PBL教學法在高中機器人競賽輔導中的研究與應用實踐

賈金元 武小龍 劉智明 武國偉

摘要：隨著人工智能、圖像識別、控制技術的發展，機器人競賽也越來越向高水平、高層次發展，越來越多的學校鼓勵學生參與到機器人競賽中，作者認為，將FTC競賽引入到高中課堂，充分體現了STEAM教育思想。機器人競賽不僅能提高學生的動手能力，還能激發他們DIY的興趣。實踐證明，將具有STEAM教育思想的機器人競賽課程引入到高中切實可行，可以開辟一個新的計算思維培養模式。

關鍵詞：PBL教學法;機器人競賽;FTC

中圖分類號：G434 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2018）12-0028-03

● 引言

2017年8月27日，國務院印發了《新一代人工智能發展規劃》，明確指出人工智能將成為國際競爭的新焦點，應逐步開展全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程。機器人競賽綜合性較強，集成了機械設計、電子電路、程序設計等技術，同時教育部2018年1月頒布的《高中信息技術課程標準》中，在課程結構里選擇性必修中開設的模塊1（數據與數據結構）、模塊2（網絡基礎）、模塊4（人工智能初步）、模塊5（三維設計與創意）、模塊6（開源硬件項目設計）都可以與機器人設計與競賽融合。學生通過實際動手操作對競賽主題進行研究、策劃、設計、組裝和調試，通過主動探索、摸索探究、親臨比賽等方式，將想法轉變為模型，將算法轉變為程序，在這個過程中，享受STEAM理念帶來的樂趣及成功的喜悅。

STEAM教育的目的是培養更多具有創新精神和創新能力的新型人才，而讓學生參加各種機器人競賽，則是實踐STEAM教育的一種有效形式。FTC（First Tech Challenge）科技挑戰賽是由美國的非營利機構FIRST組織主辦，面向14～18歲高中生的青少年機器人賽事。該賽事給學生提供了一個科技平臺，使其把課堂上的科技概念運用到現實工程問題的解決中。該賽事自2012年引入中國以來，已舉辦了六屆，雖然它在沿海城市非常普及，但在西部地區，尤其是甘肅、青海等地區，參加的學校數量并不多。要想將FTC競賽引入西部更多地區，面對新技術和新教育理念，在基于STEAM教育思想的教育教學實踐中，教練員需要不斷反思，不斷創新教育教學思想。

● PBL教學法

PBL（Problem-Based Learning）是一種讓學生以小組形式，在共同協助并解決一些模擬現實生活中的問題的過程中，實現所學知識的建構與重構的教學法。它強調把學習設置到復雜的、有意義的問題情境中，通過讓學習者合作解決問題來學習隱含于問題背后的科學知識，形成解決問題的能力和自主學習的能力。從學習的目標指向看，這是一種關注經驗的學習，是圍繞現實生活中一些結構不明確的問題所展開的調配和尋求解決方法而組織的學習。其目的是培養學生自主學習的興趣與綜合素質，從而使學生健全發展。[1]PBL教學法是一個完整的師生共同參與、彼此溝通、合作學習、具體回饋、自省重建的學習過程，體現了從感知到認知、從感性到理性的認識過程。

FTC機器人學習以比賽為終極目標，學生自始至終具有強烈的參與動機、學習興趣。學生在搭建自己的FTC比賽機器人的過程中，以完成任務為目標，分小組分析問題、研究解決問題的方案，在實踐練習中改進設計方案。在項目開展的過程中，學生需要去協作、批判性思考及創造性考慮問題，在看到自己的進步、體驗到成功快樂的同時，也鍛煉了組織策劃能力，提升了自主學習和創新能力。[2]

● 基于PBL教學法的FTC競賽輔導模型

針對FTC機器人的競賽特點，筆者決定將PBL教學法應用在FTC機器人競賽教學中，但在查閱大量文獻資料之后發現，在國內并沒有一種明確的可適用于FTC競賽輔導的教學法，因此，很多學生都是自學，可由于FTC競賽難度較高，光靠自學很難獲得好的成績。針對這種情況，經過多年探索，筆者提出了一種基于PBL教學法的FTC競賽輔導模型（如下圖）。

由圖可知，該模型由6個學習環節組成，結合FTC機器人的學習，各學習環節具體操作如下：

①問題提出。提出問題是整個競賽輔導環節的焦點所在，教師利用PBL教學法進行問題設計，這將直接影響到學生競賽的質量。在每年的競賽主題發布后，教師可根據歷年競賽經驗，組織學生進行主題的規則解讀，提出競賽的核心知識點是主要內容。

