基于PBL的機器人競賽教學模式建構*
——以“太空挑戰普及賽”為例

田木蘭 秦 健

（陜西師范大學 教育學院，陜西 西安710062）

一、引言

近幾年，隨著國家政策的推進，基礎教育不斷改革，推動我國基礎教育信息化的發展，2003年，教育部頒布了《普通高中技術課程標準（實驗）》中，把“人工智能初步”、“簡易機器人制作”分別納入到信息技術和通用技術模塊中，機器人教育開始進入我國中小學，機器人是一種能夠通過程序來控制機器完成任務的機器系統。

隨著國家政策的推廣，很多學校開展機器人課程，希望學生學習完課程后能參加機器人比賽，取得相應的成績，但是，目前很多學校無法開展專門的機器人課程，平時學的知識與競賽內容脫節，甚至有的學校為了比賽專門購買一些操作簡單的機器人，比賽之前讓學生集訓，熟悉后直接參加比賽，這樣的行為完全背離了舉辦機器人競賽的初衷，學生的各方面能力無法真正得到鍛煉，達不到育人的效果。因此，構建出適合機器人競賽的教學模式成為我國機器人教育領域的重要研究。

二、PBL簡介

（一）PBL的概念

PBL 是Problem-Based Learning 的全稱，基于問題的學習，由美國Howard Barrows 教授提出來的，他認為PBL既可以作為一門課程又可以作為一個過程。作為課程，教師設計好特定的問題，學生通過完成教師提出來的問題，鍛煉解決問題的能力和培養批判思維的能力等；作為一個過程，學生在解決種種問題的過程中可以習得知識和技能，以后遇到同類問題可以將所學習到的知識進行遷移來解決問題。也有國外學者認為，PBL 是一種教學策略，學生以小組的形式解決各種各樣的問題，在解決問題的過程中獲得知識與技能。

我國研究者認為PBL 是一種教學模式，該模式為學生創設真實且有意義的環境，學生以小組的形式合作解決實際的問題，學生通過解決問題習得知識和技能，并形成科學的思維和解決問題的能力以此解決以后類似的問題，激發學生的學習興趣并培養學生解決實際問題的能力、創新能力等。

（二）PBL的特點

1.以問題為中心

PBL 教學模式倡導在開始教學之前學生會面臨一些待解決的問題，同時這個問題必須是真實的，或者是模擬真實的，與學生的生活實際聯系在一起的。學生通過解決問題，并從中學習問題背后的知識和技能。學生在解決這些問題的過程中，通過多渠道來收集信息，最后將各種信息進行篩選并整理，從而得到一個“最佳”的解決方案。

2.小組合作學習

在PBL 教學模式下，學生在解決實際問題時并不是一個人單槍匹馬，而是需要建立一個學習小組，在過程中小組成員合理分工，相互協助，共同面對問題，不僅可以鍛煉學生的個人能力還可以學習到如何與他人溝通。

3.教師引導，學生主體

在PBL 教學模式中，教師扮演著一個引導者、咨詢者的角色，為學生的學習提供咨詢服務和指導。學生是學習的主體，自主參與到分組、收集資料、整理資料、實際操作等過程中去，如果在解決實際問題的過程中，學生沒有真正參與到解決問題的過程中，該教學模式就失去了意義。

（三）PBL在教育教學中的應用研究

1.國外PBL在教育中的應用研究

通過文獻研究發現，PBL 在國外的研究主要體現在四個方面：對學生業績的研究、對學生態度的研究、對元認知技能的獲取和運用方面的研究以及影響PBL 效果的因素研究，雖然目前PBL 逐漸成為熱點，但是大多研究處于理論階段和試驗階段。

2.國內PBL在教育中的應用研究

近幾年，國內很多院校也在對PBL 進行研究，一方面進行理性思考，如根據我國的實際情況，將PBL 引入到我國教育應用中來是有良好的應用前景，同時理性思考PBL 是否契合我國的教育發展，和在其他學科進行推廣應用。另一方面，研究在其他學科上推廣并應用PBL，如借助網絡工具和技術，在網絡教學實際中應用PBL，結合網絡教學環境，探索基于PBL 的教學系統設計的教學流程。

