PBL教學法在機器人實踐教學中的應用探索

摘要：機器人實訓是新形勢下機械、電子類專業實踐教學環節中的一個重要組成部分。根據機器人實訓的教學大綱要求，在機器人實踐教學過程中，借鑒近40年來國際醫學教育界廣泛推廣的PBL（Problem-based learning）教學法。從PBL教學設計、總體思路、教學各主要環節的實施及各環節因素對PBL教學法教學效果的影響幾方面進行了教學探索。

關鍵詞：機器人實訓；PBL教學法；實踐教學；教學探索

作者簡介：孫祎英（1969-），女，陜西乾縣人，石家莊鐵道大學工程訓練中心，助理工程師；王翠艷（1979-），女，黑龍江雞西人，石家莊鐵道大學國資處，講師。（河北 石家莊 050043）

基金項目：本文系石家莊鐵道大學“十二五”教育科學研究規劃課題“工程訓練中心創新訓練模式研究”（項目編號：110217）的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）23-0094-02

21世紀初，各高校應國家相關政策紛紛將校辦企業與實習工廠合并為工程訓練中心或實訓中心，整合后的工程訓練中心或實訓中心成為高校培養學生實踐能力和創新精神的重要基地。為實現高校培養創新型、研究型人才的戰略目標，實踐教學不能再沿襲傳統的指導教師講解、示范和學生模仿操作的方法，由于這種方法傾向于“單邊”[1]的求同思維，啟發學生思考問題和提出問題不夠，學生發現問題、研究和解決問題的意識普遍較弱，學生的求異思維沒有被調動起來，缺乏理論聯系實踐的思考和創新。近幾年我們在機器人實踐教學中借鑒近40年來國際醫學教育界廣泛推廣的PBL教學法，對在機器人實踐教學中引入PBL教學法做了有益的探索。

一、機器人實訓的性質、目的及任務

機器人實訓課程是工科學生理論與實踐、學科與學科相結合、著重提高學生創新實踐能力的重要的實踐型選修課。目的是通過一系列項目的實訓，學生能夠獨立完成從最初的依賴指導說明書完成結構組裝、控制電路的搭建，實現編程控制，初步了解機器人的自動控制原理，到電路創新、程序創新，使機器人具備身處較復雜環境的識別與決策能力，實現靈敏、安全導航。不但培養學生實踐動手能力，而且重在激發學生的創新潛能和今后專業學習的興趣。

二、PBL教學總體思路

1.PBL教學法簡介

PBL（Problem-based learning）教學法也稱基于問題的教學方法或問題導向教學，是美國哈佛大學神經病學教授Barrow于1996年首創。它以“發現問題”為學習的起點，以“合作學習”為中期運作模式，最終達到“解決問題”的目的。PBL教學法旨在培養學生靈活運用知識的能力、自主學習的能力、合作學習的能力和良好的表達能力，為培養創新型、研究型人才奠定基礎。該方法有別于傳統教學中以教師講授為主的模式，它強調：以問題為基礎；以學生的主動學習為主，淡化教師的主導地位；以小組討論與合作為主要學習形式。自從提出以來已成為近40年醫學教育界廣泛推廣的教學法之一。[2]

2.實訓教學中引入PBL教學的總體思路

根據PBL教學法的上述特點，近年結合任務驅動模式，圍繞具體典型案例，在機器人實踐教學中嘗試引入PBL教學法，即任務驅動下的PBL教學法。

該教學法的實訓流程如圖1所示。期間指導教師要及時了解進度并給予適當啟發，并依據任務完成情況和討論情況進行綜合評分。

通過任務將學生置于擬真情景中，由于指導老師恰到好處的問題埋設，使實訓達到既讓學生了解了基本知識點又通過發現問題，學會了分析和解決問題的思路；既加深了對基本理論知識的理解和靈活運用，又培養和提高了創新思維能力。

