基于设计型学习的机器人竞赛教学设计与实践

罗倩茹 秦健 刘全铭

摘 要：设计型学习强调通过分析、设计、开发和实施的反复循环来改进教育实践，其理念与机器人竞赛的备赛过程一致，因此，可采用DBL的理念开展机器人竞赛的教学过程。本文主要针对机器人竞赛的课堂教学设计，在深入了解众多中小学机器人教学方式的基础上，查阅了国内外相关文献，并结合笔者连续两年深入中小学指导学生参加FLL工程挑战赛的实践经验，不断改进教学策略，以期为一线教师机器人竞赛教学的开展提供参考。

关键词：机器人竞赛;教学设计;设计型学习;FLL工程挑战赛

中图分类号：G4 文献标志码：A 文章编号：2096-0069（2020）01-0072-04

引言

2017 年，国务院印发《新一代人工智能发展规划》， 要求我国中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育。机器人课程作为人工智能教育的入门课程，受到大家的广泛关注。这为从小学开始开设机器人课程，落实STEAM教育理念中的跨学科教育和科学素养提供了最佳入口，由此，机器人教育再度成为教育热点[1]。

一、小学机器人竞赛现状

随着机器人教育的不断发展，机器人竞赛的项目也不断增多。机器人竞赛能够激发学生对工程技术的学习兴趣，培养学生的创新意识、动手实践能力和团队精神，提高科学素质，养成面对真实问题的解决思路与方案。所以大多数开设机器人课程的中小学都会组织学校参加机器人相关比赛。然而在以机器人竞赛为主题的教学过程中存在机器人教学方法更新不到位，“以赛促学”的模式没有得到合理的应用等问题[2]。那么在机器人竞赛的教学过程中，教师应该采用什么样的教学模式，如何充分调动学生的自主探究性成为我们关注的焦点。

二、以机器人竞赛为主题的教学设计与实践

（一）教学目标

学生能够应用自己已有的搭建、编程等基础知识，完成FLL工程挑战赛中的任务，以赛促学，在完成任务的过程中培养学生的创新意识、动手实践能力和团队精神。

（二）学习者特征分析

S小学机器人社团的学生都处于四、五年级，并且在校内社团中已经进行过为期一年的学习，对机器人的搭建、编程等基础知识有了一定的掌握。随着一年的学习，学生的兴趣、偏好都发生了很大的变化，总的来说，分为两大类，第一类的学生喜欢搭建，第二类的学生喜欢编程。综合学生的兴趣、协作配合的能力对学生进行了分组。

（三）教学内容

2019年FLL工程挑战赛“太空之旅”，共包含15个任务，部分任务中含有三个小任务，每个任务中都有特定的规则、得分方式。以任务M01启动太空旅行为例，该任务中共包含三个小任务：让车辆载荷滑下太空之旅轨道（22分）;让补给载荷滑下太空之旅轨道（14分）;让成员载荷滑下太空之旅轨道（10分）。初始状态：第一个载荷是预先放置好的，机器人需要把另外两个载荷装到基座上。得分要求启动每一个有效载荷，使之明显地从太空之旅坡道向下滑动，对于每一次滑动，在到达第一个轨道连接处时，小车必须是独立行进的。本节课选取任务M01中的第一个任务为教学内容。

（四）教学重难点

设计型教学模式精确应用，师生角色的准确定位，把握什么时候应该让学生自己动手做，發挥学生的创造力，什么时候教师应该进行干预，引导学生不要偏离主题，并辅助学生解决问题。

（五）教学策略

采用设计型学习的教育理念，以机器人竞赛的特定任务为项目，以学生的自主探究和协作学习的方式为主导，教师作为整个教学过程中的组织者和引导者，帮助学生定好学习过程的整体步调并辅助学生解决问题。学生作为学习的主动探究者，通过协作探究、设计方案、动手实践、任务展示、发现问题、总结凝练、方案迭代形成一个不断设计与再设计的循环，教师通过分组协作、答疑解惑、跟踪引导和评价反馈等方式组织教学。

