依托機(jī)器人工作坊為機(jī)器人第二課堂搭建平臺

韓迎峰

摘 要：工作坊作為一種培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的教學(xué)模式在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，隨著機(jī)器人在中小學(xué)教學(xué)中的不斷普及，關(guān)于機(jī)器人教學(xué)方法的研究也日趨增多，作者嘗試將工作坊教學(xué)模式應(yīng)用到機(jī)器人教學(xué)中去，期許從中能不斷提高學(xué)生的動手能力、物化能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、合作意識。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；工作坊；第二課堂

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2017）22-0088-03

一、什么是工作坊

工作坊最早源于德國以培養(yǎng)工程設(shè)計師和建筑設(shè)計師為宗旨的包豪斯學(xué)院。在包豪斯學(xué)院，學(xué)生的身份是“學(xué)徒工”，“形式導(dǎo)師”教授理論性知識，“工作室?guī)煾怠苯淌诩夹g(shù)類知識，由于實踐環(huán)節(jié)需要在特定的場地進(jìn)行，因此學(xué)生的日常實踐操作空間——工作坊，逐漸成為實踐環(huán)節(jié)的核心，以此形成的實踐模式被稱為“工作坊教學(xué)”[1]。

工作坊區(qū)別于傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，它有明確的主題，鼓勵學(xué)生創(chuàng)新、實踐，從做中學(xué)，活動中有一個或者多個實踐中遇到的問題或者項目等待學(xué)生去研究和學(xué)習(xí)，活動互動性強(qiáng)，參與度高，形勢多樣。

二、為什么要建立機(jī)器人工作坊

1.機(jī)器人課堂教學(xué)存在的不足

機(jī)器人課程作為技術(shù)課程，強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”——親身體驗的技術(shù)學(xué)習(xí)方式和工程學(xué)基于項目或基于問題解決的學(xué)習(xí)方式，將技術(shù)操作“埋藏”在交流設(shè)計活動之中， 與思考問題和設(shè)計形式等相應(yīng)的活動一起進(jìn)行[2]。

高中通用技術(shù)選修課程中開設(shè)了《簡易機(jī)器人制作》選修課程，從走進(jìn)機(jī)器人的世界、讓簡易機(jī)器人動起來、讓簡易機(jī)器人完成指派任務(wù)、讓簡易機(jī)器人自動適應(yīng)環(huán)境幾個章節(jié)介紹了機(jī)器人的基礎(chǔ)知識，為進(jìn)一步的機(jī)器人學(xué)習(xí)打下了一定的基礎(chǔ)，但是這些知識點是相對簡單的，也是相對獨立的，學(xué)生雖然掌握了知識點，卻很難將此轉(zhuǎn)換為解決問題的方法。而在機(jī)器人設(shè)計與制作過程中，學(xué)生會遇到很多不可預(yù)期的問題，在有限的課堂學(xué)習(xí)時間內(nèi)，在教學(xué)形式相對單一的課堂教學(xué)中，顯然是無法解決這些問題的。其次，課堂45分鐘時間、教室空間是無法滿足學(xué)生探索機(jī)器人的渴望的。再次，由于課堂學(xué)生人數(shù)多，學(xué)生的參與度也比較低的。

所以亟需在機(jī)器人課堂教學(xué)外，采用更多樣的第二課堂的學(xué)習(xí)形式，給學(xué)生和教師提供一個克服學(xué)科教學(xué)所造成的知識和技能條塊分割的機(jī)會，綜合不同課程的知識，充分使用課堂以外的各種學(xué)習(xí)資源，展開協(xié)作式學(xué)習(xí)，創(chuàng)造性地分析和解決問題。

