机器人教育中结构创新型教学模式的案例设计与实施

文∣康斯雅 钟柏昌

机器人教育以培养学生的分析能力、创造力和实践能力为目标，具有重要的教育价值与潜能。[1]如何将其教育价值最大化，需要探索合适的教学模式。与传统项目教学模式不同，逆向工程教学模式强调从既有产品或作品开始进行解构、复原和重构，这种模式需要的时间周期较短，对师生能力条件的要求较低，易于设计和实施。[2]通过对逆向工程教学法的教学模式进行研究并分类，确定结构创新型教学模式以培养学生的知识应用能力和创新能力为主要目标，引导学生经历一个对机器人产品进行分解与结构再造的探究过程。在此，我们尝试将该模式应用于小学机器人课堂，探索其具体的实施方法和应用价值，为逆向工程教学模式提供更为丰富的理论基础和实践经验。

一、结构创新型教学模式的特点与意义

(一)结构创新型教学模式的特点

结构创新型教学模式的教育目标重在基础知识和基本技能(简称“双基”)的应用与创新实践，更适用于机器人教学的教学中后期。此模式以学生为主体，教师为主导，基本流程如图1所示。学生首先需要通过试用与感知、分解与观察等过程掌握现有机器人产品的造型搭建要领和相关程序指令，结合过往经验，从结构或功能等方面分析其存在的不足和改进的方向，实现产品的改进。为了完善机器人产品，学生需要将理论知识与实际问题相结合，协作制定解决问题的新方案。

图1 结构创新型教学模式的基本流程

结构再造与测试是教学实施的关键环节，此环节注重机器人产品的“再设计”，机器人产品的“再设计”是指在原有产品的基础上，根据重新设计的方案实现机器人产品或作品的优化。[3]有研究表明，再创作编程制品具有较高的复杂度和难度，学生不仅需要理解已有功能，还需在此基础上考虑如何修改所选的代码段，保留什么、增加或删除程序中的哪些过程、变量。[4]因此，这一过程并非一蹴而就，需要通过迭代测试来完成最终目标，有助于培养学生持续发现问题和解决问题的能力。

(二)在小学机器人教育中应用结构创新型教学模式的意义

1. 为机器人教育的开展提供更多选择

就目前中小学阶段机器人教育的开展情况而言，大多数学校上课使用的教材为自编教材，使用的教学方法为项目教学法、任务驱动法和讲授演示法，以选修课或者社团的形式展开。[5]然而，在极具灵活性和实操性的机器人课堂当中，传统的教学方法在学生创新能力培养方面力有不逮或耗费时间较长，我们需要探寻新的教学模式。将结构创新型教学模式应用于机器人教育，一方面可以充分发挥学生的主观能动性，在教师的引领下实现探究性学习；另一方面可以满足学生的好奇心，在拆装和再设计的过程中激发其学习机器人的兴趣。

2. 着力培养学生的实践创新能力

机器人课堂不同于其他学科，更注重手脑并用；教师一味地灌输知识，学生只能停留在感知层面，只有通过动手操作，学生才能发现并解决问题。在结构创新型教学模式中，学生大部分时间在动手操作，在已有产品的基础上进行程序和硬件的拆分学习。教师引导学生“再设计”机器人产品，不仅有利于培养学生的动手实践能力，更能流畅地导向学生创新能力的培养。然而对于小学生而言，考虑到学习时间、知识储备等因素，不宜将其学习目标设置为重构出高质量、高创新性的机器人产品，更非设计出原创性或颠覆性的成果，而应鼓励学生对已有知识进行适当整合，对现有产品或作品进行结构上的改造或改良，达到微创新水平即可。结构创新型教学模式就是这样一种着眼于培养学生微创新能力的逆向工程教学模式。

二、结构创新型教学模式的教学过程与案例分析

对南京市某小学六年级的机器人课程进行一个学期的教学实验，设计5个教学项目，分别选择不同的逆向工程教学模式。其中，“多功能小车”项目采用了结构创新型教学模式，以该项目为例，介绍如何开展结构创新型教学。

