基于设计思维的机器人教学模型设计及应用研究

龙周萍 吴贵春 董晓婧

关键词：设计思维；机器人教育；教学模型

1 引言

我国教育十分注重培养学生的创新精神和能力[1]，机器人教育等课程等作为重要载体受到高度关注[2]。但很多学校和教师缺乏明确的参照而导致对机器人教育的浅层解读，易出现教师围绕预定目标，机械地“演示模仿”“按图索骥”，弱化了机器人教育的教学效果[3]。

设计思维作为一种以人为本、对复杂问题进行创新解决的方法，将其融入机器人教学中有望消弭机器人教学中存在的弊端。基于此，本研究融合设计思维的思想以及过程模型，设计机器人教学模型和师生活动，并在真实情景应用、具体的实践案例实施的基础上总结归纳相关策略，以期为开展机器人教育的教师提供借鉴。

2 教学模型设计的理论基础

2.1 设计思维和机器人教育之内涵

机器人教育指以机器人为教学内容或教学工具而开展的教学活动。教育机器人是面向教育领域专门研发的，以培养学生的分析能力、创造能力和实践能力为目标的机器人[4]，具有教学适用性、交互性、开放性、可扩展性等特点[5]。设计思维以创新地解决问题为核心，其思想诞生并出现该词后[6]，被人们广泛应用在多个领域来解决各种复杂问题，并产生了多种理解。从教育立场出发，本研究将设计思维解释为坚持学生为主体的原则，将创新作为教学核心理念和学生知识建构导向，以真实项目驱动学生在面临实际问题情景中以团结协作的方式构思、设计、实施问题解决方案，并最终完成创意作品、提升问题解决能力的一种方法论。

设计思维和机器人教育都旨在促进学生真实问题的解决能力，并在过程中提升学生的综合素养。机器人教育是在真实情境中、借助有形载体开展的一种教学实践交互活动，而设计思维则是根据实践和经验而抽象出的规律和方法，这其中主要蕴含着创新的理念和思想。二者融合是实践与理论的交互，以设计思维引领机器人教学实践，是机器人教学的创新尝试，有望改进传统机器人教学中存在的不足。

2.2 设计思维过程模型分析

设计思维本身作为抽象的存在而非实体一样能轻易被感知，为使在问题解决的过程中能有效运用设计思维，很多研究者提出了设计思维的过程模型以支持人们的创新活动。其中比较著名的就有EDIPT模型[7]、3I模型[8]、IDEO设计思维框架等[9]。模型的对比分析，如图1所示，有助于发现模型的共性、差异和特点，为教学模型的设计奠定基础。

1）模型的共性分析

从构思到实施，作为设计思维过程核心部分，是面临真实情境问题时将思维外显化，借助有形载体验证想法并试图解决问题的过程。“构思”即想法生成过程，通常是一个集思广益的过程，发挥团体智慧往往能得到更有效的结果，精心组织的思维活动和设计思维支架有助于提升个体积极态度、团队有效合作交流，产生很多的想法。“实施”即是将想法落地的过程。通过对所构思的各种想法进行对比分析，选择最佳想法作为最终解决方案，并根据最佳想法快速制作原型，3D打印、手绘图、故事情境、模型等是此阶段常用的表现形式，同时为得到更加完善的模型或更优的解决方案，往往伴随着多轮的测试、修正。

2）模型的差异分析

模型结构上，结合真实情境及构思到实施过程的复杂性，3I 模型采用的循环结构比EDIPT 模型和IDEO 框架的线性结构更符合问题解决的特征和过程。

构成要素上，三类模型中“共情”“发现”“灵感”都表示发现问题，是想法生成的基础。相对于3I模型，EDPIT 和IDEO 两个模型在构思前分别有“定义”和“解释”部分。“定义”即对移情阶段收集的信息进一步分析、整合，并在众多的信息汇总设计问题，可用五问法、Pov、KJ法等工具包进行支持。“解释”即通过分享、分类及凝聚思想等，找到一个合适的设计机会点和明确的构思方向，将问题变为可行的设计挑战机会。二者均是旨在进一步明晰问题、分析问题特征，以便于确定解决问题的方案。此外，EDPIT、IDEO模型还分别考虑了对方案的“测试”和“改进”。“测试”是对解决方案或者根据目标功能要求进行不断地应用和调整。“改进”即对之前想法的進一步发展演化，除对不足的调整外，还应进行不断横向拓展延伸或者纵向深化以应对更高阶问题的解决。

