基于PBL的机器人竞赛教学模式建构*——以“太空挑战普及赛”为例

田木兰 秦 健

（陕西师范大学 教育学院，陕西 西安710062）

一、引言

近几年，随着国家政策的推进，基础教育不断改革，推动我国基础教育信息化的发展，2003年，教育部颁布了《普通高中技术课程标准（实验）》中，把“人工智能初步”、“简易机器人制作”分别纳入到信息技术和通用技术模块中，机器人教育开始进入我国中小学，机器人是一种能够通过程序来控制机器完成任务的机器系统。

随着国家政策的推广，很多学校开展机器人课程，希望学生学习完课程后能参加机器人比赛，取得相应的成绩，但是，目前很多学校无法开展专门的机器人课程，平时学的知识与竞赛内容脱节，甚至有的学校为了比赛专门购买一些操作简单的机器人，比赛之前让学生集训，熟悉后直接参加比赛，这样的行为完全背离了举办机器人竞赛的初衷，学生的各方面能力无法真正得到锻炼，达不到育人的效果。因此，构建出适合机器人竞赛的教学模式成为我国机器人教育领域的重要研究。

二、PBL简介

（一）PBL的概念

PBL 是Problem-Based Learning 的全称，基于问题的学习，由美国Howard Barrows 教授提出来的，他认为PBL既可以作为一门课程又可以作为一个过程。作为课程，教师设计好特定的问题，学生通过完成教师提出来的问题，锻炼解决问题的能力和培养批判思维的能力等；作为一个过程，学生在解决种种问题的过程中可以习得知识和技能，以后遇到同类问题可以将所学习到的知识进行迁移来解决问题。也有国外学者认为，PBL 是一种教学策略，学生以小组的形式解决各种各样的问题，在解决问题的过程中获得知识与技能。

我国研究者认为PBL 是一种教学模式，该模式为学生创设真实且有意义的环境，学生以小组的形式合作解决实际的问题，学生通过解决问题习得知识和技能，并形成科学的思维和解决问题的能力以此解决以后类似的问题，激发学生的学习兴趣并培养学生解决实际问题的能力、创新能力等。

（二）PBL的特点

1.以问题为中心

PBL 教学模式倡导在开始教学之前学生会面临一些待解决的问题，同时这个问题必须是真实的，或者是模拟真实的，与学生的生活实际联系在一起的。学生通过解决问题，并从中学习问题背后的知识和技能。学生在解决这些问题的过程中，通过多渠道来收集信息，最后将各种信息进行筛选并整理，从而得到一个“最佳”的解决方案。

2.小组合作学习

在PBL 教学模式下，学生在解决实际问题时并不是一个人单枪匹马，而是需要建立一个学习小组，在过程中小组成员合理分工，相互协助，共同面对问题，不仅可以锻炼学生的个人能力还可以学习到如何与他人沟通。

3.教师引导，学生主体

在PBL 教学模式中，教师扮演着一个引导者、咨询者的角色，为学生的学习提供咨询服务和指导。学生是学习的主体，自主参与到分组、收集资料、整理资料、实际操作等过程中去，如果在解决实际问题的过程中，学生没有真正参与到解决问题的过程中，该教学模式就失去了意义。

（三）PBL在教育教学中的应用研究

1.国外PBL在教育中的应用研究

通过文献研究发现，PBL 在国外的研究主要体现在四个方面：对学生业绩的研究、对学生态度的研究、对元认知技能的获取和运用方面的研究以及影响PBL 效果的因素研究，虽然目前PBL 逐渐成为热点，但是大多研究处于理论阶段和试验阶段。

2.国内PBL在教育中的应用研究

近几年，国内很多院校也在对PBL 进行研究，一方面进行理性思考，如根据我国的实际情况，将PBL 引入到我国教育应用中来是有良好的应用前景，同时理性思考PBL 是否契合我国的教育发展，和在其他学科进行推广应用。另一方面，研究在其他学科上推广并应用PBL，如借助网络工具和技术，在网络教学实际中应用PBL，结合网络教学环境，探索基于PBL 的教学系统设计的教学流程。

