基于项目式学习的VEX机器人教学模式探究
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摘 要：随着人工智能+教育的浪潮不断推进，机器人教育逐渐被各界重视。我国高中的通用技术新课标中也明确将“机器人设计与制作”模块列入选择性必修中，旨在激发学生STEM方向的学习兴趣，通过机器人教学培养学生的工程思维、创新设计、图样表达、物化能力等核心素养。目前我国的机器人教育多以竞赛为依托，通过社团课或兴趣班的形式开展，尚没有系统的授课内容和方式，存在诸多问题。作者结合一线机器人教师多年来的教学经验以及自身的参赛经历，以VEX机器人为例，探究了基于项目学习的VEX机器人教学模式，为机器人教学在中小学的开展提供了参考。
关键词：人工智能;项目式学习;STEAM教育;机器人教学;VEX机器人
中图分类号：G424 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2020）02-0034-04
一、研究背景
1.机器人教育
机器人教育在国外开展较早，美国、英国、日本最具代表性，除了对机器人学习外，还利用机器人服务于课堂教学等，在各个阶段都有涉及[1]。机器人教育的研究最开始源自大学开设机器人课程，后期陆续在中小学展开了机器人教学实践活动。
我国学校教育环境中，机器人教育的推广和实践形式主要是通过通用技术和信息技术课程中的机器人模块来推进，部分学校会以社团课和比赛的形式推进，大多以小组协作展开，激发学生兴趣，培养学生动手实践和科学探究能力[2]。尤其是近几年，随着“互联网+人工智能”以及机器学习的发展，创客教育和STEAM教育日渐兴起，机器人教育如何在中小学开展成为各级领导、师生、家长关注的事情。在經济发达地区如北京、上海已有中小学开展专门的机器人以及人工智能课程，将其作为一门独立学科进行教授学习，但尚且没有形成统一的课程内容和模式。
2.VEX机器人竞赛
VEX机器人竞赛是由美国机器人教育与竞赛基金会（Robotics education and competition foundation简称 REC基金会）于2003年在美国创办的，每年参加竞赛的选手来自全球50多个国家[3]，其参赛人数打破了吉尼斯世界记录成为“最大规模的机器人比赛”。
VEX工程挑战赛也是我国科学技术协会主办的青少年机器人竞赛项目之一， 旨在为青少年机器人爱好者提供一个跨学科知识与技能的平台，该比赛采用联队对抗、现场抽签的形式，更加考验学生的临场应对能力。通过自己设计搭建的机器人在场上获取得分物，不仅要主动获取分数，还要考虑使用策略防守对方。VEX机器人相比其他机器人项目与工程、科学等领域更为接近，每年不同的项目主题以及规则和得分方式使得它相比其他机器人项目更具吸引力，在整个比赛过程中青少年的团队协作、统筹安排和解决实际问题的能力也能得到锻炼。
二、机器人教育的意义
有研究者认为，机器人教育能够将“Engineering”带进基础教育中，培养学生的 STEM素养和综合能力[4]。
1.提升学生的工程思维和计算思维
机器人竞赛需要学生设计并搭建机器人，通过计算机编程让其实现一定的功能。学生根据这一具体任务展开要素分析，进行整体规划，在整个过程中不断对机器和编程策略进行优化，通过计算机在线搜集信息资料，用计算信息思维解决问题[5]。在机器人模拟设计过程中，学生可以分析规划整个系统、结构、流程的关系。在面对激烈的比赛时，学生根据实际情况作出相应的风险评估判断和实际决策，进一步培养工程思维、创新设计等学科核心素养[6]。
2.打破传统的大班教学模式，有助于个性化教学
机器人教学作为新科目突破了传统的一言堂教学模式，多采用教师辅助、学生主导的体验式项目教学，小组成员协作学习，教师通过观察学生在课堂中的表现以及出现的问题，可进行针对性的辅导，及时处理学生在认知实践中出现的困惑，从而促进学生全面发展。
3.推进人工智能教育与STEAM教育的发展
VEX机器人的设计与制作涉及到了科学、技术、工程、艺术、数学、物理等不同科目的知识，其中机器人的机械臂设计运用到的物理齿轮传动、数学比例计算、电机的负载、算法的优化等都是跨学科教学的重要体现。通过简单机器人的设计制作，学生在实践中综合应用跨学科知识，形成对人工智能的初步认识。
4.符合国家培养目标，提升学生核心素养和综合能力
