基于問題的學習在機器人教學中的應用初探

摘要：機器人教學作為一門新興的課程，有其自身的特點，傳統的教學模式已經無法適應機器人學科。探討了基于問題的學習模式在機器人教學中的應用，指出了基本問題的學習應用于機器人教學的優勢，設計了PBL應用于智能機器人教學的基本流程，并提出了PBL應用中需要注意的一些問題。

關鍵詞：基于問題的學習；機器人教學；問題

中圖分類號：G434文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)22-832-03

A Study of The Robot Teaching Based on PBL

LIU Qing， GUO Sheng

(1.Wuxi Tangnan Middle School，Wuxi 214026， China;2.Wuxi City College of Vocational Technology， Wuxi 214063， China)

Abstract:The robot teaching is an new curriculum， it have its own characteristic， the traditional educational model was already unable to adapt the robot discipline. Had discussed the PBL pattern in the robot teaching application， had pointed out the PBL applies in the robot teaching superiority， had designed the basic flow of PBL in the robot teaching， and had proposed some questions needed to pay attention to in the PBL application.

Key words:problem-based learning;The robot teaching;problem

1 引言

我校機器人教育開展至今，一直使用樂高的機器人系列產品。樂高機器人是一種積木式的機器人，它由樂高積木、馬達、傳感器、可編程積木等組件搭建而成，學生們可以自由地創造、搭建、編程真正的機器人，讓它活動、做運動、甚至自己去“想”。樂高的教育理念以支持學習過程的四個階段為目的，將教育解決方案設計成一個富于成效的過程。樂高將學習過程分為聯系、建構、思考和繼續四個階段，這四個階段循序漸進，循環往復，形成螺旋式的發展過程。

樂高的這種教育理念應用到實際樂高機器人教學，必將導致傳統教學內容、手段、方法、模式甚至教學思想、觀念、理論的根本變革。在教學中，我們進行了許多大膽的、有益的嘗試，積極探索適合本課程特點的教育教學模式。新型的教學模式重在培養學生提出問題、分析問題和解決問題的能力，而基于問題的學習（Problem-Based Learning，以下簡稱PBL）就是一種能夠體現樂高教育理念的，在建構主義思想指導下的以學生為中心的新型教學模式。

2 基于問題的學習簡介

2.1 基于問題的學習歷史

PBL最早起源于20世紀50年代的醫學教育，先后在60多所醫科學校中推廣、修正。現在，更多的院校開始采用這種方法，包括教育學院、商學院、工程學院、社會工作學院等以及一些中小學，已成為國際上較流行、較有效的一種教學策略，把PBL作為中小學教學的一種策略越來越受到人們的重視。這些研究主要集中在以下幾個方面：

1）關于學生業績的研究；

2）關于學生態度的研究；

3）關于元認知技能的獲取和運用的研究；

4）關于影響PBL效果因素的研究。

這些研究表明作為建構主義理論指導下的PBL確實能有效的把課程和復雜的生活實際相結合，激發學生學習動機和學習興趣，能提高學生協作學習的能力和自主學習能力，培養學生發現問題、解決問題的能力，培養學生學會學習的能力。

2.2 基于問題的學習的特點

基于問題的學習是以信息加工心理學和認知心理學為基礎的，屬于建構主義學習理論的范疇，是建構主義教學改革設想當中的“一條被廣泛采用的核心思路”。此方法與傳統以學科為基礎的教學法有很大的不同，PBL的特點主要體現在如下幾個方面：

1）PBL是一種以學習者為中心的教學方式

在PBL中學習者是問題的解決者和意義的建構者，必須賦予他們對于自己學習和教育的責任和培養他們獨立自主的精神。

2）PBL是基于真實情景的問題

在PBL中學習是基于散亂的復雜的問題的，這些問題非常接近現實世界或真實情景。在PBL中問題必須對學習者有一定的挑戰性，能夠發展學習者有效的解決問題的技能和高級思維能力。

3）PBL是以“問題”為核心的高水平的學習

PBL中的問題往往沒有規則和穩定性，不能簡單的套用原來的解決方法，要面對新問題，在原有經驗的基礎上進行中心分析來解決問題。而高水平的學習要求學生把握概念之間的復雜聯系并廣泛靈活地應用到具體的問題情景中去。因此，PBL是以“問題”為核心的高水平的學習。