三、太空挑戰普及賽簡介

西覓亞-“太空挑戰普及賽”要求參賽選手使用自己搭建好的機器人，通過自己編程，去完成特定的場地任務，場地任務一共有七個：激活通信、集合隊員、解救MSL 機器人、將衛星發射到軌道中、取回巖石樣本、保證能源供應、啟動發射。要求選手操控機器人從基地出發，在120 秒內完成以上七個任務，每次從基地出發完成任務的次數和順序不限，但是一旦完成了最后一項任務“啟動發射”則視為比賽結束，要求參賽隊伍機器人的控制器必須是“EV3 控制器”，其他傳感器、電機等必須是樂高系列產品中的組件。基地如圖1所示。

圖1 基地示意圖

四、PBL在機器人學習中的應用

（一）PBL的一般模式

太空挑戰賽普及賽中以完成七個任務為目標，在完成挑戰任務的過程中，以解決一個一個問題為目的，以小組的形式分析問題，合作解決問題，討論解決問題的方案，同時在實踐中不斷改進該方案。學生通過解決問題習得知識和技能，并形成科學的思維和解決問題的能力用以解決以后類似的問題。

結合機器人學習的特點以及太空挑戰賽中七個任務的難易程度，將PBL 應用于該過程。筆者通過參考眾多研究者的成果，結合自己的一些理解，提出基于PBL學習的一般模式，如圖2所示。

圖2 基于PBL 的一般模式

根據圖2所示，結合太空挑戰賽的七個任務，將五個環節解釋如下：

1.組建小組，明確分工

PBL 模式中小組成員應能充分發揮出自己的實際水平，組內成員協作解決實際問題，在完成整個比賽的過程中，需要搭建機器，通過編程完成相應的任務。社團里的學生來自不同的年級，在分組之前給學生說明在接下來的課程中分別有：搭建手、編程手、小幫手等三個角色，每一個角色分別要完成哪些任務。學生根據自己的興趣愛好，分別填寫自己想要的角色，然后再將學生分成3-4 人一組，每個小組里必須有：搭建手、編程手以及小幫手等角色。

2.創設情境，提出問題

提出問題，是PBL 中最重要的環節，該問題的好壞直接影響學生的學習效果，在整個學習過程中，每一個任務都會出現不同的問題，同一個任務不同的參數也會出現不同的問題，如何巧妙地提出學生共同出現過的問題，會影響到學生在接下來的學習中是否有興趣去解決相應的問題。

3.集思廣益，設計方案

學生需要掌握一定的知識和技能才能解決實際問題，小組成員根據問題可以搜集資料，通過編程來驗證是否能解決該問題。也可以通過小組成員進行頭腦風暴，設計解決問題的方案，在這個過程中，教師可以提供適當的幫助也可以引導學生自己探索如何解決問題。如：在完成“激活通信”任務時，小車不借助任何機械臂直接前行，無法將通信推到頂端。

4.合作探究，展示成果

小組成員根據前面的頭腦風暴所設計的方案驗證方案是否可行，通過分工解決教師所提出來的問題，搭建手負責根據實際問題搭建出合適的機械臂來輔助完成任務，編程手則根據賽臺的實際距離來調整程序里的參數，最后需要測試，一方面是測試機械臂是否可行，另一方面是測試程序是否能完成該任務。這個過程不會一次性成功，出現問題后需要針對問題進行不斷地調試，經過調整參數完成激活通信。最后每個小組展示自己小組的成果，這里按照比賽的規則，在規定的時間內通過計分來記錄每個組的得分情況，以比賽的形式來呈現每個組的成果。

5.總結評價，學生反思

在PBL 中，學生的總結與評價的方式，主要以過程性評價和多元性評價為主，可以就平時準備比賽時出現的問題進行總結，建議每一節課后對本節課所完成的任務和所解決的問題進行總結反思，也可以在比賽后對整個比賽做總結與反思，同時教師要對學生的總結反思作出及時的回饋和評價。