通过设计思维过程模型的特点分析及结合教育情境，总结出教学模型应具有以下特点：第一，以学生为主体；第二，以解决真实情境中真实问题为导向；第三，注重思维工具和方法对学生创新思考和实践的支持作用；第四，重视作品的迭代改进过程；第五，注重拓展延伸，促进学习深化和泛化。此外，还应综合考虑各要素对教学过程表达的适切性和相互之间的衔接。

3 教学模型和师生活动设计

基于设计思维过程模型分析及教学模型特点总结、结合实际教学情境和借鉴相关教学模型[10]，将发现问题、定义问题、创意构想、方案实施和原型制作、评价改进、拓展延伸作为模型的基本要素，采用整体循环加局部线性的结构。此外，为教师有效地应用此模型，还详细设计教师和学生在每个阶段的活动设计及可能或比较合适的工具、方法，体现出活动中教师对学生产生的主要影响。如图2所示。

发现问题是机器人教学的基础，问题解决贯穿教学始终，驱动着整个教学过程的开展。在此阶段教师发挥着至关重要的作用，是否能将学生带入问题解决情境影响着后续教学过程的教学效益，教师通过故事法等创设合适的关联情境、呈现比较典型的资源或通过话语促进学生回忆经验，引导学生观察、联想、分析，识别需要解决的问题领域。

清晰地对问题进行定义利于构思有效解决方案。问题的清晰程度与相应的解决方案的多样化程度具有很大的相关性，问题越清晰，方案选择越多，多样方案的可行度、执行效率等对比，才能得出较优的实施计划。此阶段，教师可采用思维导图等工具帮助学生系统性了解问题解决所需要的背景知识，通过5W法提升学生对预设情境分析的深度、提供必要资源以及采用Pov法帮助学生描述问题，为思考和优化解决方案奠定基础。

创意构想是在明确问题的基础上思考问题解决方案的过程，也是决定作品质量高低的关键阶段。教师作为课堂活动的组织者，可通过组织头脑风暴、六顶帽子、世界咖啡等思维活动营造一种宽松、自由、接纳度高的学习氛围，鼓励学生积极思考、分享交流，激发学生的发散性思维和聚合性思维，引導学生探索更多的新想法和新方案，形成各具风格与特色的方案与创意。作为指导者，学生在集思广益的过程中可能因背景知识的记忆和掌握不牢固而出现卡壳，教师要及时发现并予以提示，启发学生灵感。

方案实施与原型制作是将筛选出的最优方案转为实际成果的过程。在此阶段，学生根据设计好的实验方案绘制相应的草图、流程图，深入明晰问题解决的实际操作过程，进而利用现有的教育机器人部件搭建目标机器人，编写相应的功能程序。教师在此过程中，应根据学生的学习基础，引导学生自主实践探索的同时，对某些重难点的关键步骤进行演示；此外，还应实时监督学生任务完成情况，及时予以调整和反馈。

评价改进是对问题解决过程反思的过程，通过多次对完成的作品的修改与评价，提高创意作品的质量。教师可组织学生以小组为单位进行作品展示，采取多主体评价、多评价方式结合，对学生的表现及作品质量展开全面的评价、反馈，帮助学生迭代改进和完善作品。有时还要回溯整个问题解决过程，让学生分享作品的设计意图、设计过程及在创作中遇到的问题以及如何构思相应的解决方案，总结成功和失败的经验，归纳同类问题解决一般规律，升华机器人教学的价值和意义。

拓展延伸主要是以一次问题解决过程为基础帮助学生深化、迁移问题解决能力。作品的制作完成并不意味着活动结束，而是下一次情境更广、难度更高的问题解决的开始，拓展学习也为学生提供了多样化的探索机会。教师当以一次问题解决为节点，运用思维导图等工具加强引导，运用联想法对课堂所创设的教学情境进一步延伸，提出更高的目标与挑战。可纵向延伸，促进知识深化，鼓励完成难度更高的任务，或将积累的知识和经验迁移到其他问题解决的情境中加以运用。促进不断循环问题解决过程发生，帮助学生往更高更远的方向发展。

