基于設計思維的機器人教學模型設計及應用研究

龍周萍 吳貴春 董曉婧

關鍵詞：設計思維；機器人教育；教學模型

1 引言

我國教育十分注重培養學生的創新精神和能力[1]，機器人教育等課程等作為重要載體受到高度關注[2]。但很多學校和教師缺乏明確的參照而導致對機器人教育的淺層解讀，易出現教師圍繞預定目標，機械地“演示模仿”“按圖索驥”，弱化了機器人教育的教學效果[3]。

設計思維作為一種以人為本、對復雜問題進行創新解決的方法，將其融入機器人教學中有望消弭機器人教學中存在的弊端。基于此，本研究融合設計思維的思想以及過程模型，設計機器人教學模型和師生活動，并在真實情景應用、具體的實踐案例實施的基礎上總結歸納相關策略，以期為開展機器人教育的教師提供借鑒。

2 教學模型設計的理論基礎

2.1 設計思維和機器人教育之內涵

機器人教育指以機器人為教學內容或教學工具而開展的教學活動。教育機器人是面向教育領域專門研發的，以培養學生的分析能力、創造能力和實踐能力為目標的機器人[4]，具有教學適用性、交互性、開放性、可擴展性等特點[5]。設計思維以創新地解決問題為核心，其思想誕生并出現該詞后[6]，被人們廣泛應用在多個領域來解決各種復雜問題，并產生了多種理解。從教育立場出發，本研究將設計思維解釋為堅持學生為主體的原則，將創新作為教學核心理念和學生知識建構導向，以真實項目驅動學生在面臨實際問題情景中以團結協作的方式構思、設計、實施問題解決方案，并最終完成創意作品、提升問題解決能力的一種方法論。

設計思維和機器人教育都旨在促進學生真實問題的解決能力，并在過程中提升學生的綜合素養。機器人教育是在真實情境中、借助有形載體開展的一種教學實踐交互活動，而設計思維則是根據實踐和經驗而抽象出的規律和方法，這其中主要蘊含著創新的理念和思想。二者融合是實踐與理論的交互，以設計思維引領機器人教學實踐，是機器人教學的創新嘗試，有望改進傳統機器人教學中存在的不足。

2.2 設計思維過程模型分析

設計思維本身作為抽象的存在而非實體一樣能輕易被感知，為使在問題解決的過程中能有效運用設計思維，很多研究者提出了設計思維的過程模型以支持人們的創新活動。其中比較著名的就有EDIPT模型[7]、3I模型[8]、IDEO設計思維框架等[9]。模型的對比分析，如圖1所示，有助于發現模型的共性、差異和特點，為教學模型的設計奠定基礎。

1）模型的共性分析

從構思到實施，作為設計思維過程核心部分，是面臨真實情境問題時將思維外顯化，借助有形載體驗證想法并試圖解決問題的過程。“構思”即想法生成過程，通常是一個集思廣益的過程，發揮團體智慧往往能得到更有效的結果，精心組織的思維活動和設計思維支架有助于提升個體積極態度、團隊有效合作交流，產生很多的想法。“實施”即是將想法落地的過程。通過對所構思的各種想法進行對比分析，選擇最佳想法作為最終解決方案，并根據最佳想法快速制作原型，3D打印、手繪圖、故事情境、模型等是此階段常用的表現形式，同時為得到更加完善的模型或更優的解決方案，往往伴隨著多輪的測試、修正。

2）模型的差異分析

模型結構上，結合真實情境及構思到實施過程的復雜性，3I 模型采用的循環結構比EDIPT 模型和IDEO 框架的線性結構更符合問題解決的特征和過程。

構成要素上，三類模型中“共情”“發現”“靈感”都表示發現問題，是想法生成的基礎。相對于3I模型，EDPIT 和IDEO 兩個模型在構思前分別有“定義”和“解釋”部分。“定義”即對移情階段收集的信息進一步分析、整合，并在眾多的信息匯總設計問題，可用五問法、Pov、KJ法等工具包進行支持。“解釋”即通過分享、分類及凝聚思想等，找到一個合適的設計機會點和明確的構思方向，將問題變為可行的設計挑戰機會。二者均是旨在進一步明晰問題、分析問題特征，以便于確定解決問題的方案。此外，EDPIT、IDEO模型還分別考慮了對方案的“測試”和“改進”。“測試”是對解決方案或者根據目標功能要求進行不斷地應用和調整。“改進”即對之前想法的進一步發展演化，除對不足的調整外，還應進行不斷橫向拓展延伸或者縱向深化以應對更高階問題的解決。