三、太空挑战普及赛简介

西觅亚-“太空挑战普及赛”要求参赛选手使用自己搭建好的机器人，通过自己编程，去完成特定的场地任务，场地任务一共有七个：激活通信、集合队员、解救MSL 机器人、将卫星发射到轨道中、取回岩石样本、保证能源供应、启动发射。要求选手操控机器人从基地出发，在120 秒内完成以上七个任务，每次从基地出发完成任务的次数和顺序不限，但是一旦完成了最后一项任务“启动发射”则视为比赛结束，要求参赛队伍机器人的控制器必须是“EV3 控制器”，其他传感器、电机等必须是乐高系列产品中的组件。基地如图1所示。

图1 基地示意图

四、PBL在机器人学习中的应用

（一）PBL的一般模式

太空挑战赛普及赛中以完成七个任务为目标，在完成挑战任务的过程中，以解决一个一个问题为目的，以小组的形式分析问题，合作解决问题，讨论解决问题的方案，同时在实践中不断改进该方案。学生通过解决问题习得知识和技能，并形成科学的思维和解决问题的能力用以解决以后类似的问题。

结合机器人学习的特点以及太空挑战赛中七个任务的难易程度，将PBL 应用于该过程。笔者通过参考众多研究者的成果，结合自己的一些理解，提出基于PBL学习的一般模式，如图2所示。

图2 基于PBL 的一般模式

根据图2所示，结合太空挑战赛的七个任务，将五个环节解释如下：

1.组建小组，明确分工

PBL 模式中小组成员应能充分发挥出自己的实际水平，组内成员协作解决实际问题，在完成整个比赛的过程中，需要搭建机器，通过编程完成相应的任务。社团里的学生来自不同的年级，在分组之前给学生说明在接下来的课程中分别有：搭建手、编程手、小帮手等三个角色，每一个角色分别要完成哪些任务。学生根据自己的兴趣爱好，分别填写自己想要的角色，然后再将学生分成3-4 人一组，每个小组里必须有：搭建手、编程手以及小帮手等角色。

2.创设情境，提出问题

提出问题，是PBL 中最重要的环节，该问题的好坏直接影响学生的学习效果，在整个学习过程中，每一个任务都会出现不同的问题，同一个任务不同的参数也会出现不同的问题，如何巧妙地提出学生共同出现过的问题，会影响到学生在接下来的学习中是否有兴趣去解决相应的问题。

3.集思广益，设计方案

学生需要掌握一定的知识和技能才能解决实际问题，小组成员根据问题可以搜集资料，通过编程来验证是否能解决该问题。也可以通过小组成员进行头脑风暴，设计解决问题的方案，在这个过程中，教师可以提供适当的帮助也可以引导学生自己探索如何解决问题。如：在完成“激活通信”任务时，小车不借助任何机械臂直接前行，无法将通信推到顶端。

4.合作探究，展示成果

小组成员根据前面的头脑风暴所设计的方案验证方案是否可行，通过分工解决教师所提出来的问题，搭建手负责根据实际问题搭建出合适的机械臂来辅助完成任务，编程手则根据赛台的实际距离来调整程序里的参数，最后需要测试，一方面是测试机械臂是否可行，另一方面是测试程序是否能完成该任务。这个过程不会一次性成功，出现问题后需要针对问题进行不断地调试，经过调整参数完成激活通信。最后每个小组展示自己小组的成果，这里按照比赛的规则，在规定的时间内通过计分来记录每个组的得分情况，以比赛的形式来呈现每个组的成果。

5.总结评价，学生反思

在PBL 中，学生的总结与评价的方式，主要以过程性评价和多元性评价为主，可以就平时准备比赛时出现的问题进行总结，建议每一节课后对本节课所完成的任务和所解决的问题进行总结反思，也可以在比赛后对整个比赛做总结与反思，同时教师要对学生的总结反思作出及时的回馈和评价。