4 基于设计思维的机器人教学案例

本研究选取粤版教材小学六年级上册信息技术课本《自动避障机器人》中的“智能消毒机器人”一例进行教学活动设计作为实例参考。通过“智能消毒机器人”的设计与制作，帮助学生掌握“条件判断”语句的使用，培养学生的设计思维、逻辑思维，提升学生解决真实问题的能力。

4.1 发现问题，理解挑战

情景故事导入，呈现任务背景。“同学们，日常生活中有哪些机器人为我们服务呢？”学生基于经验展开讨论，初步感知机器人的发展给人类社会生活带来的便利。引导观察视频媒体，理解挑战。播放校园防疫的视频短片，引导学生认识到要提高自身的防护意识，并结合学生校园生活体验，让学生思考：“进校园前，同学们都要在学校门口消毒洗手，为了避免消毒时手部时交叉感染，我们能不能设计一个机器人帮我们实现无接触消毒呢？”。图形工具支持，强化任务理解。组织学生绘制同理心地图，帮助学生从说、想、做、感四个角度认识制作“智能消毒机器人”的价值。如图3所示。

4.2 定义问题，明确任务

知识讲解，增加学生知识储备以应对复杂问题。结合案例讲解条件判断模块的格式、判断条件的值以及红外避障传感器的功能和工作原理等知识。5W法具体分析问题要素。“制作智能消毒机器人的部件我们有使用过，开始之前，大家想一下，应该是谁（who）去做？做什么（what）？用什么（which）去做？怎么（how）做？做了后给谁（whom）用？”，以此帮助学生对自己将要解决的问题和设计作品从需要达到的目标、采用的工具、方法及目标对象特点等进行全方位考虑。提供资源，支持学生收集资料和定义具体问题。在提供相关资源和网站帮助学生获取所需知识，发放Pov 问题定义表，即“面对……的问题，我们需要做……，因为……对于解决这个问题是至关重要的”。引导学生对信息进行归纳整合，讨论如何解决关键问题。如“如何搭建智能消毒液装置？”“智能喷洒消毒液实现的流程图？”“怎样编写自动喷出消毒液的功能的程序？”“有哪些额外的注意事项？”。

4.3 创意构想，头脑风暴

组织头脑风暴，寻找多样、创新解决方案。组织学生以4人为单位开展合作学习，引导学生在头脑风暴的思维活动中针对界定出来的问题积极讨论智能消毒机器人的方案，并强调创意想法数量重于质量、不评判、不议论、不反复解释等原则。为避免学生的讨论围绕简单、表象的问题开展，教师可从功能性（要实现什么样的功能？有哪些部件组合能实现类似的功能？不同的组合差异在哪？）、丰富性（怎样在实现功能的基础上让机器人更好看？是否能添加一些其他效果，如提示灯等）、执行效率（讨论出多种方案以后，在不同的环境下哪种方案合适？）等方面进行提示。最后，学生在交互分享的过程中激发想象力、锻炼创造力、产生多样化创意想法，发挥集体的智慧，探索出一个组内认可的、最有价值的方案。

4.4 方案实施，原型制作

关键演示，厘清重难点。教师展示智能消毒机器人模型样貌，演示自动喷洒消毒液的过程，展示条件判断等关键语句的调用方式。组织实践，监督反馈。教师组织学生进行实践操作，指导学生对智能消毒机器人制作的任务分配，小组成员依据最优方案完成项目的制作，其中2人进行机器人硬件的搭建，2人负责编写机器人实现自动喷洒消毒液的程序，学生可采用流程图进行辅助。在初步完成机器人搭建和程序编写的工作后，体验作品功能，并借助教师提供的机器人测试过程中可能遇到的状况清单进行调整。教师及时监督，帮助学生分析存在的问题及原因，不断测试、调整、优化，直至机器人按照设想实现自动喷洒的功能。

