基于PBL的翻轉課堂在機器人教學中的應用

柴曉夢

摘要：本文以“人形機器人”課程為例，對項目式學習（PBL）和翻轉課堂等概念加以闡述，分析翻轉課堂應用于機器人教學的實際意義，構建了基于PBL的翻轉課堂教學模式。在實際教學中，通過課前資源準備與自主學習、課堂動手實踐與評價交流、課后問題反饋與成果展示的有機結合，充分調動學生的學習積極性，培養學生的創新實踐能力，并總結歸納了影響基于PBL的翻轉課堂教學效果的主要因素，期望能為創客教育背景下的機器人課程教學提供借鑒。

關鍵詞：PBL；翻轉課堂；人形機器人；教學設計；創新實踐

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）13/14-0052-04

● 引言

隨著新課程改革的不斷深入，創客空間和創客教育受到社會各界的廣泛關注，其主要內容涉及機器人制作與編程，為推廣機器人教育提供了新的發展平臺。縱觀我國中小學機器人教育現狀，盡管有部分學校通過開設校本課程進行機器人教育的探索，但競賽或興趣小組模式仍占主導地位，實際教學中也存在著不少問題。因此，本文以“人形機器人”課程為例，對基于項目式學習（PBL）的翻轉課堂開展機器人教學加以研究，希望能為機器人教學未來發展提供新的思路，進一步推動基礎教育改革與發展。

● 項目式學習（PBL）與翻轉課堂概述

1.以問題為導向的項目式學習模式

項目式教學是指以某個具體問題為導向，通過實施一個完整的項目而進行的教學活動，旨在將理論知識和實踐操作相結合，培養學生主動探究和解決問題的能力。[1]教師可以通過設計具體的實驗項目，循序漸進地開展機器人教學活動。在這一過程中，教師是學習資源的整合者和學生學習的服務者，主要負責資料收集和實施方案撰寫。學生在解決問題的過程中，進行實踐探究、評價交流和成果分享（如下頁圖1）。例如，學生在學習機器人結構搭建時，以設計制作運動小車為項目主線，根據教師提供的任務說明書，一步步動手完成機器人的搭建。在實踐操作中，學生可以了解一些機器人的基本結構件，如馬達和齒輪。為了讓小車能按照要求動起來，學生需要學習編程知識來控制小車的運動。

在項目式學習中，教師可以設計加入一些競技活動，激發學生的創造潛能，鼓勵學生利用跨學科知識，不斷改進機器人的造型與功能，通過不斷調試程序來提高編程能力，培養計算思維。在教學評價方面，項目式學習更加重視過程評價。學生在完成機器人制作過程中，及時記錄遇到的問題和實驗結果。教師和學生通過雙向互動反饋式的交流來促進教學活動的順利進行。另外，考慮到學校機器人硬件設施的配備和活動場地的限制，教師可以將線上和線下的機器人教學相結合，借助虛擬機器人平臺開展教學活動。

總之，以問題為導向的項目式學習模式可以更加有效地激發學生學習機器人的興趣，培養學生的問題解決能力和創新實踐能力。

2.基于PBL的翻轉課堂教學模式

以項目為核心的教學模式可以讓學生更好地學習機器人的設計與制作，但由于機器人課程的課堂教學時間有限，引入基于網絡微課的翻轉課堂教學模式[2]，可以進一步提高課堂效率，減少教師在課堂上講授的時間，增加學生動手實踐和分享交流的機會。

課前，教師做好教學資源的設計和準備工作，將課程中要用到的數字化學習資源，如視頻、PPT、學習任務單等上傳到網絡學習平臺；針對機器人項目學習中需要用到的知識點和操作要點進行歸納整理，形成一套完整的教學方案，供學生在課外進行自主學習；借助網絡通信工具，如微信或QQ群等，開展線上答疑活動。學生完成線上自主學習任務和課前測驗。

課上，教師對學生自主學習情況進行檢測，集中解答學生的問題，布置學習任務。學生根據任務要求，進行機器人作品設計和編程實踐。在此過程中，教師要重視培養學生獨立解決問題的能力和創新實踐能力，也可以通過建立學習小組，培養學生的合作探究能力。教師可根據任務要求和學生特點，進行合理分組，一般2～3人一組較為合適，這樣能保證每個學生都有動手實踐和展示交流的機會。有的學生比較擅長機器人結構的搭建，有的學生編程能力比較強，有的學生有較多創意的想法和觀點。教師要善于發現學生不同的個性特點，并加以合理組合，盡可能讓學生發揮自己的特長與優勢。每組學生要明確自己的職責，進行協作學習。例如，學生在做機器人編程任務時，以小組為單位，通過思維導圖和頭腦風暴的方式，進行程序算法的設計與編程調試。

課后，每個學習小組完成一份活動報告，并填寫學習評價表。成果展示與評價環節可以通過個人評價、小組評價和教師評價來共同完成，旨在提高學生的自信心和表達能力。教師需要做好問題的匯總與整理，及時進行總結反思，進一步完善教學資源，改進教學方式。

● 基于PBL的翻轉課堂在人形機器人教學中的應用

“人形機器人”是一門實踐性很強的課程。項目式學習可以大大激發學生的學習興趣和創造力。為了在有限的課堂時間里，給學生們更多動手實踐的機會，教師采用基于PBL的翻轉課堂教學模式，這樣既能提高課堂效率，也能培養學生的自主學習能力和創新實踐能力。[3]