（二）基于PBL的机器人竞赛教学模式

基于PBL 的机器人学习是在真实的问题情境中，以小组的形式解决在完成任务中所遇到的问题，通过解决问题习得知识和技能，并形成科学的思维和解决问题的能力解决以后类似的问题，激发学生的学习兴趣，以此培养学生解决实际问题的能力、创新能力是PBL 的学习目标。从开始准备到比赛结束，整个过程包括三个阶段：赛前、赛中、赛后。结合PBL 教学的特点，以问题为中心，分别从教师、学生层面进行模式的构建，具体的模式如图3所示。

图3 基于PBL 的机器人竞赛教学模式

1.赛前师生角色定位

（1）教师赛前任务

在备赛期间主要是基于PBL 理念开展教学，在整个探索过程中PBL 最大的特点就是以问题为中心，小组协作完成任务。在整个过程中教师扮演引导者的角色，通过创设情境，提出问题，引导学生发现问题、解决问题，总结经验。学生是整个备赛过程的主体，主动对遇到的问题进行探究，通过与小组成员进行讨论设计解决问题的方案，在编程测试的实践中对方案进行修改，形成一个不断更替的循环体。

学习者分析：在组建一个学习小组时要根据学生的实际情况进行分组，每一个学生都有自己擅长且感兴趣的一块，再加上学生是来自不同的年级阶段，需要根据学生的性格特征初步进行分组，确保每个小组有搭建手、编程手、小帮手等，在接下来的教学过程中，教师通过观察学生的行为表现对某些学生进行人员调整，保证最大限度地发挥团队协作能力。

分析赛事规则：首先教师要清楚比赛规则，太空挑战赛有七个任务，除了最后一个“启动发射”是最后一项任务，完成该任务后就不能再进行前面未完成的任务，根据任务的难易程度，对七个任务进行顺序的编排，和学生一起探索先完成什么任务后完成什么任务，在最短的时间内达到最优效果。

创设情境、提出问题：在PBL 中，提出问题是最主要的环节，学生在完成任务的时候教师要随时跟踪，记录学生从搭建、编程到测试出现了哪些问题，根据学生的情况提出需要学生解决的问题，同时学生通过解决该问题能学习到问题背后的知识与技能，将所学到的知识与技能运用到以后的学习中去。教师在学生解决问题的过程中要提供适当的指导帮助学生解决问题。

组织总结并反思：学生完成某一任务或解决某一问题并不是一蹴而就的，都是一个不断错误尝试的过程，搭建好的机械臂也需要根据赛台的实际情况进行调整，同时编程手在编程的时候也是要根据赛台的距离进行调整，这个过程会出现五花八门的问题，教师需要组织学生进行总结，并反思在调试的过程中需要注意哪些问题，总结不仅能让学生对所学到的知识与技能进行梳理还有助于其他学生吸取经验。

（2）学生赛前任务

学生在备赛期间，需要合理分工，组员之间要相互磨合，使团队力量到达最佳。学生在搭建、编程、调试的过程中会遇到很多问题，如：端口插错、程序没有命名、找错程序、电机的参数太大或太小导致距离太长超过目标物或者距离太短机器无法接触到目标物、在基地里没有放置合理位置等问题都会影响到机器完成相应的任务。学生需要针对在练习过程中出现的问题进行讨论，设计解决方案，通过不断调试修改解决问题的方案，最终形成一个完整方案。

学生完成所有任务的调试后需要接受赛前模拟赛，教师按照比赛的流程进行训练，按照比赛规定的时间120 秒，记录学生完成任务的得分，犯规的次数等，学生在紧张的氛围中会表现的跟平时训练的时候不一样，因为紧张会导致记错程序、拿错机械臂、忘记自己完成任务的先后顺序等问题。经过多次模拟后学生的心理素质能得到一定的提升，但是还是无法预测真正比赛的时候会出现什么状况。

