PBL教学法在高中机器人竞赛辅导中的研究与应用实践

贾金元 武小龙 刘智明 武国伟

摘要：随着人工智能、图像识别、控制技术的发展，机器人竞赛也越来越向高水平、高层次发展，越来越多的学校鼓励学生参与到机器人竞赛中，作者认为，将FTC竞赛引入到高中课堂，充分体现了STEAM教育思想。机器人竞赛不仅能提高学生的动手能力，还能激发他们DIY的兴趣。实践证明，将具有STEAM教育思想的机器人竞赛课程引入到高中切实可行，可以开辟一个新的计算思维培养模式。

关键词：PBL教学法;机器人竞赛;FTC

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2018）12-0028-03

● 引言

2017年8月27日，国务院印发了《新一代人工智能发展规划》，明确指出人工智能将成为国际竞争的新焦点，应逐步开展全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程。机器人竞赛综合性较强，集成了机械设计、电子电路、程序设计等技术，同时教育部2018年1月颁布的《高中信息技术课程标准》中，在课程结构里选择性必修中开设的模块1（数据与数据结构）、模块2（网络基础）、模块4（人工智能初步）、模块5（三维设计与创意）、模块6（开源硬件项目设计）都可以与机器人设计与竞赛融合。学生通过实际动手操作对竞赛主题进行研究、策划、设计、组装和调试，通过主动探索、摸索探究、亲临比赛等方式，将想法转变为模型，将算法转变为程序，在这个过程中，享受STEAM理念带来的乐趣及成功的喜悦。

STEAM教育的目的是培养更多具有创新精神和创新能力的新型人才，而让学生参加各种机器人竞赛，则是实践STEAM教育的一种有效形式。FTC（First Tech Challenge）科技挑战赛是由美国的非营利机构FIRST组织主办，面向14～18岁高中生的青少年机器人赛事。该赛事给学生提供了一个科技平台，使其把课堂上的科技概念运用到现实工程问题的解决中。该赛事自2012年引入中国以来，已举办了六届，虽然它在沿海城市非常普及，但在西部地区，尤其是甘肃、青海等地区，参加的学校数量并不多。要想将FTC竞赛引入西部更多地区，面对新技术和新教育理念，在基于STEAM教育思想的教育教学实践中，教练员需要不断反思，不断创新教育教学思想。

● PBL教学法

PBL（Problem-Based Learning）是一种让学生以小组形式，在共同协助并解决一些模拟现实生活中的问题的过程中，实现所学知识的建构与重构的教学法。它强调把学习设置到复杂的、有意义的问题情境中，通过让学习者合作解决问题来学习隐含于问题背后的科学知识，形成解决问题的能力和自主学习的能力。从学习的目标指向看，这是一种关注经验的学习，是围绕现实生活中一些结构不明确的问题所展开的调配和寻求解决方法而组织的学习。其目的是培养学生自主学习的兴趣与综合素质，从而使学生健全发展。[1]PBL教学法是一个完整的师生共同参与、彼此沟通、合作学习、具体回馈、自省重建的学习过程，体现了从感知到认知、从感性到理性的认识过程。

FTC机器人学习以比赛为终极目标，学生自始至终具有强烈的参与动机、学习兴趣。学生在搭建自己的FTC比赛机器人的过程中，以完成任务为目标，分小组分析问题、研究解决问题的方案，在实践练习中改进设计方案。在项目开展的过程中，学生需要去协作、批判性思考及创造性考虑问题，在看到自己的进步、体验到成功快乐的同时，也锻炼了组织策划能力，提升了自主学习和创新能力。[2]

● 基于PBL教学法的FTC竞赛辅导模型

针对FTC机器人的竞赛特点，笔者决定将PBL教学法应用在FTC机器人竞赛教学中，但在查阅大量文献资料之后发现，在国内并没有一种明确的可适用于FTC竞赛辅导的教学法，因此，很多学生都是自学，可由于FTC竞赛难度较高，光靠自学很难获得好的成绩。针对这种情况，经过多年探索，笔者提出了一种基于PBL教学法的FTC竞赛辅导模型（如下图）。

由圖可知，该模型由6个学习环节组成，结合FTC机器人的学习，各学习环节具体操作如下：

①问题提出。提出问题是整个竞赛辅导环节的焦点所在，教师利用PBL教学法进行问题设计，这将直接影响到学生竞赛的质量。在每年的竞赛主题发布后，教师可根据历年竞赛经验，组织学生进行主题的规则解读，提出竞赛的核心知识点是主要内容。