通過設計思維過程模型的特點分析及結合教育情境，總結出教學模型應具有以下特點：第一，以學生為主體；第二，以解決真實情境中真實問題為導向；第三，注重思維工具和方法對學生創新思考和實踐的支持作用；第四，重視作品的迭代改進過程；第五，注重拓展延伸，促進學習深化和泛化。此外，還應綜合考慮各要素對教學過程表達的適切性和相互之間的銜接。

3 教學模型和師生活動設計

基于設計思維過程模型分析及教學模型特點總結、結合實際教學情境和借鑒相關教學模型[10]，將發現問題、定義問題、創意構想、方案實施和原型制作、評價改進、拓展延伸作為模型的基本要素，采用整體循環加局部線性的結構。此外，為教師有效地應用此模型，還詳細設計教師和學生在每個階段的活動設計及可能或比較合適的工具、方法，體現出活動中教師對學生產生的主要影響。如圖2所示。

發現問題是機器人教學的基礎，問題解決貫穿教學始終，驅動著整個教學過程的開展。在此階段教師發揮著至關重要的作用，是否能將學生帶入問題解決情境影響著后續教學過程的教學效益，教師通過故事法等創設合適的關聯情境、呈現比較典型的資源或通過話語促進學生回憶經驗，引導學生觀察、聯想、分析，識別需要解決的問題領域。

清晰地對問題進行定義利于構思有效解決方案。問題的清晰程度與相應的解決方案的多樣化程度具有很大的相關性，問題越清晰，方案選擇越多，多樣方案的可行度、執行效率等對比，才能得出較優的實施計劃。此階段，教師可采用思維導圖等工具幫助學生系統性了解問題解決所需要的背景知識，通過5W法提升學生對預設情境分析的深度、提供必要資源以及采用Pov法幫助學生描述問題，為思考和優化解決方案奠定基礎。

創意構想是在明確問題的基礎上思考問題解決方案的過程，也是決定作品質量高低的關鍵階段。教師作為課堂活動的組織者，可通過組織頭腦風暴、六頂帽子、世界咖啡等思維活動營造一種寬松、自由、接納度高的學習氛圍，鼓勵學生積極思考、分享交流，激發學生的發散性思維和聚合性思維，引導學生探索更多的新想法和新方案，形成各具風格與特色的方案與創意。作為指導者，學生在集思廣益的過程中可能因背景知識的記憶和掌握不牢固而出現卡殼，教師要及時發現并予以提示，啟發學生靈感。

方案實施與原型制作是將篩選出的最優方案轉為實際成果的過程。在此階段，學生根據設計好的實驗方案繪制相應的草圖、流程圖，深入明晰問題解決的實際操作過程，進而利用現有的教育機器人部件搭建目標機器人，編寫相應的功能程序。教師在此過程中，應根據學生的學習基礎，引導學生自主實踐探索的同時，對某些重難點的關鍵步驟進行演示；此外，還應實時監督學生任務完成情況，及時予以調整和反饋。

評價改進是對問題解決過程反思的過程，通過多次對完成的作品的修改與評價，提高創意作品的質量。教師可組織學生以小組為單位進行作品展示，采取多主體評價、多評價方式結合，對學生的表現及作品質量展開全面的評價、反饋，幫助學生迭代改進和完善作品。有時還要回溯整個問題解決過程，讓學生分享作品的設計意圖、設計過程及在創作中遇到的問題以及如何構思相應的解決方案，總結成功和失敗的經驗，歸納同類問題解決一般規律，升華機器人教學的價值和意義。

拓展延伸主要是以一次問題解決過程為基礎幫助學生深化、遷移問題解決能力。作品的制作完成并不意味著活動結束，而是下一次情境更廣、難度更高的問題解決的開始，拓展學習也為學生提供了多樣化的探索機會。教師當以一次問題解決為節點，運用思維導圖等工具加強引導，運用聯想法對課堂所創設的教學情境進一步延伸，提出更高的目標與挑戰。可縱向延伸，促進知識深化，鼓勵完成難度更高的任務，或將積累的知識和經驗遷移到其他問題解決的情境中加以運用。促進不斷循環問題解決過程發生，幫助學生往更高更遠的方向發展。