在设计学习活动之前，首先需要分析教学内容和学生学习情况。“多功能小车”项目使用的器材是蓝猫智能小车，如图2所示，编程软件为AS-Block，软件首页如图3所示。教学重点是在理解“第一代多功能小车”造型搭建要领和相关程序指令的基础上，让学生自主设计出个性化的“多功能小车”。教学对象是小学六年级的学生，在之前的项目中，学生已经掌握蓝猫智能小车软件与硬件的基本操作，了解了机器人电机、声音检测、温度检测及超声波等元件的使用方法，正处于本学期机器人学习的后期，适合使用结构创新型教学模式。

图2 蓝猫智能小车

图3 AS-Block软件首页

由于本节课的教学内容涉及旧知识的回顾和新项目的设计，考虑实际教学时间和六年级学生的学习情况，我们计划使用两个课时完成教学。第一课时的主要任务是学生自主解构和复原“第一代多功能小车”，并结合已有知识对其进行“再设计”；第二课时根据“再设计”方案展开实践，主要包括多功能小车的硬件搭建和程序编写，经过迭代测试后进行重构产品的评价与总结。结合两课时的教学需要，在图1的基础上，将整个教学过程分为试用与感知、分解与观察、复原与再设计、制作与测试、评价与总结等五个环节。

(一)试用与感知

试用与感知环节指通过试用一个或多个熟悉的产品或作品，吸引学生注意，激发学习兴趣，形成用户体验并对目标产品的功能、材质和基本构成等形成初步认识，可以分别从造型搭建和程序设计两个方面进行教学。在机器人的造型搭建方面，重点在于通过亲身接触产品，整体把控机器人的造型特征；在机器人的程序设计方面，重点在于通过实际操作测试产品的性能，了解产品的设计意图，猜想实现产品功能可能需要的程序指令和算法，如以下教学片段所示。

【教学片段】

师 ：在前几节课中，我们已经学习了很多有趣的元件，在这节课中，我们要使用这些元件制作一辆多功能小车。请同学们先观看一个视频，观察视频中的小车实现了什么功能。

教师播放视频。

生 ：小车主要实现了车灯交替闪烁的功能。

师 ：你们面前有一辆小车，在此之前老师已经上传了程序，请两人一组，试用这辆小车，并用语言来描述它的功能和特征。

生 ：打开小车开关，试用功能，并填写图4中的“产品的主要功能与特征”。

图4 产品体验与拆分复原记录表

师 ：刚才老师观察了一下同学们填写的表格，大部分同学分析得非常仔细，接下来让我们想一想，这些功能究竟是如何实现的呢？

利用产品分析与复原表来让学生明确本节课的内容。

(二)分解与观察

分解与观察环节是指学生结合逆向思维推测产品的设计方法和过程。在机器人的造型搭建方面，学生可以选择自主或在教师的引导下对机器人进行分解，为了方便教师观察、加深记忆，填写机器人产品的拆分记录表。在机器人的程序设计方面，如果教师选择提供已有程序，则重在理解程序的指令、算法及功能；如果教师没有提供已知程序，则重在使学生根据功能倒推程序。

【教学片段】

师 ：请同学们观察一下车灯交替闪烁的小车，小组讨论并填写元件的连接方法。

生 ：有两个LED灯，分别接在数字3号接0和数字4号接0。

学生填写图4中的“描述硬件拆分的过程”。

师 ：知道了硬件如何连接，那么程序如何编写呢？同学们之前有了一些基础，希望你们发挥自己的想象力，思考一下，将如何编写实现车灯交替闪烁的程序呢？通过小组讨论绘制出流程图。

学生之间讨论，推测LED灯交替闪烁的流程图，填写图4的“程序流程图”。

师 ：要实现这个程序其实并不复杂，用到的都是一些基本的程序指令，老师给大家提示一下，主要有重复执行语句、等待语句和设置LED灯亮灭的语句，推测错误的同学可以再进行思考。