3 PBL應用于機器人教學的優勢

在PBL中，學生以一個主動參與者的身份進行學習，學習興趣獲得極大的提高，個性和各方面的素質得到提高，綜合能力得到發展，這與樂高機器人所倡導的教學理念相符。PBL應用于機器人教學的優勢具體表現在以下幾個方面：

1）激發學習動機、培養學習興趣

在PBL中，學習活動是以問題啟動的，問題情境中的不協調因素和未知因素與學生的原有經驗相關，問題是學生跳一跳就能摘到的“桃子”，當他們解決問題后，有一種滿足感和自豪感，這種滿足感和自豪感又激發他們進行更進一步的學習。隨著對問題調查的深入，他們獲取的知識也就越來越多，學生的自信心就得到增強，從而培養他們對學習的興趣。

2）有效地培養學生自主學習能力

PBL是一種以學生為中心的教學模式，在學習過程中，不是由教師直接告訴學生應當如何去解決面臨的問題，而是由教師向學生提供解決該問題的有關線索，學生必須通過自主學習自己來獲取對問題的認識和理解，確定學習目標，從而解決問題，在這個過程之中，學生需要自己制定學習目標、學習計劃，自己解決學習中遇到的大多數問題，學生的自主學習的能力得到很大的發展，培養了終身學習的技能。

3）有效地培養學生發現問題、解決問題的能力

在PBL中，教師不直接提供給學生需要解決的問題，而是將需要學習的知識隱含于一個精心設計的問題情境之中，學生需要對問題情境進行分析、鑒別，發現隱含于其中的問題，并制定問題解決計劃，進而解決問題。在解決問題的過程中，學生需要掌握一定的解決問題的技能和技巧，自己處理學習過程中遇到的疑難，教師只是提供指導和幫助，并不代替學生解決問題。

4）有效的培養學生的元認知能力

元認知是對認知的認知。PBL能有效的培養學生的元認知能力：在問題解決的過程中，學生需要自己確定學習計劃，有效的組織和利用學習時間，從教師和同學那里不斷地得到對問題解決活動的反饋和評價，從而進行反思，進一步的改進學習。

5）有效地培養學生的合作能力

PBL的一個重要的特征就是問題解決活動是以小組合作學習的形式來進行的。小組成員通過討論來分析問題、制定問題解決計劃、實施計劃、解決問題，小組成員的活動與小組的學習結果息息相關。學生間的合作互助學習，能有效地改善個體學習能力和學習方法。不同類型，不同知識結構的學生通過合作學習，可取長補短，互相幫助。

6）有效地培養學生的信息技術操作能力

在PBL中，需要學生查閱大量的信息，對問題進行鑒別、分析，需要學生掌握一定的信息操作技能，包括能夠有效地和高效地獲取信息；對信息進行分析、鑒別和評價；針對問題，選擇、重組和應用已有的信息，將信息進行加工，內化成自己的東西，進而解決問題。

4 PBL應用于智能機器人教學的基本流程

PBL是通過提出和解決問題來實現知識經驗的建構。根據Barrows的模型，PBL在智能機器人教學過程中大致包括以下環節：

4.1 組織小組

在探索問題之前，學生首先要組成一個學習小組，學生們要互相了解或認識，為合作學習創設一個良好的人際氛圍。學習者和促進者（教師）分別做自我介紹，形成毫無偏見的氛圍。分組時，一般采用異質分組的原則，在同一個小組內，學生的認知、性格特點不盡相同，這樣，更有利于學生從不同的角度、層次來思考、解決問題。

4.2 開始一個新問題

在教學中，教師要根據機器人學科特點、短期及中長期學習目標、學生特征，創設適當的問題情境，用少量的信息來提供給學生一個復雜的問題，這個問題應該盡量與其在現實世界中的情況相接近，能夠吸引學生。在解決問題的開始，學生和教師要對問題解決的目標形成共同的理解。

4.3 后續行動

PBL模式中，學生在教師的指導下確定學習目標，了解為實現目標所必需掌握的知識。學習目標確定后，小組成員將分頭查找資料，獨立思考、自主學習，這一過程中，教師要了解每個學習者的責任與學習進度，并提供適時適量的指導。小組成員集合，溝通他們所學的東西，對他們新學習的東西生成新的解決問題的假設。學生們要評價自己的所獲得的信息以及他人的信息，看信息是怎樣得來的，來源是否可靠等，這是促成自主學習的重要途徑。