4 基于設計思維的機器人教學案例

本研究選取粵版教材小學六年級上冊信息技術課本《自動避障機器人》中的“智能消毒機器人”一例進行教學活動設計作為實例參考。通過“智能消毒機器人”的設計與制作，幫助學生掌握“條件判斷”語句的使用，培養學生的設計思維、邏輯思維，提升學生解決真實問題的能力。

4.1 發現問題，理解挑戰

情景故事導入，呈現任務背景。“同學們，日常生活中有哪些機器人為我們服務呢？”學生基于經驗展開討論，初步感知機器人的發展給人類社會生活帶來的便利。引導觀察視頻媒體，理解挑戰。播放校園防疫的視頻短片，引導學生認識到要提高自身的防護意識，并結合學生校園生活體驗，讓學生思考：“進校園前，同學們都要在學校門口消毒洗手，為了避免消毒時手部時交叉感染，我們能不能設計一個機器人幫我們實現無接觸消毒呢？”。圖形工具支持，強化任務理解。組織學生繪制同理心地圖，幫助學生從說、想、做、感四個角度認識制作“智能消毒機器人”的價值。如圖3所示。

4.2 定義問題，明確任務

知識講解，增加學生知識儲備以應對復雜問題。結合案例講解條件判斷模塊的格式、判斷條件的值以及紅外避障傳感器的功能和工作原理等知識。5W法具體分析問題要素。“制作智能消毒機器人的部件我們有使用過，開始之前，大家想一下，應該是誰（who）去做？做什么（what）？用什么（which）去做？怎么（how）做？做了后給誰（whom）用？”，以此幫助學生對自己將要解決的問題和設計作品從需要達到的目標、采用的工具、方法及目標對象特點等進行全方位考慮。提供資源，支持學生收集資料和定義具體問題。在提供相關資源和網站幫助學生獲取所需知識，發放Pov 問題定義表，即“面對……的問題，我們需要做……，因為……對于解決這個問題是至關重要的”。引導學生對信息進行歸納整合，討論如何解決關鍵問題。如“如何搭建智能消毒液裝置？”“智能噴灑消毒液實現的流程圖？”“怎樣編寫自動噴出消毒液的功能的程序？”“有哪些額外的注意事項？”。

4.3 創意構想，頭腦風暴

組織頭腦風暴，尋找多樣、創新解決方案。組織學生以4人為單位開展合作學習，引導學生在頭腦風暴的思維活動中針對界定出來的問題積極討論智能消毒機器人的方案，并強調創意想法數量重于質量、不評判、不議論、不反復解釋等原則。為避免學生的討論圍繞簡單、表象的問題開展，教師可從功能性（要實現什么樣的功能？有哪些部件組合能實現類似的功能？不同的組合差異在哪？）、豐富性（怎樣在實現功能的基礎上讓機器人更好看？是否能添加一些其他效果，如提示燈等）、執行效率（討論出多種方案以后，在不同的環境下哪種方案合適？）等方面進行提示。最后，學生在交互分享的過程中激發想象力、鍛煉創造力、產生多樣化創意想法，發揮集體的智慧，探索出一個組內認可的、最有價值的方案。

4.4 方案實施，原型制作

關鍵演示，厘清重難點。教師展示智能消毒機器人模型樣貌，演示自動噴灑消毒液的過程，展示條件判斷等關鍵語句的調用方式。組織實踐，監督反饋。教師組織學生進行實踐操作，指導學生對智能消毒機器人制作的任務分配，小組成員依據最優方案完成項目的制作，其中2人進行機器人硬件的搭建，2人負責編寫機器人實現自動噴灑消毒液的程序，學生可采用流程圖進行輔助。在初步完成機器人搭建和程序編寫的工作后，體驗作品功能，并借助教師提供的機器人測試過程中可能遇到的狀況清單進行調整。教師及時監督，幫助學生分析存在的問題及原因，不斷測試、調整、優化，直至機器人按照設想實現自動噴灑的功能。