②分配組別。FTC競賽成員要求為6～10人，按照PBL教學法的特點，將每個組的人數控制在2～4人為宜，小組各成員應根據自己的愛好、特長選擇組別，努力做到能充分發揮個人的智力水平，共同協作提出解決問題的最佳方案。一般分為建模組（進行結構模擬設計、受力分析和仿真模擬）、搭建組（根據建模結構進行搭建和調試）、編程組（對機器小車進行編程、完成自動和手動階段）和宣傳組（FTC精神宣傳、視頻制作、工程筆記撰寫等）。

③知識學習，建立聯系。在解決問題過程中，學生須具備一定的學習技巧與能力，而教師在設計問題過程中也應根據學生所具備的認知結構設計適合學生水平的問題，或在解決問題過程中，為學生適當提供學習所需的技巧與知識。在FTC學習中，教師需要在機械結構、編寫程序方面給學生講解和提供資料，在比賽的自動控制階段，要求機器人從指定的起點位置運動到終點位置，要想拿到高分，基礎步驟是使機器人精確定向移動，因為自動程序對學生的要求高，所以需要指導教師對學生進行陀螺儀和傳感器的相關培訓，從而利用已獲得的數據進行循環性自我調控，實現精確自動控制。

④設計方案。學生應精心策劃好解決問題的程序，并以分工合作的方式共同推進方案向前發展。

⑤組裝調試。根據建模結構，利用PTC公司的Creo軟件進行模擬運行并開始組裝，調試程序改進。FTC機器人學習結果匯報則是以比賽的形式呈現。

⑥評價與記錄工程筆記。FTC競賽要求每組必須記錄工程筆記，將競賽主題完成的情況、碰到的問題完整記錄下來，作為評審參考。這是一項貫穿整個比賽的工作。

筆者以“FTC競賽”校本課程為基礎，設計了適合高中生學習的機器人競賽課程，該課程采用項目學習的方式，以STEAM教育思想為主要內容，以做中學為策略，并以激發學生學習興趣、貼近他們生活為出發點，進行課程的講授。FTC競賽課程主要以專題形式呈現，教師給學生講述基本原理和概念后，再讓他們針對實際問題，利用掌握的知識進行實踐。

● 基于PBL教學法的FTC競賽學習策略及實踐

基于對FTC機器人學習各環節的分析，筆者將基于PBL教學法的FTC機器人學習策略總結為以下五點：

①解讀規則，根據比賽規則制訂學習目標;

②過程設計，根據學習目標制訂整體設計方案及小組設計方案;

③活動開展，分步驟進行，搭建機器人、程序設計、調試，最終實現設計方案;

④練習改進，操作手和機器人能夠配合進行模擬真實比賽，改進設計方案;

⑤目標達成、分析總結，對學習過程中成績與不足進行總結與分析。

根據筆者歷年的組織和參賽經驗，競賽隊伍一般分為建模組、搭建組、程序組和宣傳組，每個組的主要工作任務不一樣，主要完成如下內容：

①搭建機器人。想要設計出符合比賽要求的機器人結構就必須對現有的套件進行結構改造，機器人要完成抓球—運輸—投球的動作必須依靠馬達、齒輪、傳感器等部件實現驅動、傳動、感應功能。在這個前提下，打破常規思想拓展思維空間，僅僅靠一個人是不能解決問題的，往往需要教師進行技術上的指導、小組內成員集思廣益發揮集體的智慧才能解決問題。

②程序設計。完成機器人的結構設計后，編寫程序指揮機器人行動是學習過程中的又一大難題，也是實現整體比賽設計方案的關鍵。根據比賽策略，學生設計編寫機器人的自動程序，需要了解各控制部件的屬性和功能。在自動比賽時段，機器人按照程序執行每個動作完成比賽任務。操作手控制比賽時段的程序則是將主控器各部件的信號通道與遙控器通道相對應，程序設計直到操作手和機器人能夠完成比賽任務為止。

③調試。運用循序漸進的方法，一個動作完成后再編寫下一個動作，需要反復調試、修改程序，有時還需對機器人的結構進行改進。試行方案的實施，是一個循環的過程，以設計方案為標準，不斷對以上三個環節進行調整、改進，直到實現設計方案為止。在解決以上問題后，操作手需要熟悉機器人的基本結構以及機器人與遙控器的信號通道的對應關系，經過反復實戰練習，能夠盡可能在手動比賽時段得到高分。在這個環節里，發現任何問題可在總體方案和試行方案環節尋找原因并解決。直到最終能夠按照比賽方案設計完成一場比賽。

● 結語

在基于PBL教學法的FTC競賽輔導中，學生真正意義上實現了自主學習，提升了積極主動解決問題的能力，對學科前沿知識有了更深刻的理解，這對PBL的進一步研究及機器人教育的研究都有深遠的意義。