基于GOMS的趣味交互型機器人教學案例設計研究

韓蕾 李婷婷 鐘柏昌

（南京師范大學 教育科學學院，江蘇 南京 210097）

基于GOMS的趣味交互型機器人教學案例設計研究

韓蕾 李婷婷 鐘柏昌

（南京師范大學 教育科學學院，江蘇 南京 210097）

機器人教育已經成為當今教育的熱點話題，越來越多的研究者傾向于關注機器人教育的現狀、意義、問題及對策。而本研究則以設計、開發及應用機器人教學案例為主，構建價格低廉、開源共享的Arduino機器人教學項目，并將GOMS模型引入趣味交互型機器人的教學案例設計及應用中，為趣味交互型機器人教學提供一種可參考的思路和方法。

GOMS；趣味交互型機器人；教學案例設計

當前中小學在開展機器人教學時，其教學項目往往局限于小車避障、循跡、走直線等機器人學科本位的知識和技術，或是參考當前流行的一些機器人競賽項目，抑或是參考機器人廠家提供的說明書等。盡管這些機器人項目可以讓學生習得一定的機器人知識和技能，但是其相應的教學項目并不利于學生創造力和問題解決能力的培養與形成。因此，需要在機器人教學過程中豐富教學項目的類型，從而設計、開發及應用趣味交互型機器人的教學項目，使得機器人教學真正成為培養學生創新力的陣地。

一、趣味交互型機器人教學的定義及特點

趣味交互型機器人教學是指以開發有趣、好玩的機器人聯機交互系統為主要任務的教學。在該系統中存在三個要素：計算機、用戶、機器人，本研究中計算機層面使用的是S4A軟件，用戶是中學生，機器人使用的則是Arduino，圖1所示為S4A機器人核心模塊，[1]圖2所示為S4A機器人交互模式。

圖1 S4A機器人核心模塊

圖2 S4A機器人交互模式

趣味交互型機器人編程使用的是S4A軟件。S4A，全名“Scratch for Arduino”，是基于Scratch衍生的二次開發軟件，由西班牙Citilab公司設計開發完成。S4A具有原生的Scratch圖形化程序設計的特點和功能，簡單易懂，并且提供了對Arduino的支持?；赟4A平臺的趣味交互型機器人編程不僅門檻低，還能創作出功能強大的交互作品，非常適合于中小學生的編程學習。S4A分為編程端和機器人端，其中機器人端使用Arduino主控板作為控制器。開源的Ar-duino硬件價格低廉，擴展性好，且可選用的傳感器和執行器類型豐富，而S4A軟件在媒體互動方向也有較好的應用。S4A+Arduino控制器可以支持多輸入輸出，能較好地應用于機器人教學實踐中。

目前S4A擁有一些活躍的國際性社區，大量有趣好玩的項目與系統都使用S4A來搭建。S4A將開源硬件平臺Arduino與學習、實踐計算思維的工具Scratch結合在一起，使得于教學實踐中創作趣味交互型機器人成為現實。[2]因此在機器人教學過程中，以趣味交互型機器人作為教學項目，將相關的知識點融合到機器人項目的制作過程中，不僅可以使學生習得機器人相關的基礎知識與基本技能，而且更能體會到以機器人為媒介進行人機互動的樂趣。與傳統的機器人教學相比，趣味交互型機器人具有以下特點：

1.用戶與計算機之間實現實時交互。其交互的過程可以是用戶通過一定的操作影響機器人中傳感器的輸入值，當計算機發現該值的變化時通過分析數值來給予用戶反饋。

2.機器人與計算機共同處理數據。在趣味交互型機器人項目中，除了傳感器，計算機同樣可以獲取傳感器輸入的值并對其進行分析，并且計算機在分析數據后能給用戶更多可視化的反饋。

