基于PBL的翻转课堂在机器人教学中的应用

柴晓梦

摘要：本文以“人形机器人”课程为例，对项目式学习（PBL）和翻转课堂等概念加以阐述，分析翻转课堂应用于机器人教学的实际意义，构建了基于PBL的翻转课堂教学模式。在实际教学中，通过课前资源准备与自主学习、课堂动手实践与评价交流、课后问题反馈与成果展示的有机结合，充分调动学生的学习积极性，培养学生的创新实践能力，并总结归纳了影响基于PBL的翻转课堂教学效果的主要因素，期望能为创客教育背景下的机器人课程教学提供借鉴。

关键词：PBL；翻转课堂；人形机器人；教学设计；创新实践

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2018）13/14-0052-04

● 引言

随着新课程改革的不断深入，创客空间和创客教育受到社会各界的广泛关注，其主要内容涉及机器人制作与编程，为推广机器人教育提供了新的发展平台。纵观我国中小学机器人教育现状，尽管有部分学校通过开设校本课程进行机器人教育的探索，但竞赛或兴趣小组模式仍占主导地位，实际教学中也存在着不少问题。因此，本文以“人形机器人”课程为例，对基于项目式学习（PBL）的翻转课堂开展机器人教学加以研究，希望能为机器人教学未来发展提供新的思路，进一步推动基础教育改革与发展。

● 项目式学习（PBL）与翻转课堂概述

1.以问题为导向的项目式学习模式

项目式教学是指以某个具体问题为导向，通过实施一个完整的项目而进行的教学活动，旨在将理论知识和实践操作相结合，培养学生主动探究和解决问题的能力。[1]教师可以通过设计具体的实验项目，循序渐进地开展机器人教学活动。在这一过程中，教师是学习资源的整合者和学生学习的服务者，主要负责资料收集和实施方案撰写。学生在解决问题的过程中，进行实践探究、评价交流和成果分享（如下页图1）。例如，学生在学习机器人结构搭建时，以设计制作运动小车为项目主线，根据教师提供的任务说明书，一步步动手完成机器人的搭建。在实践操作中，学生可以了解一些机器人的基本结构件，如马达和齿轮。为了让小车能按照要求动起来，学生需要学习编程知识来控制小车的运动。

在项目式学习中，教师可以设计加入一些竞技活动，激发学生的创造潜能，鼓励学生利用跨学科知识，不断改进机器人的造型与功能，通过不断调试程序来提高编程能力，培养计算思维。在教学评价方面，项目式学习更加重视过程评价。学生在完成机器人制作过程中，及时记录遇到的问题和实验结果。教师和学生通过双向互动反馈式的交流来促进教学活动的顺利进行。另外，考虑到学校机器人硬件设施的配备和活动场地的限制，教师可以将线上和线下的机器人教学相结合，借助虚拟机器人平台开展教学活动。

总之，以问题为导向的项目式学习模式可以更加有效地激发学生学习机器人的兴趣，培养学生的问题解决能力和创新实践能力。

2.基于PBL的翻转课堂教学模式

以项目为核心的教学模式可以让学生更好地学习机器人的设计与制作，但由于机器人课程的课堂教学时间有限，引入基于网络微课的翻转课堂教学模式[2]，可以进一步提高课堂效率，减少教师在课堂上讲授的时间，增加学生动手实践和分享交流的机会。

课前，教师做好教学资源的设计和准备工作，将课程中要用到的数字化学习资源，如视频、PPT、学习任务单等上传到网络学习平台；针对机器人项目学习中需要用到的知识点和操作要点进行归纳整理，形成一套完整的教学方案，供学生在课外进行自主学习；借助网络通信工具，如微信或QQ群等，开展线上答疑活动。学生完成线上自主学习任务和课前测验。

课上，教师对学生自主学习情况进行检测，集中解答学生的问题，布置学习任务。学生根据任务要求，进行机器人作品设计和编程实践。在此过程中，教师要重视培养学生独立解决问题的能力和创新实践能力，也可以通过建立学习小组，培养学生的合作探究能力。教师可根据任务要求和学生特点，进行合理分组，一般2～3人一组较为合适，这样能保证每个学生都有动手实践和展示交流的机会。有的学生比较擅长机器人结构的搭建，有的学生编程能力比较强，有的学生有较多创意的想法和观点。教师要善于发现学生不同的个性特点，并加以合理组合，尽可能让学生发挥自己的特长与优势。每组学生要明确自己的职责，进行协作学习。例如，学生在做机器人编程任务时，以小组为单位，通过思维导图和头脑风暴的方式，进行程序算法的设计与编程调试。

课后，每个学习小组完成一份活动报告，并填写学习评价表。成果展示与评价环节可以通过个人评价、小组评价和教师评价来共同完成，旨在提高学生的自信心和表达能力。教师需要做好问题的汇总与整理，及时进行总结反思，进一步完善教学资源，改进教学方式。

● 基于PBL的翻转课堂在人形机器人教学中的应用

“人形机器人”是一门实践性很强的课程。项目式学习可以大大激发学生的学习兴趣和创造力。为了在有限的课堂時间里，给学生们更多动手实践的机会，教师采用基于PBL的翻转课堂教学模式，这样既能提高课堂效率，也能培养学生的自主学习能力和创新实践能力。[3]