三、PBL教學設計的實施

1.原理講解階段

學生是懷著對機器人的神秘感走進課堂的，這股神秘感是推動學生一探究竟的強大動力。實踐指導老師的原理講解好比是掀開機器人的這層神秘面紗，揭示其內部部件間的關系、程序特點及智能控制的基本原理。具體電路設計、元器件參數選擇、程序編寫等留給學生自己設計完成，給學生留下思考的空間。因為實習的學生一般已具備一定的專業理論知識，實習不只是體驗和驗證所學理論，應讓學生在基本原理的運用上，結合擬真問題有所拓展和創新。這樣，讓學生在任務的驅動下，一步步思考，在問題一個個出現后查找資料，整合新舊知識尋求解決方案。激發學生的創新思維。

2.布置任務

在布置任務時，在任務中巧設問題情境。PBL教學法的精髓在于發揮問題對學習過程的導航作用。典型任務的鋪設是取得良好教學效果的關鍵。所以關于任務設計，教師課前必須做好充分的準備。我們在教學中，根據學生的專業情況、課時長短及實踐教學載體（設備、器材、材料等），布置合理、貼切的任務。（1）基本動作設計。只要求學生完成車型機器人的前、后、左、右巡航運行。（2）晉級動作設計。學生可以在完成車基本動作設計的基礎上，設計讓機器人走正方形、三角形等各種軌跡，甚至在轉彎時讓二極管充當轉向指示燈（討論難點）。鍛煉學生熟練運用程序的能力和邏輯思維能力。（3）創新訓練環節。在這個任務中，根據實訓室配備的三款傳感器——觸須、紅外發射和接收器對及光敏電阻。學生任選一種或兩種完成機器人導航任務。

如觸須導航任務中，要求機器人左觸須碰到障礙向右避讓，反之，向左避讓；當左右同時遇障時，機器人調頭返回。針對此任務同學們大都能完成左、右單獨遇障時的靈敏避讓，可是當教師讓學生將機器人置于墻角障礙（模擬左右同時遇障——預設的問題情境）時，機器人反復碰壁，怎么也走不出墻角障礙（問題顯現）。這是觸須機器人設計中的難點問題。怎么幫助機器人逃離墻角?讓機器人對這樣較為復雜的情境有自己的識別能力并做出相應的決策和反應。這是我們在該任務中留給同學們的問題，讓同學們通過小組討論來解決。

3.分組研討階段

分組學習，可以使組內成員成為直接交流的對象。常見的分組形式有：異質分組，將成績、能力與性格有差異的學生混合編組，有利于學生相互帶動，共同提高，培養良好的合作精神；同質分組，將成績、能力與性格相近的學生放在同一組，有助于教師分層教學，便于因材施教；自由結合式，由學生自由組合小組，小組成員大多興趣相近，感情相融，有利于培養學生的個性。[3]在教學中具體采用哪種方式要根據教學要求、學時以及教師對學生的了解情況而定。對于短時間實習，由于教師對學生個體不了解，一般采取自由搭配式；如果課程較長時（如實踐選修課），這時教師對學生綜合情況一般比較了解，幾種方式可以統籌兼顧，互為補充，經過一段時間的協作可進行小組調整，促使組內、組間同伴教學或同伴指導的機會最大化。每小組3～4名學生，設一名小組長，小組長掌握研討的進度，負責方案匯整和人員的分工并組織實施。

小組長部署分工后，組員在分工合作中難免遇到問題，根據問題查找資料，通過討論和查找資料，尋求解決方案。

比如在前面提到的創新訓練環節中的機器人觸須導航任務中，要求當機器人面臨墻角障礙時（可視為左、右同時遇障），機器人應調頭返回。于是，同學們在程序的設計上讓機器人左右觸須，同時碰觸到障礙時，調頭返回。而同時觸障是一種理想情境（總有時差），是不可能出現的，所以導致機器人反復碰壁，陷入墻角死角。在這個任務中，給學生鋪設的問題就是：發現左右同時遇障的理想性；如何進行假設的理想情境與現實對接的加工，幫助機器人正確識別路障情境；如何讓機器人對該情境做出正確反應。