4.5 评价改进，反馈学习

组织展示，分享创意。组织学生分享与展示小组合作设计的智能消毒机器人，以评促改，在评价中不断修正和完善作品，迭代优化。小组代表介绍整个智能消毒机器人的设计意图与创新点、元件链接、程序设计，以及小组成员合作解决问题的思路、过程、方法。通过小组间的分享，让各个团队间取长补短，促进思维碰撞，将自身的机器人作品进行优化与完善。教学反思、交流评价。在这个阶段，通过师生评价，予以各小组成员鼓励，增强学生学习动机，小组在交流问题解决方案中相互促进成长。教师也能回顾反思教学过程，发现教学不足并及时调整改进，教师和学生在评价他人的同时，也伴随着自评和自我成长。

4.6 拓展延伸，迭代循环

课堂问题解决延伸。延伸生活情境，提出更具有挑战性的任务，培养学生创新思维，“能否为智能消毒機器人增添多一些功能，使其更便捷、更人性化？”。指导学生利用红外避障传感器，还能加入声音、温度、光感等传感器，完善智能消毒机器人，丰富机器人的功能性、实用性。归纳问题解决的一般过程，促进学生问题解决能力深化泛化和问题解决过程循环。教育不仅仅是培养学生特定问题的解决能力，而是要通过特定的问题解决上升抽象到一般性的问题解决中去。如“自动喷洒这个装置还可以用来做什么呢？”帮助学生迁移问题解决能力；“智能消毒机器人有些元件安装不易，我们可不可以自己设计一个替代元件？”促进问题解决能力深化发展。总之，一次问题解决的完成是下一次问题解决的开始，学生的成长是在一次又一次的问题解决中发生的，而且每次问题解决都是在之前的经验基础之上。

5 融入设计思维的机器人教学策略

从教学模型和案例不难看出，融合设计思维的机器人教学过程聚焦于在教师的引领下对学生问题解决能力的培养，教学中教师应当注重围绕问题解决的教学策略运用。

发掘现实需求，提升问题发现意识。教育不能脱离现实环境，不能孤立地、抽象地训练学习者的思维力[11]。真实情境既是问题的来源，也是问题解决的基石，教育是社会生活的一部分，与其他的生活情境联系。教师应当结合学生整体生活情境，与学生发生共情，在学生的问题解决的需求基础之上设计教学，不仅能有效体现学习的现实意义，增强学生学习内驱力，还能提升学生善于从生活中发现问题的意识。

提供创意支架，注重问题解决过程。学生的问题解决过程是基于所学知识及经验展开的，当面临新的问题情境时，学生的知识经验通常不能很好地支持问题解决，因此，教师应提供丰富的学习支架与工具促进有效学习的发生[12]。在基于各式各样的支架开展机器人教学过程中，学生不断产生新的想法、创意，不断进行设计、实验，从大问题框架下不断发现新的小问题并主动寻求解决，从而实现在问题解决过程中学习、成长，而并非完成统一的作品。

强调迭代循环，提高问题解决能力。身处于真实情境中，就不能和问题解决脱离开来，一次问题的解决需要多次构想、实践，而解决一个问题也是新情境问题、难度更高的问题解决的开始，而问题解决的一般规律是相对不变的。在融入设计思维的课程中，强调学生在设计过程中针对发现的问题不断地对方案进行测试、反馈和改进，此外，更需要教师加强引导，形成问题发现与解决的迭代循环，帮助学生不断提升发现问题意识和问题解决的能力，在终身学习理念倡导下，逐渐实现自我价值。

6 结束语

本研究基于设计思维的思想和模型设计了机器人教育教学模型，在实际应用的基础上总结了应当注重培养学生问题解决能力的教学策略，为广大教师开展机器人教育提供借鉴。但涉及模型的理论基础尚显薄弱，模型的实际应用也缺乏多轮验证与迭代改进，但发展就是不断地探索和调整的过程，文中的模型可作为机器人教育教学参照，教学中还应结合实际进行补充和调整。最后，也希望更多的教育者、研究者投身到创新教育的探索中，积极尝试将创新的思想运用到各类教育教学实践，提出更多、更好的方案和模型，促进我国教育发展。