（六）教学过程与实践

1.解读规则，制定方案

教师解读规则：在启动太空旅行的项目中，共有三个小任务，其中车辆载荷任务最简单，得分最高。车辆载荷是预先放置到轨道上方，机器人需要将基座抬起，让车辆载荷滑入太空之旅轨道，并且在到达第一个轨道连接处时，小车必须独立行进，可以采用机械臂将基座抬起的方法完成这个任务。

学生讨论，制定方案：

A组学生：可以用一个有135度倾角的梁，然后用一个中型电机，起始位置往下一些，等小车走到基座那里后，让中型电机抬起那个梁就可以了。

B组学生：如果是有倾角的梁那是不是就可以不用中型电机了，小车可以多往前走一些，基座会随着倾角的增高，就可以直接把基座抬起。

2.机型设计，搭建机器

教师：引导学生，帮助学生解决搭建过程中遇到的基础性问题，引导组内学生之间进行合理的分工与协作。搭建时需要去场地上测试，手动测试一下能否完成这个任务，如果不能，应该怎么修改结构，才能让机器更好地完成任务。

学生：搭建基础小车，在基础小车的基础上增加中型电机，完成任务一的机械臂。

3.程序设计，编写程序

教师：告诉学生主要的步骤。第一，设计程序的路线。第二，测量机器从初始状态到终止状态的距离，由于场地图纸是恒定的，场地上的任务模型的位置也是恒定的，小车必须从基地出发，当小车在基地的初始位置确定好后，基地距离任务模型的距离也就确定了。首先要进行的是对初始位置到终止位置距离的测量，测量方法有两种，第一种是使用主控直接测量，第二种是使用电脑辅助的方式间接测量。在测量时，让小车从基地的初始位置出发，按照设计的路线从起始状态到终止状态全部模拟一遍，记录所有电机以及传感器的变化。第三，利用测量的值初步编写程序。第四，调试程序，通过测试机器在场地中真实运行的情况，将程序中的值调试准确。

学生：采用老师教授的方法，在测值、编程、调试这几个环节中组内成员明确分工，相互配合，完成程序的编写与调试;在测值时，一个成员负责测试，一个成员负责记录;在编程时一个成员负责编程，一个成员负责查找记录的数值并且核对编写的程序;在调试时，一个成员在基地负责摆位，保证每次出发的起点不变，一个成员负责在机器完成任务的位置观察机器在完成任务时出现的问题。

4.调试机器，修改方案

教师：在调试机器时会发现很多问题，很多的问题只需要修改一个小结构就能够解决，但是如果用程序去解决，就需要付出双倍的工作量，因此，在调试机器的过程中发现了什么问题先引导学生想一想能否通过修改结构去解决，如果结构无法解决，那么程序上哪里出现了问题，应该如何去修改。每次引导学生发现在调试过程中出现的问题，并提供一些可参考的解决方案。

学生：根据调试观察到的问题，小组讨论解决办法，解决方案可以有很多种，但是主要就是两大类，一类是结构问题，一类是程序问题，结构没有最好的结构，只有更优的结构，同样程序也没有最好的程序，只有更优的程序。尽可能多地想出所有的解决方案。

教师：根据学生想到的解决方案，带领学生一起分析每种解决方案的优缺点，鼓励学生尽可能多地尝试多种解决方案，分析时需要告诉学生哪种方案比较费时间，哪种方案执行起来难度较大，哪种方案是比较适合他们的解决方法。但是教师的这些分析只是建议，引导学生学会解决问题的思维，只是自己进行的一个预先的评估，会有主观因素加进去，在条件允许的范围之内尽可能鼓励学生多尝试，自己找最优的解决方案。