学生继续检查和完善程序流程图。

(三)复原与再设计

在结构再造之前加入产品复原环节，一方面培养学生的动手操作能力，另一方面可以在学习过程中提高学生的自我效能感。结构再造环节是对现有产品进行结构或功能的改造和优化。这一环节通常需要在教师的指导下，先明确现有产品存在的不足或改正之处，哪些要素对机器人产品的结构和功能起关键作用，从而针对相关元素提出修改的方法和原因，形成“再设计”方案。需要注意的是，为培养学生的创新能力，教师在整个教学过程中只能起辅助、激发和引导作用，不可包办学生的设计方案。

【教学片段】

师 ：请同学们打开AS-Block软件，结合你们的程序流程图，编写程序，将它上传至机器人小车，并填写“比较与总结”一栏。

学生编写程序并上传，测试并填写图4中的“比较与总结”。

师 ：同学们都已经复原成功了，下面将进入本节课的重点环节——重新设计“多功能小车”。我们已经学过了机器人电机、声音检测、温度检测、风扇直流电机和超声波等元件，结合这些机器人元件和目前复原好的小车，你想要小车实现什么新的功能呢？需要使用哪些元件以及如何连接呢？请以小组为单位展开设计，填写“产品改造记录表”。需要注意，在考虑可行性的同时尽可能让小车具有多功能性。

学生进行小组讨论，填写表格。(如图5)

教师需要随时检查学生设计的方案是否可行，并提出建设性意见。

图5 产品改造记录表

师 ：刚才老师浏览了各小组的设计记录，大部分小组使用的是已经学过的元件，但是对它们进行了不同的组合，已经完成的小组可以检查并进一步完善，尝试使用一些新的元件；没有做完的小组抓紧时间，下节课我们将参考记录表，完成“多功能小车”的制作。

(四)制作与测试

在制作与测试时，学生需要结合各自“产品改造记录表”的设计方案展开制作活动。在制作过程中会遇到各种各样的问题，学生需要发现问题所在，通过自主思考或询问教师寻求解决办法，以便对产品进行迭代设计与测试。为了充分利用课堂有效时间，维护课堂纪律，教师需要根据上一课时每一小组的方案设计表，在课前准备并下发蓝猫智能小车和各组需要的元件。

【教学片段】

师 ：同学们，上周我们对“多功能小车”进行了改造设计，也许你们已经忘记了自己的设计思路，请同学们拿起面前的“产品改造记录表”，回忆想要实现的功能。

学生浏览表格，回忆设计思路。

师 ：为了节约课堂时间，老师已经下发了你们需要的元件，现在给大家25分钟时间，请同学们以小组为单位，自由安排分工，正式开始制作“多功能小车”。

学生按照设计方案制作和测试“多功能小车”。

教师全程辅助学生，在学生需要时进行答疑解惑。例如，遇到了串口连接问题，三色连接线顺序接反了。遇到了程序编写问题，条件语句的嵌套没有正确使用。

(五)评价与总结

本环节可以从师生两个方面开展评价。一方面，学生需要对重构产品进行自评，如果时间允许，还可以通过产品展示的方式比较重构产品与原始产品的优缺点。另一方面，教师则需要通过课堂观察对学生的表现及小组协作情况进行评价，并结合课堂拆分记录和“再设计”方案等分析重构产品的功能与性能、技术与实现、创意与个性。

【教学片段】

师 ：同学们，在刚才的测试环节，大多数学生完成了硬件搭建和程序设计操作。你们觉得自己设计的作品与原先我们体验过的机器人作品相比有什么优势吗？

表1机器人作品评分表

一级指标二级指标评分得分功能与性能(5分)1.作品能够基本实现预定的功能。(3分)32.作品性能稳定,多次测试使用后仍能稳定运行(2分)25技术与方法(5分)1.能够综合运用所学机器人及其他学科知识制作作品(3分)2.52.能够清晰、准确地描述作品设计方案(2分)24.5创意与个性(10分)1.设计方案在外形、功能或技术方面有新意或有个性(5分)42.作品在外形、功能或技术实现方面有新意或有个性(5分)48