2.機(jī)器人工作坊在機(jī)器人教學(xué)中存在哪些優(yōu)勢

正因為機(jī)器人課堂教學(xué)存在現(xiàn)實的弊端，而在課堂之外，讓學(xué)生自發(fā)地報名、自由的組合，機(jī)器人工作坊為興趣相投、目標(biāo)一致的學(xué)生投入機(jī)器人學(xué)習(xí)提供了更好的平臺。相對于機(jī)器人課堂教學(xué)以傳授知識點為主的學(xué)習(xí)方式，在機(jī)器人工作坊中，學(xué)生是為了解決某一具體問題或者某一項目而去學(xué)習(xí)，以機(jī)器人小車轉(zhuǎn)直角彎為例，學(xué)生會圍繞這一具體明確的問題展開研究和討論，在研究和實踐中，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)影響機(jī)器人小車轉(zhuǎn)直角彎的因素很多，如地面的摩擦力、前后車輪的距離、機(jī)器人路口轉(zhuǎn)彎的起點位置、電機(jī)的轉(zhuǎn)動時間長短、前置導(dǎo)向輪的三輪小車和四輪小車的不同等因素，甚至還要考慮機(jī)器人電量變化導(dǎo)致的輸出電壓改變對于機(jī)器人轉(zhuǎn)直角彎精度的影響等，這樣的問題與生活密切相關(guān)，它不是教材上紙上談兵式的知識點闡述，學(xué)生帶著明確的目標(biāo)去學(xué)習(xí)，這是一個融會貫通多學(xué)科知識的過程，而不是課堂教學(xué)中的零散學(xué)習(xí)。一般說來，工作坊形式的社團(tuán)內(nèi)人際互動不但具有明確方向性，而且具有生產(chǎn)性，因為這種互動總是圍繞著解決或了解某個具體的問題（即不確定性）而組織的[3]。成員會自發(fā)分成一個個小組，并進(jìn)行分工，相對于課堂學(xué)習(xí)，這種跨年級、跨班級、自發(fā)組合的小組的生產(chǎn)效率會遠(yuǎn)高于課堂學(xué)習(xí)的效率。

機(jī)器人工作坊的建立，將為機(jī)器人的深入學(xué)習(xí)帶來如下幾個益處：①工作坊人數(shù)少，學(xué)生參與度高，投入程度高，學(xué)生因此產(chǎn)生的成就感、集體榮譽(yù)感等會更強(qiáng)；②活動地點靈活，教室、實驗室、會議室甚至家里都可成為活動的場所；③活動形式多樣，聽課討論、案例分析、實踐操作、分享經(jīng)驗等都是工作坊的學(xué)習(xí)形式；④話題針對性強(qiáng)，學(xué)生專注度高，圍繞某一個項目或者問題展開討論研究，相對于課堂教學(xué)，學(xué)生的專注度更高，進(jìn)而對于問題的研究深入度也更高。

三、機(jī)器人工作坊模式實踐探索

1.打好機(jī)器人課堂教學(xué)基礎(chǔ)，為機(jī)器人工作坊的開展做鋪墊

機(jī)器人設(shè)計與制作需要有個循序漸進(jìn)的過程，想一開始就能設(shè)計機(jī)器人顯然很不現(xiàn)實，學(xué)生必須從基礎(chǔ)學(xué)起，如機(jī)器人的基本組成和工作原理、機(jī)械的常用傳動方式、電子控制系統(tǒng)、單片機(jī)控制電路、常見傳感器及工作原理、機(jī)器人的程序控制等基礎(chǔ)知識，這些知識主要還是通過課堂教學(xué)來完成，這些知識點將是接下來進(jìn)行項目式學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)，而機(jī)器人設(shè)計與制作項目則不能完全依靠課堂來完成，它需要形式更多樣化、時間更充裕、環(huán)境更開放的第二課堂來完成。

2.機(jī)器人工作坊教學(xué)案例分析

目前工作坊在多個領(lǐng)域得到應(yīng)用，如教師工作坊、翻譯工作坊、急救護(hù)理工作坊、管理工作坊、影像工作坊、表演工作坊等，而在機(jī)器人的教學(xué)方面，筆者也嘗試著將工作坊帶入機(jī)器人教學(xué)的第二課堂，形成對機(jī)器人課堂教學(xué)的有益補(bǔ)充。表1是筆者為機(jī)器人工作坊針對學(xué)生完成某一機(jī)器項目而制定的某一活動方案。