3.以實現人機交互為目標組織機器人相關知識點，這能夠很好地承載培養學生機器人開發能力的任務。

4.趣味交互型機器人無法脫機運行。

二、GOMS理論及其適用性

GOMS模型是一種認知任務分析技術，旨在解決復雜問題。對于可觀察的任務行為，GOMS模型可用于分析該行為的基礎，例如相關知識、思想過程和目標結構，幫助揭示更有效地處理復雜情境的認知技能。[3]其中G指的是目標（Goals），O指的是操作（Operations），M指的是方法（Methods），S指的是選擇規則（Selection Rules）。簡單地說，GOMS模型主要由描述這些完成具體目標所需要的方法組成。方法是一系列用戶執行的操作行為序列，一個方法包括多個子目標的實現，因此方法是具有層次結構的。如果實現一個目標時有多個方法可供選擇，此時應根據內容使用選擇規則選擇恰當的方法。GOMS分析，或者說是建構GOMS模型，就是在常規方式下，對系列任務的目標、操作、方法和選擇規則進行描述。[4]

GOMS模型被廣泛地應用于人機互動系統的設計過程中，是指導設計者進行人機交互系統設計的重要理論。趣味交互型機器人的核心在于利用機器人來實現人機互動，以GOMS模型為設計原則，能夠優化趣味交互型機器人作品的交互效果，形成一定的方法來幫助學生建構設計、制作趣味交互型機器人的認知體系。

GOMS模型中的四個步驟清晰、明確，與趣味交互型機器人的設計過程相契合，適合用于指導趣味交互型機器人項目的設計。大致過程如下：在設計趣味交互型機器人的初期，設計者設定該項目要達到的交互行為目標，再由該目標引申出欲達成目標所要完成的子目標。當完成整個項目的目標框架時，再思考經過怎樣的操作來實現目標，進行這種操作有哪些方法并對這些方法進行選擇優化，從而形成一條合理、清晰的趣味交互型機器人設計以及制作的脈絡。運用GOMS理論的機器人開發方法中的目標是基于項目中的交互行為來描述的。在確定了交互行為目標之后，確定要完成交互目標的操作，并確立操作的方法及選擇規則。

三、基于GOMS的趣味交互型機器人開發方法與策略

趣味交互型機器人開發方法應融合到教學過程之中，教學過程中將方法滲透到學生的認知體系中，更加有利于學生對知識點的遷移及應用，進而達到舉一反三的作用。美國密歇根大學的David Kieras（大衛?凱爾羅斯）在研究中指出：不同于利用GOMS分析一個現存的或特有的設計，GOMS模型也可以用于指導設計的過程。也就是說，在設計之初列出用戶要達到的最高層目標，然后為這些目標定義相應的方法，之后繼續制定子目標及其相應的方法，在考慮對用戶的直接影響下，制定者決定如何進行界面設計。[5]趣味交互型機器人作為一個特殊的人機交互系統，將GOMS模型引入其設計過程，可以指導學生更加規范地進行趣味交互型機器人的設計與制作，創作出效果更好的作品。