4.5 評價改進，反饋學習

組織展示，分享創意。組織學生分享與展示小組合作設計的智能消毒機器人，以評促改，在評價中不斷修正和完善作品，迭代優化。小組代表介紹整個智能消毒機器人的設計意圖與創新點、元件鏈接、程序設計，以及小組成員合作解決問題的思路、過程、方法。通過小組間的分享，讓各個團隊間取長補短，促進思維碰撞，將自身的機器人作品進行優化與完善。教學反思、交流評價。在這個階段，通過師生評價，予以各小組成員鼓勵，增強學生學習動機，小組在交流問題解決方案中相互促進成長。教師也能回顧反思教學過程，發現教學不足并及時調整改進，教師和學生在評價他人的同時，也伴隨著自評和自我成長。

4.6 拓展延伸，迭代循環

課堂問題解決延伸。延伸生活情境，提出更具有挑戰性的任務，培養學生創新思維，“能否為智能消毒機器人增添多一些功能，使其更便捷、更人性化？”。指導學生利用紅外避障傳感器，還能加入聲音、溫度、光感等傳感器，完善智能消毒機器人，豐富機器人的功能性、實用性。歸納問題解決的一般過程，促進學生問題解決能力深化泛化和問題解決過程循環。教育不僅僅是培養學生特定問題的解決能力，而是要通過特定的問題解決上升抽象到一般性的問題解決中去。如“自動噴灑這個裝置還可以用來做什么呢？”幫助學生遷移問題解決能力；“智能消毒機器人有些元件安裝不易，我們可不可以自己設計一個替代元件？”促進問題解決能力深化發展。總之，一次問題解決的完成是下一次問題解決的開始，學生的成長是在一次又一次的問題解決中發生的，而且每次問題解決都是在之前的經驗基礎之上。

5 融入設計思維的機器人教學策略

從教學模型和案例不難看出，融合設計思維的機器人教學過程聚焦于在教師的引領下對學生問題解決能力的培養，教學中教師應當注重圍繞問題解決的教學策略運用。

發掘現實需求，提升問題發現意識。教育不能脫離現實環境，不能孤立地、抽象地訓練學習者的思維力[11]。真實情境既是問題的來源，也是問題解決的基石，教育是社會生活的一部分，與其他的生活情境聯系。教師應當結合學生整體生活情境，與學生發生共情，在學生的問題解決的需求基礎之上設計教學，不僅能有效體現學習的現實意義，增強學生學習內驅力，還能提升學生善于從生活中發現問題的意識。

提供創意支架，注重問題解決過程。學生的問題解決過程是基于所學知識及經驗展開的，當面臨新的問題情境時，學生的知識經驗通常不能很好地支持問題解決，因此，教師應提供豐富的學習支架與工具促進有效學習的發生[12]。在基于各式各樣的支架開展機器人教學過程中，學生不斷產生新的想法、創意，不斷進行設計、實驗，從大問題框架下不斷發現新的小問題并主動尋求解決，從而實現在問題解決過程中學習、成長，而并非完成統一的作品。

強調迭代循環，提高問題解決能力。身處于真實情境中，就不能和問題解決脫離開來，一次問題的解決需要多次構想、實踐，而解決一個問題也是新情境問題、難度更高的問題解決的開始，而問題解決的一般規律是相對不變的。在融入設計思維的課程中，強調學生在設計過程中針對發現的問題不斷地對方案進行測試、反饋和改進，此外，更需要教師加強引導，形成問題發現與解決的迭代循環，幫助學生不斷提升發現問題意識和問題解決的能力，在終身學習理念倡導下，逐漸實現自我價值。

6 結束語

本研究基于設計思維的思想和模型設計了機器人教育教學模型，在實際應用的基礎上總結了應當注重培養學生問題解決能力的教學策略，為廣大教師開展機器人教育提供借鑒。但涉及模型的理論基礎尚顯薄弱，模型的實際應用也缺乏多輪驗證與迭代改進，但發展就是不斷地探索和調整的過程，文中的模型可作為機器人教育教學參照，教學中還應結合實際進行補充和調整。最后，也希望更多的教育者、研究者投身到創新教育的探索中，積極嘗試將創新的思想運用到各類教育教學實踐，提出更多、更好的方案和模型，促進我國教育發展。