2.赛中师生角色定位

（1）赛中教师任务

参加机器人比赛，特别是对于第一次参加比赛的学生来说，挑战很大，因为教练无法进入到比赛现场，不知道赛场上会出现什么状况，平时训练的时候出现问题有教练在场，真正比赛的时候出现问题需要学生自己解决，这个时候最能锻炼学生，学生也能在比赛的过程中成长起来。在学生比赛的时候教师需要做好“后勤保障”人员的工作，鼓励学生树立信心。

（2）赛中学生任务

学生在比赛的过程中，要做到与小组成员齐心协力，出现问题时要团结一致，沉着应对比赛，同时要做到文明参赛，要约束好自己的行为。

3.赛后师生角色定位

（1）赛后教师任务

在学生完成比赛后，无论结果如何，教师需要和学生一起总结反思，引导学生总结自己从备赛到比赛结束，自己有什么收获，在比赛的过程中通过观看别人的比赛自己学到了什么，同时反思自己在比赛的时候出现了什么问题，下次怎么做可以避开类似问题或者下次怎么做能解决这类问题。教师记录学生的总结和反思，备份归档，为下一轮的比赛打基础。

（2）赛后学生任务

学生完成比赛后需要总结并反思自己从备赛到比赛学到了什么，比赛的时候出现了什么问题，通过观看别人的比赛自己有哪些地方有待改进等。

五、基于PBL的机器人学习的建议

（一）将问题分解成螺旋式上升的小任务

太空挑战赛是一个完整的大项目，从“激活通信”到最后“启动发射”一共七个任务。在准备比赛时学生不可能做到一次性完成所有的任务，教师需要根据学生的实际情况以及结合备赛时间，将七个任务分解成单个小任务，同一个小任务也分解成几个螺旋式上升的小步骤，学生由简到难，逐步解决一个个问题，引导学生完成整个比赛。学生在测试的时候遇到问题容易混乱不知道该怎么解决，这个时候需要教师引导学生发现问题，将问题拆分成单个小问题，学生解决单个小问题既容易又有信心完成接下来的任务。

（二）创设良好的学习环境

太空挑战赛的完成需要有良好的环境支持，需要有一个符合比赛的赛台，同时需要搭建区、编程区、工具区等场地的配合。搭建区：需要有桌子供学生搭建；编程区：需要配备相应的电脑，电脑上要安装编程软件提供学生实际操作；工具区：需要有配套的零件，包括下载线，装机器和机械臂的盒子。

（三）引导学生学会反思

在准备太空挑战赛的过程中，教师要引导学生进行反思总结，每个组都会遇到各式各样的问题，每解决一个问题，要反思问题出在哪里，是怎么解决的，下次怎样做可以避开这类问题；学生每完成一个任务进行一次反思，通过不断反思，形成生成性的学习资源，为以后的学习奠定基础，最终完成所有任务。

（四）合理分配学习小组

在PBL 的学习过程中，学习小组一般3-4 人一组，成员合理分工协助完成任务，整个比赛需要搭建手、编程手、小帮手，所以每个组至少需要有3 人。通过小组合作学习发现不同年龄阶段的学生一起合作学习，一开始会有分歧，学生之间也会闹矛盾，经过不断地磨合，学生之间的合作意识逐渐加强，能锻炼学生和不同年龄阶段的学生的交流合作。

（五）鼓励学生学会分享

基于问题的学习，要求学生在真实的问题情境中，解决实际遇到的问题，而每个组遇到的问题不同，正如萧伯纳所说：“你有一个苹果，我有一个苹果，彼此交换，仍有一个苹果，但是你有一个思想，我有一个思想，彼此交换思想，我们就有了两种思想，甚至更多”，鼓励每个小组分享本组的问题以及解决问题的方法，将想法与他人共享，共同进步。

六、结束语

基于问题的学习（PBL）机器人竞赛教学模式的建构，为机器人的比赛过程提供参考，对于学生和从事该领域的教师具有一定的意义。笔者在S 小学担任机器人教师时，利用PBL 教学模式，通过小组合作解决备赛期间所遇到的问题，学生在这个过程中习得机器人搭建、编程、调试等知识与技能，培养了学生解决问题的能力、合作交流能力以及创新能力。