（二）基于PBL的機器人競賽教學模式

基于PBL 的機器人學習是在真實的問題情境中，以小組的形式解決在完成任務中所遇到的問題，通過解決問題習得知識和技能，并形成科學的思維和解決問題的能力解決以后類似的問題，激發學生的學習興趣，以此培養學生解決實際問題的能力、創新能力是PBL 的學習目標。從開始準備到比賽結束，整個過程包括三個階段：賽前、賽中、賽后。結合PBL 教學的特點，以問題為中心，分別從教師、學生層面進行模式的構建，具體的模式如圖3所示。

圖3 基于PBL 的機器人競賽教學模式

1.賽前師生角色定位

（1）教師賽前任務

在備賽期間主要是基于PBL 理念開展教學，在整個探索過程中PBL 最大的特點就是以問題為中心，小組協作完成任務。在整個過程中教師扮演引導者的角色，通過創設情境，提出問題，引導學生發現問題、解決問題，總結經驗。學生是整個備賽過程的主體，主動對遇到的問題進行探究，通過與小組成員進行討論設計解決問題的方案，在編程測試的實踐中對方案進行修改，形成一個不斷更替的循環體。

學習者分析：在組建一個學習小組時要根據學生的實際情況進行分組，每一個學生都有自己擅長且感興趣的一塊，再加上學生是來自不同的年級階段，需要根據學生的性格特征初步進行分組，確保每個小組有搭建手、編程手、小幫手等，在接下來的教學過程中，教師通過觀察學生的行為表現對某些學生進行人員調整，保證最大限度地發揮團隊協作能力。

分析賽事規則：首先教師要清楚比賽規則，太空挑戰賽有七個任務，除了最后一個“啟動發射”是最后一項任務，完成該任務后就不能再進行前面未完成的任務，根據任務的難易程度，對七個任務進行順序的編排，和學生一起探索先完成什么任務后完成什么任務，在最短的時間內達到最優效果。

創設情境、提出問題：在PBL 中，提出問題是最主要的環節，學生在完成任務的時候教師要隨時跟蹤，記錄學生從搭建、編程到測試出現了哪些問題，根據學生的情況提出需要學生解決的問題，同時學生通過解決該問題能學習到問題背后的知識與技能，將所學到的知識與技能運用到以后的學習中去。教師在學生解決問題的過程中要提供適當的指導幫助學生解決問題。

組織總結并反思：學生完成某一任務或解決某一問題并不是一蹴而就的，都是一個不斷錯誤嘗試的過程，搭建好的機械臂也需要根據賽臺的實際情況進行調整，同時編程手在編程的時候也是要根據賽臺的距離進行調整，這個過程會出現五花八門的問題，教師需要組織學生進行總結，并反思在調試的過程中需要注意哪些問題，總結不僅能讓學生對所學到的知識與技能進行梳理還有助于其他學生吸取經驗。

（2）學生賽前任務

學生在備賽期間，需要合理分工，組員之間要相互磨合，使團隊力量到達最佳。學生在搭建、編程、調試的過程中會遇到很多問題，如：端口插錯、程序沒有命名、找錯程序、電機的參數太大或太小導致距離太長超過目標物或者距離太短機器無法接觸到目標物、在基地里沒有放置合理位置等問題都會影響到機器完成相應的任務。學生需要針對在練習過程中出現的問題進行討論，設計解決方案，通過不斷調試修改解決問題的方案，最終形成一個完整方案。

學生完成所有任務的調試后需要接受賽前模擬賽，教師按照比賽的流程進行訓練，按照比賽規定的時間120 秒，記錄學生完成任務的得分，犯規的次數等，學生在緊張的氛圍中會表現的跟平時訓練的時候不一樣，因為緊張會導致記錯程序、拿錯機械臂、忘記自己完成任務的先后順序等問題。經過多次模擬后學生的心理素質能得到一定的提升，但是還是無法預測真正比賽的時候會出現什么狀況。