1.課前資源準備與自主學習

要完成“人形機器人”課程的學習，學生需要有一定的視頻拍攝和剪輯基礎，要了解人形機器人的硬件組成與結構，熟悉人形機器人的操控軟件，學會硬件和軟件的連接操作，能夠熟練調試機器人的基本動作。在課程結束后，學生需要完成機器人微電影的制作。

課程學習路徑分為前期準備、中期訓練和后期展示三大環節。其中，前期準備工作包括編寫微電影腳本、認識機器人的結構和服裝道具DIY；中期訓練包括機器人動作的調試、微電影拍攝與剪輯；后期展示主要是成果展示和評價交流（如圖2）。

在課前，教師針對“人形機器人”課程的學習目標，設計制作一系列微課資源，如教學PPT、微視頻、學習任務單等，上傳到網絡學習平臺，供學生進行自主學習。例如，“機器人走路”這一課，教師可以先拍攝一段機器人走路的視頻，將原理制作成PPT或動畫發布到網絡平臺，也可以利用微信、QQ等通信交流工具，進行線上的指導與答疑，這一方面可以及時了解學生的學習情況，另一方面也可以發現一些問題，為課堂的實踐操作打好基礎。

2.課堂動手實踐與評價交流

在課堂上，學生是學習的主體，教師是學生活動的設計者與指導者。教師根據學生的特點，將學生以3人一組進行組合，引導學生進行合作探究學習。通過組織一些小組競技活動，提高課堂的趣味性和學生學習的積極性。每個小組在課堂上都要完成相應的學習任務，并圍繞機器人微電影進行自主創作。例如，學習“機器人舞蹈”這一課，在課前，學生們已經了解什么是機器人舞蹈，以及機器人動作調試的基本步驟。課上，教師下發學習任務單（如下頁表），學生在明確學習任務后進行實踐操作練習。

教師在學生操作過程中，加以鼓勵與指導，引導學生以小組為單位，開展機器人斗舞大賽。每個小組在規定時間內完成指定動作的調試和自主動作的設計。學習評價側重過程性評價。每個小組選一名學生擔任評委，對其他小組的機器人舞蹈進行評分。教師針對學生合作學習情況和機器人動作的設計，結合小組評分情況，進行綜合評價。

3.課后問題反饋與成果展示

整個課程以機器人微電影制作為主線。教師將學習任務分散到每一堂課當中，關注學生在課堂上實際操作時遇到的困難，并在課后做好問題的記錄與總結工作，進一步整理完善教學材料，并形成數字化學習資源。例如，學生在制作機器人微電影過程中，提出要制作一些特殊的效果。由于課堂教學時間的限制，教師針對這一問題，可以將一些拍攝技巧和典型案例制作成微課或教學課件，上傳至網絡學習中心，供學生學習參考。學生在每堂課結束后，根據自己的學習掌握情況，填寫問題反饋表，并完成課后練習。其中，問題反饋表可以記錄學生學習的過程，也可以作為活動報告的素材。

課程結束后，每個小組需要提交一個機器人微電影視頻和一份活動報告。學習評價的方式為成果展示與答辯。小組一一展示自己的作品，并作簡要的說明。評審團由教師和各小組的學生代表組成。評委可以對學生的作品提問，并進行評分。教師還可以根據學生表現和作品情況，設置“最佳導演獎”和“最佳影片”等獎項。

● 影響基于PBL的翻轉課堂教學效果的主要因素

1.基于項目的學習任務設計

機器人教學過程中，活動項目的可行性、合理性及趣味性等都會影響教學效果。教師在選擇活動項目的時候，要充分考慮學生的生活情境和興趣愛好，在設計學習任務時，要盡可能符合學生的學習心理與學習特點，可以適當設置一些難度梯度。為了提高學生的學習興趣和信心，任務的難度在剛開始時不宜過高，可以通過闖關游戲的方式，逐漸提升練習難度，充分調動學生的學習積極性。另外，學習任務要具有可操作性和可檢測性。

2.數字化學習資源的構建

數字化學習資源和網絡學習是翻轉課堂的重要組成部分。資源構建的不合理或不完善都會影響翻轉課堂的教學效果。教師需要將一個大的機器人活動項目分解成一個個小項目，再把每個小項目的學習資源構建起來，運用技術手段，形成一系列機器人教學的數字化學習資源。同時，要保證學生能夠方便地獲取這些學習資源，并在自主學習完成后能夠進行自我檢測。

3.學生的學習態度與能力

基于PBL的翻轉課堂的教學效果與學生的學習態度和能力密不可分。項目式學習對學生的合作探究能力要求比較高，同時，網絡學習對學生的自主學習能力與信息技術應用能力有一定的要求。在學生小組合作過程中，教師要明確學生各自的職責，要培養其團隊合作意識，絕對不允許出現推卸責任和坐享其成的行為。

● 結束語

在機器人教學中，采用基于PBL的翻轉課堂教學模式，有利于培養學生的自主探究能力、創新實踐能力與合作交流能力，也有利于提升學生的核心素養。而基于項目的學習任務設計、數字化資源的建構和學生的學習態度與能力是影響該模式教學效果的主要因素。在后續研究中，筆者將進一步探索基于PBL的翻轉課堂教學模式下機器人教學的有效性，不斷完善教學資源，改進教學設計。