GOMS模型指導下的以S4A為平臺開發趣味交互型機器人的過程可描述為以下五個步驟：

1.描述項目功能。簡述趣味交互型機器人要實現的功能，并描述其中存在哪些互動過程。

2.準備器材。選取項目中所需要的Arduino相關器材。

3.添加角色，編寫腳本。在Scratch端根據項目功能建立情境并添加角色，編寫腳本來實現項目功能。

4.連接硬件。將Arduino控制板與計算機連接，并將Arduino的傳感器、控制器等與主板相連。

5.作品測試與完善。測試作品是否達到預期目標，在已完成的基礎上優化、完善作品。

將GOMS模型運用到趣味交互型機器人開發方法的構建過程中，首先解析該模型中的四部分在機器人開發過程中的含義，如表1所示：

表1 GOMS模型中各要素及其描述

將GOMS模型融合到S4A的開發過程中，其中目標可以解釋為項目要實現的交互行為；操作是要實現項目功能而進行的“準備器材”“添加角色與編寫腳本”“連接硬件”“作品測試與完善”等步驟；方法是為實現目標而進行的具體操作，如要實現腳本的編寫就需在Scratch端進行程序的設計并通過拖拽語句模塊來完成編寫；選擇規則是指有多種方法來實現目標時，學生確定選用哪種方法的依據，如兩種語句均可實現編程目的，此時應該按照易于理解、程序簡潔高效的原則進行選擇。GOMS模型在趣味交互型機器人開發過程中的具體應用可描述為如圖3所示。該框架運用于學生開發機器人的實際過程中，可將其演化為項目計劃表的形式作為學習支架來幫助學生獨立設計、制作趣味交互型機器人。

圖3 GOMS模型在趣味交互型機器人開發過程中的具體描述

四、基于GOMS的趣味交互型機器人教學案例設計

（一）趣味交互型機器人教學方法的設計

趣味交互型機器人更加注重程序部分，而硬件在整個系統中則處于輔助地位。在趣味交互型機器人系統中，承擔程序編輯任務的為S4A，承擔硬件執行任務的為Arduino機器人。其關鍵在于如何設計符合機器人教學環境下的項目，以及在教學開展過程中如何發揮趣味交互型機器人的優勢。Irene Lee（艾琳?李）與Fred Martin（弗雷德?馬?。┑妊芯空咴谝幌盗杏擅绹鴩铱茖W基金提供支持的項目中通過調查中學生的計算思維是如何形成的，從而提出了在計算思維中學生的認知與實踐行為的三個階段：使用—修改—創造（Use-Modify-Create，本文中將此模式簡稱為UMC）。[6]在本研究中將該模式應用到趣味交互型機器人項目設計開發的過程中，并結合具體的機器人教學實踐，在UMC三個階段的基礎上增加“Think”即思考的過程，將UMC模型構建為UTMC模型，并在本研究中解釋為：玩一玩—想一想—改一改—創一創四個步驟。分別對學生、教師在上述四個步驟中的行為及其任務安排進行描述。

1.學生的行為及任務

玩一玩：在教學開始時首先為學生提供案例供學生學習，引導學生探索該機器人案例的結構、功能及運行方式等。用這種方法更能幫助學生進行自主探索學習、了解項目功能及結構，從而激發學生的學習興趣與獨立思考的能力。

想一想：在了解所要學習的機器人項目的基礎上，思考完成該項目所需要的器材、基礎知識與基本技能等。器材主要針對Arduino，而基礎知識和基本技能則是在S4A與Arduino兩方面中都需要考慮的。學生在思考的過程中建立關于項目中各部分的功能是如何實現的假設，并進一步了解整個機器人系統的功能及運行過程。

改一改：在所提供案例的基礎上對其進行修改，更加深入地了解趣味交互型機器人項目中各部分的關系，并在修改的過程中驗證在“想一想”環節中形成的假設。

創一創：學生在掌握本項目的基本知識、基本技能及設計思想后，對本項目進行優化或者在此基礎上設計其他的作品，實現自己的想法。該部分是對學生能力的拓展與提升，能夠幫助學生形成良好的趣味交互型機器人開發思想，使學生更有效率地進行作品的創作。

2.教師的行為及任務

玩一玩：在本環節中教師為學生提供案例供學生探究學習，并組織學生回答自己的探究情況，就學生使用案例過程中出現的問題給予解答。

想一想：將學生分組，并要求各組思考并討論要實現案例中的機器人系統需要的硬件、基礎知識、基本技能等。幫助學生形成假設，鼓勵學生進行更加深入的探究。

改一改：組織學生分組修改機器人系統中的可變部分，并要求學生記錄修改后的機器人的表現。

創一創：系統地解答學生學習過程中出現的問題，并對案例中核心知識點進行進一步的講解，強化學生的理解，為學生進行獨自創作奠定基礎。給學生灌輸趣味交互型機器人的開發方法，使學生形成系統的設計、制作思路。引導學生在本項目案例的基礎上進行優化并獨立設計、制作屬于自己的趣味交互型機器人，鼓勵學生發散思維，將自己的想法變為現實。教學設計的主要環節及師生活動框架如圖4所示。

