学术论文

卢晓琦秦健园丁创客空间

“

[作者寄语]

感谢带领我们SNNU1队和SNNU2队参加2016-2017年“星光璀璨”VEX机器人比赛的秦健副教授等教练们的指导；感谢园丁创客空间的所有的参赛队员：赵晓慧，黄俞锡、管鑫、廖荣鑫、刘立、曹文兵、缪茜、潘瑞娟、卢晓琦。我们一起经历整个备赛过程，一起参加了2016-2017年VEX机器人中国公开赛和亚洲公开赛，获得了促进奖、创新奖和设计奖等，并再一次获得2016-2017VEX机器人美国世锦赛的名额；更要感谢陕西师范大学各职能部门以及教育学院领导老师对我们此次参赛的关心和支持，使得我们师范院校的学生也能参与到工程类的机器人大赛中。

”

基于项目式学习（PBL）的

VEX 机器人比赛选手准备过程模式的构建

卢晓琦，秦健

（陕西师范大学教育学院，陕西西安 710062）

摘要：基于项目的学习模式（Project-based Learning, PBL,下同）是以建构主义理论为指导，强调学生在真实问题情境中探究学习，从而提升学生多元能力的教学模式。按照这种教学模式开展教学，能够提高学生的学习动机，提高学生的动手实践、自主学习和解决问题的能力。本文通过查阅国内外文献梳理了基于项目的学习在教育中的应用现状,结合机器人在教育中的应用,以及笔者参与2016-2017年全国大学生VEX U两届赛事的实践经验,提出基于项目式学习的VEX U机器人竞赛选手准备过程的学习模式以及注意事项。以期为大学以及中小学开展同类机器人竞赛的准备过程提供参考。

关键词：PBL;VEX机器人比赛;教学模式

引言

PBL是一种基于建构主义理论的情景化学习方式，使学生通过应用知识、动手操作的方式来学习知识，进而加深学生对学习材料的理解，强调积极建构、合作学习[1]。

VEX机器人竞赛由美国RECF（机器人教育与竞赛基金会）创办，大赛的目标是教给学生STEM跨学科整合的知识和兴趣，培养学生的批判性思维、动手实践能、团队合作精神、领导才能和解决问题等能够适应现代社会的各方面综合素质。创客教育的兴起，又给传统的机器人教育带来了新的思路和方向。近年来创客教育背景下的机器人教育的研究也逐渐兴起，而目前将创客教育和STEM教育所提倡的项目式学习模式应用于VEX机器人比赛选手准备过程中的研究还比较少，且没有代表性。以VEX机器人竞赛为载体的项目式学习更能培养学生的在各方面的综合能力，例如，能够锻炼良好的心理素质和卓越的领导才能。因此，将PBL应用于VEX机器人竞赛选手准备过程中，为相关机器人比赛备赛过程提供参考，具有较强的现实意义。

PBL简介

PBL的定义及其特征

（1）PBL的定义

基于项目的学习（PBL）由美国的神经病学教授贝若斯在1969 年首次提出，接着在多所医学类学校中应用、修正。[2]它基于真实的教学情境，以问题解决为中心、综合多种学习途径，整合多学科的知识，强调学生的自主学习、主动参与和动手实践，真正做到了以学生为中心。尤其是目前STEM和创客教育等的提出都强调了以一个一个小项目开展教学的重要性。因此，目前该模式被广泛应用于教育领域和企业培训中。

国内外对于PBL的定义方法有很多，最具代表性的有国外学者索罗目用过程性的方法对项目式学习进行了定义：第一,项目式学习中，学生组成学习小组共同解决问题，这些问题是基于课程的跨学科的问题；第二，学生互相交流讨论，寻找解决问题的方法——通过识别、综合、分析、应用收集到的大量信息，进而形成新知识；第三，学生展示汇报自己学到的知识，由教师和同伴进行过程性和总结性评价；整个过程中，教师主要为学生提供服务、引导、组织和管理。[3]但索罗目教授从学习对象、学习方式、学习评价等方面对PBL进行描述，但是缺乏对PBL教学置于的教学环境的描述。对于PBL国内很多学者也给出了自己的理解。例如刘景福等人提出的强调以制作作品为目的的项目式学习等。

综合以上学者的定义笔者认为PBL可以简单定义为是围绕真实情境中的问题，来组织学生开展相关探究活动，最终多以作品的形式结束。

（2）PBL的特征

由R. Keith Sawyer等人编写的剑桥学习手册第二版中指出基于项目的学习有六个基本特征[1]：特征一是驱动问题，项目式学习从一个现实生活中与课程学习紧密相关的待解决的问题开始；特征二是项目的开展要围绕具体的学习目标，学生需要表现出对重点知识的掌握；特征三是参与科学实践，学生通过参与科学实践来探究驱动问题，在探索驱动问题的过程中学习和应用重要的学科知识；特征四是协作学习，师生以及家长还有社区成员形成学习共同体，开展相应的合作学习的活动，一起寻找问题解决的方法；特征五是技术工具支持学习，现代信息技术给学生提供了脚手架，帮助学生更好的参与相应的活动过程；特征六是创造作品，项目式学习的最终阶段要求学生要创造出一件能解决实际问题的产品，是项目式课堂学习的成果，是可以向他人分享的。