機(jī)器人工作坊成員由主講教師、輔導(dǎo)教師、學(xué)生組成：①主講教師負(fù)責(zé)教學(xué)計劃的制定和方案的實施，主講教師是工作坊的決策者、組織和管理者，輔導(dǎo)教師則承擔(dān)著輔導(dǎo)學(xué)生的任務(wù)；②機(jī)器人的設(shè)計與制作是一個由理論走向?qū)嵺`的活動，前期有了機(jī)器人的課堂教學(xué)活動，工作坊活動則以實踐為主，圍繞某一個具體問題展開學(xué)習(xí)和交流，項目或者問題不是憑空想象的，而是在機(jī)器人設(shè)計制作過程中遇到的實際問題；③學(xué)生中存在很大的個體差異，有高一剛學(xué)機(jī)器人的學(xué)生，也有高二學(xué)了一年機(jī)器人的學(xué)生，高二學(xué)生可以輔導(dǎo)高一學(xué)生，從而可以在師生之間、學(xué)生之間建立充分的互動；④活動形式也可多樣化，如以介紹某種新型機(jī)器人項目為目的的專家講座、在競賽機(jī)器人中以解決某個具體問題的探討為目的的小組討論、以選拔競賽機(jī)器人參賽選手為目的的設(shè)計競賽等。圖1是機(jī)器人工作坊的活動流程圖。endprint

在這樣的活動模式中，要處理好以下幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

（1）時間分配和成員關(guān)系

機(jī)器人工作坊的核心在于實踐，所以學(xué)生的體驗和分享環(huán)節(jié)是工作坊的主要活動，主講教師在學(xué)生實踐前的講授、活動后的歸納總結(jié)、輔導(dǎo)教師活動過程中的輔導(dǎo)都是圍繞學(xué)生的實踐活動展開的。學(xué)生是活動的主體，主講教師是整個工作坊的組織者，負(fù)責(zé)任務(wù)安排和分析，以及任務(wù)中可能會遇到的主要問題的分析，輔導(dǎo)教師協(xié)助主講教師輔導(dǎo)和答疑。機(jī)器人從理論走向?qū)嵺`存在一個很大的鴻溝，機(jī)器人的設(shè)計制作過程包括任務(wù)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、零件裝配、編寫程序、調(diào)試修改等，這樣一個復(fù)雜的過程是要學(xué)生綜合多學(xué)科知識技能將之物化的結(jié)果， 所以特別對于剛接觸機(jī)器人學(xué)習(xí)的學(xué)生來說，不太容易實現(xiàn)，他甚至需要教師手把手地類似于傳統(tǒng)手工藝中師傅帶徒弟式的傳授，所以除了主講教師以外，輔導(dǎo)教師在此過程中的作用也尤為重要。

（2）問題的設(shè)計

有意義的學(xué)習(xí)關(guān)鍵是對問題的自主權(quán)，因此，向?qū)W習(xí)者提供有趣的、相關(guān)的、有吸引力的問題是必要的[4]。如果是在解決他們真正感興趣的問題，學(xué)生就可以學(xué)會思維[5]。機(jī)器人設(shè)計涉及到多個領(lǐng)域、多個學(xué)科的知識，教師在任務(wù)的安排和問題的設(shè)計時要考慮學(xué)生的特點，問題太難，憑借學(xué)生當(dāng)前已有的知識和能力根本無法解決，問題太簡單，無法調(diào)動學(xué)生的興趣。所以，教師要精心設(shè)計問題，既要圍繞已學(xué)知識點展開，又不局限于已有知識，適當(dāng)?shù)碾y度，調(diào)動其潛能，使學(xué)生超越發(fā)展區(qū)而達(dá)到下一個發(fā)展階段的水平。