以第一组为例，在原方案的基础上进行了二次修改。第一次测试存在问题：机械臂的梁容易摩擦到地面，修改方案：将原有机械臂的倾角由朝下改为朝上。第二次修改方案：在完成车辆载荷任务同时完成补给载荷，这样可以节省大量时间。

5.小组汇报，展示成果

各小组成员之间进行汇报展示，每个小组从机器的设计、程序的编写、组内的分工、自己方案的优势等方面进行汇报展示，并且用机器在现场进行演示。各个小组在听取其他小组汇报的同时，反思自己的方案存在哪些问题，可以从其他小组学习到什么，其他小组是否存在问题，你是否能给他们小组更好的修改建议。

（七）教学反思

教师在指导学生备赛过程中，首先需要进行整体规划布局，即解读规则、制定策略，告诉学生哪个任务优先做，哪个任务最后做;其次，引导学生完成某个具体的任务：学生在完成某一个具体的任务时会遇到很多问题，问题最多的是不会调试，搭完一个东西后就不会再去改，教师要在这个过程中教会学生去调试程序，及时发现问题并让学生发现问题，给他们一些解决问题的建议，当他们发现问题后，可能会想出比你的想法更好的解决问题的方案;最后也是最重要的一点是引导学生学会思考，学生在做的过程中会有很多想法，有的是关于策略的，有的是关于任务完成方案的，你需要及时告诉他这个想法可行不可行，可行的鼓励支持并给他建议，不可行的首先告诉他他的想法会存在什么问题，引导他进行思考，并给他一个更好的方案让他参考，引导他分析这两个方案各有什么优缺点，并鼓励他思考一个更完善的方案。

三、基于DBL的机器人竞赛教学过程的建议

（一）贯穿DBL教育理念

机器人竞赛的备赛过程与DBL的理念一致，教师可以在机器人竞赛的教学过程中贯穿DBL的教育理念，从而提高学生的创新能力和动手实践能力，培养学生在面对真实问题时的问题解决能力。

（二）鼓励学生大胆创新

学生的想法和创新能力远远超过教师，教师需要鼓励学生大胆去尝试，不要扼杀学生的想法，并引导他们一步步将创意变为看得见摸得着的实物。

（三）不要代替学生完成比赛任务

竞赛不仅仅是为了取得成绩，更重要的是备赛过程中学生的成长和收获。在备赛时，教师尽量不要代替学生去完成比赛任务，可以采用引导的方式，在关键问题上给予学生点拨，让学生尝试自己解决问题。

参考文献

[1]王学男，林众，朱慧.基于科学素养的机器人教育與人才培养：访清华大学人工智能研究院院长张钹院士[J].中国电化教育，2019（6）：1-5+36.

[2]卢晓琦，秦健.基于STEAM理念的小学机器人项目教学实践：以LEGO机器人“驾考宝典”项目为例[J].中小学电教，2018（Z2）：76-79.

The Teaching Design and Practice of Robot Competition Based on Design-type Learning

—Taking“Journey into Space”in 2019 FLL Engineering

Challenge as an Example

LUO Qianru1，QIN Jian1，LIU Quanming2

（1.College of Education，Shaanxi Normal University，Xian，Shaanxi，China 710062;

2.The High School Affiliated to Xian Jiaotong University，Xian，Shaanxi，China 710048）

Abstract： Design-type learning emphasizes repetitive circulating to improve education practice through analysis，design，development and implementation，the idea of which coordinates with the preparing of robot competition.So，the idea of DBL can be adopted to apply to the teaching process of robot competition.Aiming at the classroom teaching design of robot competition，this writer，on the basis of a deep understanding of many robot teaching methods in primary and secondary schools，has looked up related literature at home and abroad，combining two yearspractical experiences of directing primary and secondary students to participate FLL Engineering Challenge，and improved teaching strategies constantly，hoping to provide reference to the carrying out of robot competition teaching of frontline teachers.

Key words： robot competition;teaching design;design-type learning;FLL Engineering Challenge