4.4 活動匯報

根據智能機器人的特點，匯報內容分為兩部分，一是機器人任務演示，二是各小組利用各種不同形式來報告自己的結論以及得出結論的過程，比如數學分析、圖表、口頭報告、戲劇表演等。PBL所強調的不只是讓學生解決問題，而且要讓他們理解問題背后的關系和機制。

4.5 問題后的反思

為了提煉他們所學到的東西，學生們要有意地反思問題解決的過程。要考慮這個問題與以前所遇到的問題的共同點與不同點，這可以幫助他們概括和理解新知識的應用情境。通過反思，學生能將新知識與原有的知識聯系起來，提煉出概括性的知識。

5 應用中需注意的問題

通過上面的分析，很容易看出，將PBL模式應用于機器人教學，無疑會提高機器人教學的質量，實現其教學目標，更易于培養學生創造能力。然而在應用時，要注意以下幾方面的問題：

5.1 問題的設計

問題是PBL的核心，所有學習活動都是圍繞問題的解決而展開的。在信息技術教學中應用PBL模式，要精心的設計所要解決的問題。在問題的設計中，應注意以下幾個方面：

1）問題的相關性

問題必須能引出與所學領域相關的概念原理。PBL中，不是為了設計問題而設計問題，設計問題的目的是為了引出所要學習的相關內容，以便能更好的完成課程目標。在設計問題時，首先要考慮學生需要獲得的基本概念和原理，由此出發來設計要解決的問題。

2）問題的真實性

在PBL中，所設置的問題要具有一定程度的真實性。只有問題與學生的生活實際相關、與時代氣息和社會的需求相聯系，才能使學生產生共鳴，體驗到學習的價值和意義，從而激發起學生的學習動機。

3）“劣構型”問題

在PBL教學模式中，所解決的問題是高級知識領域的問題，是沒有固定、唯一答案的。問題應具有足夠的復雜性，要能應用學生所掌握的知識包含許多相互聯系的部分，而每部分又是很重要的。

4）問題的呈現

在問題呈現時，要將問題內化為學生自己的問題，使學生認識到自己是問題解決的主體，而不是問題解決的旁觀者，從而調動學生的解決問題的積極性。

5.2 PBL中的學生

基于問題的學習教學模式把學生置于混亂的、結構不良的情境中，并讓學生成為該情境的主人，讓學生自己去分析問題、學習解決該問題所需要的知識，一步一步地解決問題。它是一種以學習者為中心的教學方式，在PBL中學習者是問題的解決者和意義的建構者，必須賦予他們對于自己學習和教育的責任和培養他們獨立自主的精神。

PBL是以建構主義理論為指導的，以學生為中心的教學方法，在基于問題學習中，教師與學生站在同等的位置上，學生們不必必須聽從老師的指示和解答。

學生不僅要發揮各自的主體性，而且還要充分發揮小組的社會性，學生作為一個學習共同體，共同承擔責任和任務，同時，各自分配一定的認知工作，彼此在知識建構上是緊密相連的，在這里，學習不再只是自己一個 人的事，而是大家的事。

5.3 教師角色的轉換

在教學的過程中，知識并不再是由教師直接的傳授給學生，而是在復雜的、實際的問題的解決過程中，通過促進者即教師適時適當的質疑，由學生積極、主動建構的。

在小組活動開始之初，教師需要引導小組的工作：包括提供反饋，就學生的推理過程進行提問和啟發，鼓勵他們對信息的批判性評價，幫助學生在問題討論中協調、整合基本知識與實際技能等。

在小組活動的開始，教師（輔導員）需要更多地發揮支持作用，而隨著活動的進行，他會慢慢地隱退，更多地讓位于學生的獨立探索。一個好的促進者不會限制學生對各種可能的未知領域的探索，但他會精心地把學生引導到問題空間的關鍵側面，從而更好地利用問題所提供的學習機會。

5.4 學習的評價

學習評價即對學生的學習及其結果的價值進行評判的過程，它是PBL學習活動中一個極為重要的環節，對學生的學習起到激勵、導向、監督和調節作用。PBL的評價更為關注學生利用工具掌握知識技能的過程與方法，以及與之伴隨的各種能力的形成和發展。

學生解決問題、建構知識的過程是一個隱性的過程，我們要判斷學生的能力是否獲得發展，僅僅是一系列的定量的評價是遠遠不夠的，學生的解決問題的過程、知識能力形成的過程是無法量化的，因此，我們要將定量評價與定性評價相結合，才能達到評價的目的，促進學生能力更好的發展。

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