2.賽中師生角色定位

（1）賽中教師任務

參加機器人比賽，特別是對于第一次參加比賽的學生來說，挑戰很大，因為教練無法進入到比賽現場，不知道賽場上會出現什么狀況，平時訓練的時候出現問題有教練在場，真正比賽的時候出現問題需要學生自己解決，這個時候最能鍛煉學生，學生也能在比賽的過程中成長起來。在學生比賽的時候教師需要做好“后勤保障”人員的工作，鼓勵學生樹立信心。

（2）賽中學生任務

學生在比賽的過程中，要做到與小組成員齊心協力，出現問題時要團結一致，沉著應對比賽，同時要做到文明參賽，要約束好自己的行為。

3.賽后師生角色定位

（1）賽后教師任務

在學生完成比賽后，無論結果如何，教師需要和學生一起總結反思，引導學生總結自己從備賽到比賽結束，自己有什么收獲，在比賽的過程中通過觀看別人的比賽自己學到了什么，同時反思自己在比賽的時候出現了什么問題，下次怎么做可以避開類似問題或者下次怎么做能解決這類問題。教師記錄學生的總結和反思，備份歸檔，為下一輪的比賽打基礎。

（2）賽后學生任務

學生完成比賽后需要總結并反思自己從備賽到比賽學到了什么，比賽的時候出現了什么問題，通過觀看別人的比賽自己有哪些地方有待改進等。

五、基于PBL的機器人學習的建議

（一）將問題分解成螺旋式上升的小任務

太空挑戰賽是一個完整的大項目，從“激活通信”到最后“啟動發射”一共七個任務。在準備比賽時學生不可能做到一次性完成所有的任務，教師需要根據學生的實際情況以及結合備賽時間，將七個任務分解成單個小任務，同一個小任務也分解成幾個螺旋式上升的小步驟，學生由簡到難，逐步解決一個個問題，引導學生完成整個比賽。學生在測試的時候遇到問題容易混亂不知道該怎么解決，這個時候需要教師引導學生發現問題，將問題拆分成單個小問題，學生解決單個小問題既容易又有信心完成接下來的任務。

（二）創設良好的學習環境

太空挑戰賽的完成需要有良好的環境支持，需要有一個符合比賽的賽臺，同時需要搭建區、編程區、工具區等場地的配合。搭建區：需要有桌子供學生搭建；編程區：需要配備相應的電腦，電腦上要安裝編程軟件提供學生實際操作；工具區：需要有配套的零件，包括下載線，裝機器和機械臂的盒子。

（三）引導學生學會反思

在準備太空挑戰賽的過程中，教師要引導學生進行反思總結，每個組都會遇到各式各樣的問題，每解決一個問題，要反思問題出在哪里，是怎么解決的，下次怎樣做可以避開這類問題；學生每完成一個任務進行一次反思，通過不斷反思，形成生成性的學習資源，為以后的學習奠定基礎，最終完成所有任務。

（四）合理分配學習小組

在PBL 的學習過程中，學習小組一般3-4 人一組，成員合理分工協助完成任務，整個比賽需要搭建手、編程手、小幫手，所以每個組至少需要有3 人。通過小組合作學習發現不同年齡階段的學生一起合作學習，一開始會有分歧，學生之間也會鬧矛盾，經過不斷地磨合，學生之間的合作意識逐漸加強，能鍛煉學生和不同年齡階段的學生的交流合作。

（五）鼓勵學生學會分享

基于問題的學習，要求學生在真實的問題情境中，解決實際遇到的問題，而每個組遇到的問題不同，正如蕭伯納所說：“你有一個蘋果，我有一個蘋果，彼此交換，仍有一個蘋果，但是你有一個思想，我有一個思想，彼此交換思想，我們就有了兩種思想，甚至更多”，鼓勵每個小組分享本組的問題以及解決問題的方法，將想法與他人共享，共同進步。

六、結束語

基于問題的學習（PBL）機器人競賽教學模式的建構，為機器人的比賽過程提供參考，對于學生和從事該領域的教師具有一定的意義。筆者在S 小學擔任機器人教師時，利用PBL 教學模式，通過小組合作解決備賽期間所遇到的問題，學生在這個過程中習得機器人搭建、編程、調試等知識與技能，培養了學生解決問題的能力、合作交流能力以及創新能力。