（二）基于GOMS的趣味交互型機器人教學案例設計

在本研究中，趣味交互型機器人案例的設計主要應考慮以下幾點：教學項目的適宜性及趣味性，教學內容的基礎性與系統性，并兼具GOMS的指導性。

圖4 教學環節及師生活動框架設計

首先，教學項目的選取應該符合本研究對象（高中生）的特點，高中生希望在項目的學習及制作過程中獲得成就感，并期待對項目進行深層次的探究。若趣味交互型機器人案例中的互動過程過于簡單則會導致學生失去對教學項目的關注與興趣。而且在考慮到項目互動過程復雜程度的同時也應考慮到項目的趣味性，從而激發學生學習機器人的動機，并在學習過程中發揮其主動性。因此從項目的適宜性及趣味性出發，本研究選取了“智能游戲”“我是音樂家”等項目。

其次，教學內容注重知識的基礎性與系統性，本研究以中國教育技術協會信息技術教育專業委員會編寫出版的《基礎教育信息技術課程標準（2012版）》為指導來設置知識點。此標準中的機器人模塊包括“結構與功能”“設計與制作”兩部分內容，“結構與功能”主要是機器人的基本概念、硬件和軟件等方面的知識，“設計與制作”主要是針對基本知識的綜合運用能力。因此在項目的設置過程中，知識點由易到難呈螺旋式上升，但保證符合絕大多數學生的學習和探究能力。同時，項目互動的復雜性也是由簡到繁逐步遞增的，在課程開始之初為學生提供簡單的案例，如智能臺燈，用來引導學生對S4A進行初步的認識與學習，隨著學習的深入增加知識點的難度與互動的復雜度。按照這種邏輯來開展機器人案例的開發，保證案例項目的基礎性及系統性，從而幫助學生更好地進行相關知識的建構。

最后，以GOMS理論為指導進行案例具體的設計及制作。在確定了項目功能及呈現方式之后，以目標—操作—方法—選擇規則的順序來進行實際的案例開發。并在教學過程中的“創一創”環節向學生講解基于GOMS的趣味交互型機器人設計方案，用以指導學生從GOMS的角度去設計機器人作品。

五、基于GOMS的趣味交互型機器人教學案例設計應用

這里以“我是音樂家”的教學為例，介紹基于GOMS的趣味交互型機器人教學案例設計應用。

1.引入新課

經過上節課的學習，學生都對趣味交互型機器人的開發過程有了一定的了解。再加上音樂是人們生活中必不可少的一個元素，筆者就利用S4A來模擬樂器，讓學生來當一回音樂演奏家。

