以并行完成；③虽然部分甚至全部任务没有完成，但是设计中技术、结构、功能等某些方面的创新设计是否对后续任务的完成或其他小组任务的完成起到借鉴和启发的作用。也就是说，在评价中设计的创新性指标要占据很大的权重，这样可以更好地激发学生创新的热情。

四、机器人工作坊对于机器人教学的意义

笔者所在的课题组采用整群抽样法将参加机器人学习的两个班级分成对照班（50人）和实验班（51人），分别采用一般课堂教学方法和工作坊教学法进行了比较实验，并对学生进行了教学反馈调查，其中认为活动充分锻炼了自己动手能力的比例分别为74.0%和94.1%；认为自己能够参与其中并对任务完成做出贡献的比例分别为52.0%和90.2%；学生对于课堂的满意度分别为72.0%和88.2%；同时对学生完成任务的情况进行了统计，完成率分别为64.0%和88.2%。可以看出，实验班在学生动手能力的培养、学生的参与度、课堂满意度等多个指标上都表现出了明显优势。

机器人工作坊强调小组成员之间以及师生之间的相互交流，它不用传统的方式传授知识，更重视如何分析问题、如何利用创造性的方法解决问题，它是一种反思性实践的过程。这种反思性实践不脱离理论，同时它也是在寻找突破先前理论，设计出创新性的方案，机器人作为物化工具，它也帮助学生提高自身高级思维能力，培养学生的认知技能。因此机器人工作坊不失为一个全面提高学生技术素养的机器人教学新模式。

参考文献：

[1]林书兵.基于工作坊的实践教学模式的应用与探析[J].现代教育论丛，2014（3）：67-71.

[2]李芒.技术与学习：论信息化学习方式[M].北京：科学出版社，2007.12.

[3]赵胜军.个人学习与社团学习的融合[J].当代教育科学，2014（10）：28-31.

[4]乔纳森，D.设计建构主义学习环境[C]/ /赖格卢斯，C.M.主编，裴新宁等译.教学设计的理论与模型： 教学理论的新范式[M].北京：教育科学出版社，2011： 269.

[5]坦纳，D.&坦纳，R.著，崔允漷等译.学校课程史[M].北京： 教育科学出版社，2006： 171.

（编辑：鲁利瑞）endprint