實訓中，同學們經過反復試驗大都能逐步意識到左右同時遇障是一種理想情境，但是針對如何解決逃離墻角這一實際問題，同學們常常犯難。此時小組成員會突然從七嘴八舌的討論轉入沉思。這就需要教師適時地給予啟發和引導。老師會提問：“剛有同學說了，反復碰壁，就讓它調頭。如何將這句簡單的話變成程序語言的邏輯關系？”這時就會有同學想到計數，問題得到突破。通過在主程序中加入計數循環語句，即反復碰壁N次后即認為左右同時遇障，執行左右同時遇障子程序。問題得到解決。

在任務完成期間，教師要不定期和各個小組進行接觸，了解進度，并根據小組情況，進行啟發、指導和點評。

4.教師總結階段

針對同學們普遍存在的問題，指導教師需要集中引導和點評，幫助其分析方案的可行性，并鼓勵同學們大膽驗證。即便是失敗的方案也要討論其失敗的原因，這樣便于加深學生對知識有更深度的理解。

教師要對每個小組的任務完成情況進行驗收并做出公正的評價，善于發現每個學生的長處，進行鼓勵和表揚。任務完成情況和討論情況是對小組和個人進行考核評價的重要依據。

四、影響PBL教學效果的主要因素

根據各專業學生及課程特點，在機器人實踐教學中采用PBL教學法。通過實踐，我們認為教學問題的設置、教師的綜合素質、學生的學習態度以及教學設備等是保證教學效果的主要因素。

1.設置問題

設置的問題應是學生在其未來的專業領域學習中可能遇到的問題，利于培養學生的發散思維和橫向思維、激發同學們通過實踐進一步升華理論知識的融會貫通的“真實世界”的問題。這些問題一般沒有固定的解決方法和過程，卻能引發學生積極的思考、討論和探索。

2.教師素質

PBL作為一種開放式的教學模式，表面看起來教師的作用減弱了，其實隱性作用加強了。它對指導教師的綜合素質提出了嚴峻的挑戰，要求教師不但對本專業、本課程內容熟練掌握，還應當扎實掌握相關學科知識，并要具備提出問題、解決問題的能力、靈活運用知識的能力、嚴密的邏輯思維能力，善于調動學生積極性、寓教于樂、控制課堂節奏等技巧。

工程訓練中心或實驗中心的指導教師主要有兩部分人員構成。一部分是原校辦企業并入的工人技師，另一部分是組建中心時補充的從學校到學校的中青年教師。實踐教學需要大批實踐強、理論精的雙師型人才。這就要求學校重視實踐教學師資隊伍培訓，以很好地駕馭PBL教學法。

3.學生的學習態度

PBL教學的成功開展需要學生的主動配合，從查找資料開始就要結合任務并積極與小組成員充分交流溝通，大家通過討論得出最佳結論，并勤于驗證，做到敗不餒，直到完滿完成任務。否則很難達到預期的教學效果和目標。

4.教學器材

與傳統的實踐教學方法相比，PBL教學法更多地考慮了學生多元的要求。因此，教學器材和零配件的配備都應當比較寬裕，所以實習經費可能會加大。

五、結語

PBL教學是在任務驅動模式的基礎上進行，將問題隱含在任務中，提升思考高度，通過良好的課堂互動，培養學生自學能力、合作學習能力、語言表達能力、創新思維能力等，激發學生學習熱情，同學們體會到了合作學習的樂趣和解決問題后的喜悅。同時，也能很好地鞭策教師自我提高，其良好的收效受到世界范圍教育界的關注。PBL教學模式值得在工科院校的實踐教學中有計劃地逐步推廣。

參考文獻：

[1]連若木.高校教學方法改革芻議[J].學園:教育科研，2011，(2):26-27.

[2]周瑞，嚴超，燕敏，等.PBL教學法在英國曼徹斯特大學的應用及思考[J].中華醫學教育探索雜志，2011，10(2):138-140.

[3]魯亞華.PBL教學法在計算機組裝與維護教學中的應用[J].電腦與電信，2011，(1):63-65.

（責任編輯：劉麗娜）