2．教授新課

（1）玩一玩

提供案例供學生探究，觀察學生行為，發現學生在使用過程中的主要問題。

（2）想一想

引導學生思考問題：

問題1：time值的變化對演奏音樂有何影響？

問題2：如何觀測聲音傳感器輸入值的變化？

問題3 ：條件語句的嵌套在程序中的作用是什么？

組織學生進行小組合作，對發現的問題進行討論，并形成初步的假設。

（3）改一改

組織學生修改案例，來驗證假設。對學生遇到的問題給予解答，并就本課中的重點、難點進行詳細的講解。

解答問題1：time值指的是兩個音符演奏之間的時間間隔，time值越大兩個音符之間的時間間隔越長。

解答問題2：打開傳感器監測面板，找到傳感器對應的針腳號，觀察數值的變化。

解答問題3：利用條件語句的嵌套將傳感器輸入值分為不同區間，根據數值的不同來演奏不同音調的音符。

（4）創一創

以本節課呈現的案例為例，分目標、操作、方法、選擇規則四個部分講解基于GOMS的趣味交互型機器人開發方法，如表2所示。

表2 基于GOMS的趣味交互型機器人開發方法

引導學生進行作品創作，可以在本案例基礎上進行拓展。拓展思路：一是舞臺中添加“舞蹈演員”的角色，當音樂響起的時候跳舞，音樂停止的時候靜止。二是在A端安裝LED燈，不同音符對應不同的LED燈，當某一音符響起時其對應的LED燈亮。三是在本節課學習的基礎上設計新的項目，提供給學生項目計劃表，以小組為單位開發機器人項目。

（5）作品評價

展示學生作品，請同學評價他組作品。對學生作品進行積極的反饋。

3.課堂總結

引導學生對本節課案例進行總結。

4.布置作業

（1）將自己的聲音錄入到S4A中，將其作為素材開發一個機器人作品。

（2）觀察生活中的智能家居都有哪些?（也可在網上搜索相關資源）

六、小結

通過“我是音樂家”這一課的學習，同學們創作出了給他人驚喜的“Happy Birthday”“智能音樂盒”等作品。在教學過程中，提供給學生一套系統的可操作的機器人作品設計思路，并且以探究式的教學方法進行傳授，從而幫助學生更好地學習機器人的相關知識，創作出更具創新性的機器人作品。本研究著力于機器人教學的實踐過程，通過開發趣味交互型機器人來豐富機器人教學項目類型，嘗試將機器人開發方法融入到教學過程并探討其可行性，為機器人教學提供一種新的思路。

[1]龍麗嫦.“智造機器人”小學S4A個性化課程實驗[J].中小學信息技術教育,2014，(5)：22-24.

[2]俞中堅.旁觀者眼中的《S4A和互動媒體技術》[J].中國信息技術教育,2014，(5)：8-9.

[3]陳剛,石晉陽.基于GOMS模型的科學發現學習認知任務分析[J].現代教育技術,2013,23(4)：39-43.

[4]KIERAS D.GOMS Models for Task Analysis.The Handbook of Task Analysis for Human-computer Interaction[M].New Jersey：Lawrence Erlbaum Associates.2003： 83-116.

[5]JOHN B E,KIERAS D E.The GOMS Family of User Interface Analysis Techniques：Comparison and Contrast[J].ACM Transactions on Computer-Human Interaction (TOCHI)（S1073-0516）,1996,3(4)：320-351.

[6]LEE I ,MARTIN F,DENNER J,et al.Computational Thinking for Youth in Practice[J].Acm Inroads（S2153-2184）,2011,2(1)：32-37.

（責任編輯 杜丹丹）

Research on the Design of Fun and Interactive Robot Teaching Cases Based on GOMS

HAN Lei,LI Tingting,ZHONG Baichang
(School of Education Science,Nanjing Normal University,Nanjing,Jiangsu,China 210097)

Robot education has become a hot topic in nowadays education.An increasing number of researchers tend to focus on the current status,significance,problems and corresponding measures of robot education.This research mainly focuses on the design,development and applying robot teaching cases,constructs cheap,Open Source Arduino robot teaching program,and introduces GOMS model into the design and application of fun and interactive robot teaching cases,providing a thought and method for fun and interactive robot teaching as a reference.

GOMS;fun and interactive robot;teaching cases design

G434

A

2096-0069（2016）06-0061-06

2016-07-03

韓蕾（1990— ），女，河北滄州人，南京師范大學教育科學學院碩士研究生，研究方向為信息技術教育；李婷婷（1992— ），女，四川達州人，南京師范大學教育科學學院碩士研究生，研究方向為信息技術教育；鐘柏昌（1978— ），男，江西宜豐人，南京師范大學教育科學學院教授，博士，研究方向為信息技術教育、教育技術基礎理論問題。