1.课前资源准备与自主学习

要完成“人形机器人”课程的学习，学生需要有一定的视频拍摄和剪辑基础，要了解人形机器人的硬件组成与结构，熟悉人形机器人的操控软件，学会硬件和软件的连接操作，能够熟练调试机器人的基本动作。在课程结束后，学生需要完成机器人微电影的制作。

课程学习路径分为前期准备、中期训练和后期展示三大环节。其中，前期准备工作包括编写微电影脚本、认识机器人的结构和服装道具DIY；中期训练包括机器人动作的调试、微电影拍摄与剪辑；后期展示主要是成果展示和评价交流（如图2）。

在课前，教师针对“人形机器人”课程的学习目标，设计制作一系列微课资源，如教学PPT、微视频、学习任务单等，上传到网络学习平台，供学生进行自主学习。例如，“机器人走路”这一课，教师可以先拍摄一段机器人走路的视频，将原理制作成PPT或动画发布到网络平台，也可以利用微信、QQ等通信交流工具，进行线上的指导与答疑，这一方面可以及时了解学生的学习情况，另一方面也可以发现一些问题，为课堂的实践操作打好基础。

2.课堂动手实践与评价交流

在课堂上，学生是学习的主体，教师是学生活动的设计者与指导者。教师根据学生的特点，将学生以3人一组进行组合，引导学生进行合作探究学习。通过组织一些小组竞技活动，提高课堂的趣味性和学生学习的积极性。每个小组在课堂上都要完成相应的学习任务，并围绕机器人微电影进行自主创作。例如，学习“机器人舞蹈”这一课，在课前，学生们已经了解什么是机器人舞蹈，以及机器人动作调试的基本步骤。课上，教师下发学习任务单（如下页表），学生在明确学习任务后进行实践操作练习。

教师在学生操作过程中，加以鼓励与指导，引导学生以小组为单位，开展机器人斗舞大赛。每个小组在规定时间内完成指定动作的调试和自主动作的设计。学习评价侧重过程性评价。每个小组选一名学生担任评委，对其他小组的机器人舞蹈进行评分。教师针对学生合作学习情况和机器人动作的设计，结合小组评分情况，进行综合评价。

3.课后问题反馈与成果展示

整个课程以机器人微电影制作为主线。教师将学习任务分散到每一堂课当中，关注学生在课堂上实际操作时遇到的困难，并在课后做好问题的记录与总结工作，进一步整理完善教学材料，并形成数字化学习资源。例如，学生在制作机器人微电影过程中，提出要制作一些特殊的效果。由于课堂教学时间的限制，教师针对这一问题，可以将一些拍摄技巧和典型案例制作成微课或教学课件，上传至网络学习中心，供学生学习参考。学生在每堂课结束后，根据自己的学习掌握情况，填写问题反馈表，并完成课后练习。其中，问题反馈表可以记录学生学习的過程，也可以作为活动报告的素材。

课程结束后，每个小组需要提交一个机器人微电影视频和一份活动报告。学习评价的方式为成果展示与答辩。小组一一展示自己的作品，并作简要的说明。评审团由教师和各小组的学生代表组成。评委可以对学生的作品提问，并进行评分。教师还可以根据学生表现和作品情况，设置“最佳导演奖”和“最佳影片”等奖项。

● 影响基于PBL的翻转课堂教学效果的主要因素

1.基于项目的学习任务设计

机器人教学过程中，活动项目的可行性、合理性及趣味性等都会影响教学效果。教师在选择活动项目的时候，要充分考虑学生的生活情境和兴趣爱好，在设计学习任务时，要尽可能符合学生的学习心理与学习特点，可以适当设置一些难度梯度。为了提高学生的学习兴趣和信心，任务的难度在刚开始时不宜过高，可以通过闯关游戏的方式，逐渐提升练习难度，充分调动学生的学习积极性。另外，学习任务要具有可操作性和可检测性。

2.数字化学习资源的构建

数字化学习资源和网络学习是翻转课堂的重要组成部分。资源构建的不合理或不完善都会影响翻转课堂的教学效果。教师需要将一个大的机器人活动项目分解成一个个小项目，再把每个小项目的学习资源构建起来，运用技术手段，形成一系列机器人教学的数字化学习资源。同时，要保证学生能够方便地获取这些学习资源，并在自主学习完成后能够进行自我检测。

3.学生的学习态度与能力

基于PBL的翻转课堂的教学效果与学生的学习态度和能力密不可分。项目式学习对学生的合作探究能力要求比较高，同时，网络学习对学生的自主学习能力与信息技术应用能力有一定的要求。在学生小组合作过程中，教师要明确学生各自的职责，要培养其团队合作意识，绝对不允许出现推卸责任和坐享其成的行为。

● 结束语

在机器人教学中，采用基于PBL的翻转课堂教学模式，有利于培养学生的自主探究能力、创新实践能力与合作交流能力，也有利于提升学生的核心素养。而基于项目的学习任务设计、数字化资源的建构和学生的学习态度与能力是影响该模式教学效果的主要因素。在后续研究中，笔者将进一步探索基于PBL的翻转课堂教学模式下机器人教学的有效性，不断完善教学资源，改进教学设计。