生1 ：我们的作品使用了超声波和风扇直流电机等传感器，更多样、更实用。

生2 ：我们的作品不仅使用了之前学过的几种传感器，还使用了没有学过的蜂鸣器，在检测到距离小于某一值的时候就会播放声音。

师 ：好的，同学们做得都不错，没有完成的同学也请反思一下遇到的问题和解决办法。

学生进行自评，填写图5中的“比较与总结”。

师 ：老师根据大家的设计表和最终呈现的作品，从功能与性能、技术与方法、创意与个性三个维度做了评价(如表1所示)，希望同学们能够继续努力，争取做出更多样有趣的作品。

三、结构创新型教学模式的应用效果与反思

(一)学生的创造力和团队协作能力有所展现

在第一节课中，学生首先经历了小车的拆分复原过程，大部分学生通过自主探究完成了任务，课堂后半部分主要进行了“多功能小车”的再设计，从课堂观察和产品改造记录表来看，学生能够结合自身需要综合运用以往所学知识。在第二节课中，学生根据之前设计思路展开实践，在没有教师提示的情况下，自主分工，团队协作能力增强。总体而言，最终呈现的作品显示大部分学生能够完成项目。不同于传统的教学方式，结构复原型教学模式为学生的创造力、团队协作能力、自主探究能力的培养提供了更多可能。

(二)学生的问题解决能力得到提高

新产品的设计过程并非一气呵成，而是在不断的询问、修改和测试中完成，迭代的测试过程有助于培养学生发现问题、解决问题的能力，同时锻炼学生的逻辑思维能力，使学生能有效地将“双基”与实际应用结合起来。事实正是如此，在制作“多功能小车”的过程中，操作过程没有想象中的顺利，学生遇到了串口连接不好、程序上传不成功、程序编写细节故障等问题，学生需要通过推测问题根源、不断地调整和测试才能完成任务，这个过程有效地培养了学生的迭代意识、动手操作能力和问题解决能力。教师在此过程中主要起引导辅助作用，有针对性地为学生答疑解惑，允许学生结合自身实际情况调整方案，逐步完善设计，从而在增强学生自我效能感的同时也为学生的个性化发展提供了可能。

(三)教学反思与建议

本次实验利用了机器人拆分与改造记录表来辅助教学，有助于教师课后分析学生学习情况，但是在实际教学过程中，会有学生跳过表格填写环节直接进行软硬件操作，虽然完成效果也不错，但无法巩固学习过程，印象不够深刻。通过课后访谈了解到，此类学生认为不需要进行设计，觉得写很多字非常麻烦。针对此类学生，在以后的教学活动中教师需要多加关注，一方面可以提出更高的任务难度要求，另一方面需要进一步提高学生对规范设计意义的认识。

四、小结

就小学生而言，要求他们直接从零起步创造出全新产品，不仅耗费课时长，可行性也较低，这也是传统项目式教学难以真正落地的原因之一。相反，鼓励学生对已有知识进行适当整合，在充分理解和掌握实现现有产品方法的基础上，进行结构上改造和改良，耗时短，还可精准培养学生的操作技能与实践能力，为微创新提供了各种可能，有利于脚踏实地的培养学生的创新意识和创新能力，同时也让学生理解工业生产领域的逆向工程方法以及迭代改进的思维模式。从这个意义上说，结构创新型教学模式不仅重要，而且大有可为。既然这是一种比较新的教学模式，我们希望通过本案例的探索，激发更多教师开展包括结构创新型教学在内的各种逆向工程教学模式的尝试，为机器人教育乃至创客教育、STEM教育提供新的思路和资源。