②分配组别。FTC竞赛成员要求为6～10人，按照PBL教学法的特点，将每个组的人数控制在2～4人为宜，小组各成员应根据自己的爱好、特长选择组别，努力做到能充分发挥个人的智力水平，共同协作提出解决问题的最佳方案。一般分为建模组（进行结构模拟设计、受力分析和仿真模拟）、搭建组（根据建模结构进行搭建和调试）、编程组（对机器小车进行编程、完成自动和手动阶段）和宣传组（FTC精神宣传、视频制作、工程笔记撰写等）。

③知识学习，建立联系。在解决问题过程中，学生须具备一定的学习技巧与能力，而教师在设计问题过程中也应根据学生所具备的认知结构设计适合学生水平的问题，或在解决问题过程中，为学生适当提供学习所需的技巧与知识。在FTC学习中，教师需要在机械结构、编写程序方面给学生讲解和提供资料，在比赛的自动控制阶段，要求机器人从指定的起点位置运动到终点位置，要想拿到高分，基础步骤是使机器人精确定向移动，因为自动程序对学生的要求高，所以需要指导教师对学生进行陀螺仪和传感器的相关培训，从而利用已获得的数据进行循环性自我调控，实现精确自动控制。

④设计方案。学生应精心策划好解决问题的程序，并以分工合作的方式共同推进方案向前发展。

⑤组装调试。根据建模结构，利用PTC公司的Creo软件进行模拟运行并开始组装，调试程序改进。FTC机器人学习结果汇报则是以比赛的形式呈现。

⑥评价与记录工程笔记。FTC竞赛要求每组必须记录工程笔记，将竞赛主题完成的情况、碰到的问题完整记录下来，作为评审参考。这是一项贯穿整个比赛的工作。

笔者以“FTC竞赛”校本课程为基础，设计了适合高中生学习的机器人竞赛课程，该课程采用项目学习的方式，以STEAM教育思想为主要内容，以做中学为策略，并以激发学生学习兴趣、贴近他们生活为出发点，进行课程的讲授。FTC竞赛课程主要以专题形式呈现，教师给学生讲述基本原理和概念后，再让他们针对实际问题，利用掌握的知识进行实践。

● 基于PBL教学法的FTC竞赛学习策略及实践

基于对FTC机器人学习各环节的分析，笔者将基于PBL教学法的FTC机器人学习策略总结为以下五点：

①解读规则，根据比赛规则制订学习目标;

②过程设计，根据学习目标制订整体设计方案及小组设计方案;

③活动开展，分步骤进行，搭建机器人、程序设计、调试，最终实现设计方案;

④练习改进，操作手和机器人能够配合进行模拟真实比赛，改进设计方案;

⑤目标达成、分析总结，对学习过程中成绩与不足进行总结与分析。

根据笔者历年的组织和参赛经验，竞赛队伍一般分为建模组、搭建组、程序组和宣传组，每个组的主要工作任务不一样，主要完成如下内容：

①搭建机器人。想要设计出符合比赛要求的机器人结构就必须对现有的套件进行结构改造，机器人要完成抓球—运输—投球的动作必须依靠马达、齿轮、传感器等部件实现驱动、传动、感应功能。在这个前提下，打破常规思想拓展思维空间，仅仅靠一个人是不能解决问题的，往往需要教师进行技术上的指导、小组内成员集思广益发挥集体的智慧才能解决问题。

②程序设计。完成机器人的结构设计后，编写程序指挥机器人行动是学习过程中的又一大难题，也是实现整体比赛设计方案的关键。根据比赛策略，学生设计编写机器人的自动程序，需要了解各控制部件的属性和功能。在自动比赛時段，机器人按照程序执行每个动作完成比赛任务。操作手控制比赛时段的程序则是将主控器各部件的信号通道与遥控器通道相对应，程序设计直到操作手和机器人能够完成比赛任务为止。

③调试。运用循序渐进的方法，一个动作完成后再编写下一个动作，需要反复调试、修改程序，有时还需对机器人的结构进行改进。试行方案的实施，是一个循环的过程，以设计方案为标准，不断对以上三个环节进行调整、改进，直到实现设计方案为止。在解决以上问题后，操作手需要熟悉机器人的基本结构以及机器人与遥控器的信号通道的对应关系，经过反复实战练习，能够尽可能在手动比赛时段得到高分。在这个环节里，发现任何问题可在总体方案和试行方案环节寻找原因并解决。直到最终能够按照比赛方案设计完成一场比赛。

● 结语

在基于PBL教学法的FTC竞赛辅导中，学生真正意义上实现了自主学习，提升了积极主动解决问题的能力，对学科前沿知识有了更深刻的理解，这对PBL的进一步研究及机器人教育的研究都有深远的意义。