21世纪对人才的要求更加全面综合，我国普通高中的培养目标重点在于提升学生的各方面素质，发展核心素养，使其具有终身学习能力、团队协作能力和自我认知能力[7]。VEX机器人教学常采取项目式教学加辅助案例的形式，学生进行小组讨论，针对项目要求进行方案设计、头脑风暴、策略选择、角色分工，相互配合，可以一定程度上提升学生的综合能力。
三、基于项目式学习的VEX机器人教学模式探究
项目式学习强调学生融入项目中，亲自参与到活动中，通过对知识的建构解决现实中的问题[3]。而VEX机器人比赛正是一个典型的项目式学习的案例，它的工程挑战项目每年都会更新，学生拿到新赛季主题后，对其展开小组讨论，进行头脑风暴，自主制定方案与策略，设计并搭建，利用编程使机器人实现特定功能，完成相应的任务。教师可通过一个完整的项目进行教学活动，是将理论知识和实践操作相互结合并应用于教学的重要体现。
因VEX机器人比赛本身的开放性和自主性，以社团为载体进行的VEX机器人教学则具有一定的挑战性，教学主题年年更新，课堂形式灵活多样，存在因过于注重比赛结果而忽略对学生进行理论知识教学，缺乏关注学生综合发展等问题。笔者结合一线教师多年来的机器人教学经验和自身的参赛经历，以VEX机器人为例，探究出适用于中小学的基于项目式学习、以小组协作形式开展的VEX机器人教学模式（如图1所示）。 本文将以2018-2019年VEX-EDR中学组比赛为例进行说明，本赛季的主题为“攻城易帜”，该项目要求学生自主设计并搭建机器人，在场上完成相应的任务，比如用球击打旗帜或者翻碟盖。常规一场比赛时间为120秒，前15秒为自动时间，学生利用程序控制机器人，使机器人可以通过程序自动完成任务并得分判断输赢，赢的一方将在总分成绩上加4分，后105秒是手动模式，学生利用写好的手控程序使用遥控器操控机器人得分。双方在有限的时间通过完成任务获取分数，最终分数多的一方获胜。除了用冠亚季军的形式作为评价外，该项目还设置了很多专项奖，包括全能奖、技能奖、建造奖、创意奖、最佳设计奖、评审奖、巧思奖等，评价指标包含比赛战况、答辩表现、工程笔记、团队协作、机器性能和结构等。
VEX机器人比赛一般每年四五月份公布主题，在没有得到新赛季主题之前，教师主要通过翻转课堂进行教学，学生通过在各大网站上搜集往届的赛事视频，对常见的机器人机械结构和赛事规则进行基本了解[8]。在课堂上教师需要进行基本的理论知识讲解与梳理，包括物理传动原理、编程语言基础等。
1.教师进行理论教学，学生模拟练习
该赛事对学生的机械结构和编程知识有一定的要求，教师需整理历届赛事主题对应的机器人结构，分析常见的经典机械传动结构和物理原理，让学生尝试搭建并应用比如齿轮传动、拉伸结构等，对应的编程语言环境一般是基于C或C++，教师要给学生提前梳理编程语言的基本语法和简单应用。
例如：对于2018-2019年“攻城易帜”赛季，学生需要通过机器人的功能结构用球去击打赛场上的红蓝色旗帜，通过使己方颜色的旗帜朝上获取分数，除此之外场上还有红蓝色的碟盖和红蓝色的低台，分别对应不同的分值，最后根据比赛结束时场上得分物的状态记分分出胜负。常见的打球结构原型就来自于物理中的齿轮传动和滑轨力学知识。
2.采用软硬件配对模式，进行异质分组
一般的机器人学习为小组协作学习模式，而常见的合作模式有驾导配对模式、软硬件配对模式。相关研究表明，软硬配对学习模式在机器人教学中应用效果较好，学生可以更好地发挥自我能动性[9]。在前期的基础知识教学过程中，教师需要记录好课堂案例，以便及时总结，可以结合学生意愿和特长进行分组，可组间同质、组内异质。VEX项目的角色分工如图2所示。
VEX小组由4-6人组成，队伍中需要有编程者（软件）、搭建者（硬件）、操控手、记录者、运营指挥、外联管理者等，可一人饰多角，没有一个角色是独立存在的，都需要相互协作，比如前期其他人员可以配合搭建手一起来搭建机器，后期搭建手可以配合进行测试或比赛练习，整个过程非常考验学生的团队协作和沟通执行能力。“攻城易帜”赛季因其对抗性较强，场上的操控手往往视野受限制，需要有指挥人员统筹场上的情况并立刻下达决定告知操控手应该执行哪个操作，以求获得较高分数。所以现场比赛时操控手和指挥的默契尤为重要。
每队需选出一名队长，当组内进展出现问题时及时组织讨论。教师主要负责统筹整个时间点，把控每个队伍的进度，包括搭建、编程、练习、工程日志进度等，团队所有成员要根据项目的实际进展情况及时作出调整。