（3）學(xué)生的參與度

學(xué)生必須成為教學(xué)過程的參與者，只有參與知識的發(fā)生、發(fā)展和形成過程，才能從被動接受轉(zhuǎn)為主動建構(gòu)。機(jī)器人工作坊活動模式以實踐和操作為主，雖然學(xué)生自行進(jìn)行了分組，但是組分好了不代表學(xué)生就能分工明確地完成任務(wù)，因為學(xué)生習(xí)慣了文化課程獨立式的學(xué)習(xí)方式，合作意識、協(xié)作能力也不是與生俱來的，所以在此過程中主講教師、輔導(dǎo)教師就要發(fā)揮指導(dǎo)的作用。合作差的小組往往表現(xiàn)為一人做事、多人觀望，學(xué)習(xí)效率低，學(xué)生參與度得不到保證。輔導(dǎo)教師應(yīng)及時發(fā)現(xiàn)問題，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分工，小組可以一起討論機(jī)器人設(shè)計方案，確定好方案后要進(jìn)行人員分工，誰負(fù)責(zé)硬件搭建，誰負(fù)責(zé)程序設(shè)計，硬件搭建任務(wù)相對比較大、耗時長，那又如何將硬件搭建任務(wù)進(jìn)行分解，責(zé)任到人，還可以將難度相對較低的子任務(wù)交由低年級組協(xié)助完成。在設(shè)計過程中，學(xué)生會因為某一個問題而使得整個任務(wù)停滯不前，由于解決問題和動手能力的欠缺，往往會鉆牛角尖，這時候輔導(dǎo)教師及時的介入和啟發(fā)，可以讓問題迎刃而解，學(xué)生從中學(xué)會了合作，經(jīng)歷了分析問題和解決問題的過程，也感受到了成功的喜悅。因此保證學(xué)生較高的參與度，是工作坊學(xué)習(xí)效果有力的保障。

（4）評價標(biāo)準(zhǔn)

機(jī)器人學(xué)習(xí)不同于其他學(xué)科的學(xué)習(xí)，它是理論與實踐緊密結(jié)合的一門學(xué)科，更是對學(xué)生的創(chuàng)新力高要求的學(xué)科，在機(jī)器人設(shè)計中，往往一個很巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠讓問題迎刃而解，所以在對作品和學(xué)生評價時，不能將機(jī)器人完成任務(wù)作為評價的唯一依據(jù)，對于結(jié)果的評價，還可從以下幾個方面進(jìn)行：①完成任務(wù)的穩(wěn)定性如何，機(jī)器人電量變化、場地摩擦力變化（比如灰塵影響）、環(huán)境光線變化等會不會對任務(wù)的完成造成影響；②完成任務(wù)的效率如何，耗費時間長嗎，當(dāng)前任務(wù)的完成會不會對其他任務(wù)的完成造成影響，有沒有考慮多個任務(wù)可以并行完成；③雖然部分甚至全部任務(wù)沒有完成，但是設(shè)計中技術(shù)、結(jié)構(gòu)、功能等某些方面的創(chuàng)新設(shè)計是否對后續(xù)任務(wù)的完成或其他小組任務(wù)的完成起到借鑒和啟發(fā)的作用。也就是說，在評價中設(shè)計的創(chuàng)新性指標(biāo)要占據(jù)很大的權(quán)重，這樣可以更好地激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的熱情。

四、機(jī)器人工作坊對于機(jī)器人教學(xué)的意義

筆者所在的課題組采用整群抽樣法將參加機(jī)器人學(xué)習(xí)的兩個班級分成對照班（50人）和實驗班（51人），分別采用一般課堂教學(xué)方法和工作坊教學(xué)法進(jìn)行了比較實驗，并對學(xué)生進(jìn)行了教學(xué)反饋調(diào)查，其中認(rèn)為活動充分鍛煉了自己動手能力的比例分別為74.0%和94.1%；認(rèn)為自己能夠參與其中并對任務(wù)完成做出貢獻(xiàn)的比例分別為52.0%和90.2%；學(xué)生對于課堂的滿意度分別為72.0%和88.2%；同時對學(xué)生完成任務(wù)的情況進(jìn)行了統(tǒng)計，完成率分別為64.0%和88.2%?？梢钥闯?，實驗班在學(xué)生動手能力的培養(yǎng)、學(xué)生的參與度、課堂滿意度等多個指標(biāo)上都表現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢。

機(jī)器人工作坊強(qiáng)調(diào)小組成員之間以及師生之間的相互交流，它不用傳統(tǒng)的方式傳授知識，更重視如何分析問題、如何利用創(chuàng)造性的方法解決問題，它是一種反思性實踐的過程。這種反思性實踐不脫離理論，同時它也是在尋找突破先前理論，設(shè)計出創(chuàng)新性的方案，機(jī)器人作為物化工具，它也幫助學(xué)生提高自身高級思維能力，培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知技能。因此機(jī)器人工作坊不失為一個全面提高學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)的機(jī)器人教學(xué)新模式。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：魯利瑞）endprint