3.解读规则，制定计划和策略
当新赛季主题和规则公布后，教师带领学生一起解读规则，学生以小组为单位进行头脑风暴、设计机器人结构、确定比赛的策略，最终决定机器人要采用什么结构、实现怎么样的功能，并给出设计草图和零件清单，用虚拟仿真软件模拟搭建检验有效后可开始搭建。例如：针对用球击打旗帜这一子任务，可以通过不同的结构装置完成，常见的有弹射结构、抛射结构、飞轮结构等，不同的结构实现难易程度和效率均不同，需要学生去计算去尝试，教师在这个过程中要站在宏观的角度把握进度。关于创意结构的搭建和组装是学生在面临新赛季项目时需解决的最大难题，这需要学生在了解了大量的结构基础之上实现再创造。
在整个设计过程，中学生需要用系统的方法考虑机器的搭建，因为每台机器人的尺寸和电机数量都有一定的限制，学生要根据特定的约束条件决定结构的取舍，一般大家会采用打旗、翻碟盖、上擂台的方法获得分数，放弃挂高碟盘，如果设计的车是防守型的可考虑加上挑高碟盘的结构，防止万一对方挂高碟盘情况发生。
每一个思路和设计的更新迭代都是项目进展的重要体现，学生在平常搭建和编程过程中要及时做好过程性记录，包括整个过程中遇到的问题以及解决办法等。工程日志可很好地反应学生的工程行为和机器的更新迭代过程，也是作为最终参赛的一项重要评价指标，可根据实际情况由专门人员负责填写记录。
4.比赛时学生为主，教师为辅
教师主要负责学生安全达到比赛场地，观察学生赛场表现，鼓励全员参与答辩，做好辅助工作即可。师生关系如图3所示。
各小组成员提前分配好每个人的任务，包括备用工具以及零件的准备与管理，及时给电池充电，对比赛进行录像分析，得知比赛对战情况后要有专人与其他赛队沟通交流。到達场地后要进行场地测试，看是否发生异常，能否执行完所有的操作，如果存在问题需要根据实际情况现场调整。
教师要鼓励学生，不管输赢，每次比赛下来都应该根据比赛战况分析存在的问题，及时在下一场作出相对应的调整，而不是垂头丧气或者自我否定。学生在面对评审进行答辩时，队长进行总概括阐述，其他成员分别针对不同的点去描述，要留给团队每个成员足够的时间，挑选不同切入点去展示机器的特点和团队特色。
VEX比赛的项目每年更新，不同的参赛成员围绕同一个主题设计并搭建属于自己的机器人，他们均来自不同学校、不同地区甚至不同国家。比赛不仅是赛队之间的交流，更是机器人爱好者的盛宴，来自不同国家不同学校的教师们可以相互沟通，交流教学心得。学生在寻找联队时也可以加强交流，互相学习，项目和师生之间是相互联系、相互促进的。 5.赛后教师及时总结
教师根据比赛情况和学生平时的表现进行客观评价，不能过分注重比赛成绩，要关注学生在這个过程中的成长与收获，鼓励学生在比赛中多交流学习，并要求学生在比赛结束后提交总结或感悟[10]。及时对学生的反思总结先进行分析再客观评价，结合实际情况在后期的教学中进行改进，以求不断地完善教学设计提升教学效果，把握好教师和学生的主辅地位，以实现对学生的个性化培养。
四、总结
机器人教学不同于平常的课堂教学，而VEX机器人更多的是在整个项目的进展过程中锻炼学生的综合能力。教师作为一个辅助者，通过不同的教学策略和方式，让学生在准备比赛的过程中充分发挥自己特长和兴趣爱好[11]，从而促进其在搭建和编程方面的动手实践能力，培养学生的协作能力和时间观念，使学生学会自主学习解决实际问题，并对未来的专业选择和职业探索进行思考。通过基础的搭建编程学习，培养学生的工程思维、物化能力以及计算思维和逻辑能力。基于项目式学习的VEX机器人教学让学生在项目中跨学科学习应用所学知识，一定程度上有助于推进教育创新与教学的变革[12]。基于项目式的机器人教学因其灵活度较高，对教师的专业技能和统筹素养要求相对较高，未来的机器人教育发展任重而道远，还需要不断探索与实践。
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[11]黄荣怀，刘德建，徐晶晶，等.教育机器人的发展现状与趋势[J].现代教育技术，2017，27（1）：13-20.
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（编辑：鲁利瑞）
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