我们可以看出基于项目的学习中也提到了与目前的创客教育相契合的分享，机器人教育也要注意这一方面。同时基于项目的学习各个阶段实施过程中只有符合这些特征，才能达到更好的学习效果。国内外对于项目式学习在教育中的开展也要符合以上提出的几点特征。

PBL在教育教学中的应用现状

（1）国外PBL在教育中的应用现状

随着信息时代的来临，信息技术与教育教学深度融合，在线 PBL的研究成为现阶段研究的热点，通过文献研究，发现近年来国外对于PBL的研究和应用主要集中在基于项目的协作学习的研究和网络环境下项目式学习的研究上。

（2）国内PBL在教育中的应用现状

国内很多学校也相应的开展了 PBL 教学法的研究。国内对PBL的研究主要是对 PBL进行理性辨别和在部分学科应用。例如，结合中国的教育经验，对PBL引入学校后的应用前景和是否符合这一阶段的教育现状进行思考；借助互联网技术，把PBL应用于网络教学实践中，与在线教学情境相对应，探索网络环境下如何进行相应的PBL的教学设计；将的研究范围从学校教学扩展到更细化的单一学科教学、具体专题的教学设计、中小学教师专业化发展等领域［9］。最后，项目式学习也已经被引进目前新兴的创客教育等领域。

综上所述，随着互联网时代的到来，目前国外与是国内对与PBL的研究已经进入了更高的层次，更多关注网络环境下的项目式学习，混合学习中的项目式学习的设计等等，可见PBL教学模式是对传统教学模式的一个很好的补充和优化。为此，本文基于PBL在VEX机器人竞赛选手准备过程中应用的研究，不仅可以为传统的机器人教育引入新的教学方法，使机器人教育与创客教育对接，还可以为同类机器人比赛提供相应的参考。

VEX U机器人比赛简介

VEX机器人大赛是由美国机器人教育与竞赛基金会Robotics Education and

Competition Foundation(简称RECF)发起并创办，从2003年开始，每年吸引着全球50多个国家，数百万青少年参与的世界级大赛。VEX机器人比赛旨在提高学生在科学，技术，工程和数学等跨学科的综合素质。同时以比赛为载体，在备赛过程中更能培养青少年的动手实践、团队合作、领导才能和解决问题的能力。VEX机器人的备赛过程包括设计、搭建、编程、调试、练习等环节，提供了一个很好的机器人学习平台。设计过程中小组成员一起头脑风暴进行机器人结构的设计，然后共同搭建，分工明确但需默契合作。在这个过程中学生们不断分享自己的观点和搭建的机器人结构。教师则作为引导者和组织者，整个过程由学生自主完成。赛场上，不仅仅是评价学生的各种表现更重要的是考验学生的心里素质和不懈拼搏的勇气。

以2016-2017年VEX机器人比赛为例，此次比赛的主题为“星光璀璨”。此次比赛的规则要求参赛队要凭借自己的想象力和创造力搭建机器人，撰写工程笔记，并完成自动程序和手动程序的编写。搭建成型的机器人大小和所用零件必须在规则之内，并能完成规则指明的各种挑战和对抗。在备赛过程中，通过团队成员之间的协作、研究、搭建、编程、调试、练习，一直到参与比赛。整个过程融合STEM理念，以项目式学习的方法开展。最终实现项目预期目标。培养跨学科的综合技能。

在整个项目实施的各阶段中主要完成以下三个小的学习任务：

（1）搭建

在搭建过程中队员们综合运用自己学过的物理、数学等知识，严格按照比赛规则限定的机器人的大小和要求的零件和功能来进行机器人的搭建。搭建过程需完整的记录在工程笔记中。

（2）编程

结合学过的编程知识，按照比赛手册规定的场地中物品摆放的位置，进行自动赛和手动赛程序的编写，精确地将场内的得分物品抛到对方的区域内。

（3）练习

手动赛中，操控手必须通过长时间且有技巧的练习，熟练操控机器人。在赛场上要具备好的心理素质和快速的反应能力。才能达到最终的目标。

综上所述，我们可以看出VEX机器人竞赛理念和选手备赛的过程与PBL相一致。VEX机器人学习特点，VEX机器人竞赛选手准备的过程可以按照PBL的模式来进行，各阶段的实施过程中也要符合PBL的六个特征。进而能够规范VEX机器人的备赛过程，培养学习者各方面的综合能力。

基于PBL的VEX机器人

比赛备赛过程的模式构建

PBL的一般模式

通过文献研究，目前国内外很多学者都提出了PBL实施的过程模式。钟志贤、刘景福等人认为，构成PBL的四大要素分别为：内容、活动、情境和结果。PBL的学习模式主要由确定项目、制定计划、任务探究、产品创作、成果交流和评价等六个基本流程组成[10]。严寒冰提出在信息化教学中实施PBL，主要由规划项目、任务分工、制定计划、合作探究、创作作品、汇报交流和总结评价等步骤

组成。[11]张文兰等人提出了网络环境下基于课程重构理念的项目式学习模式分为三个阶段项目设计，包括项目团队构建和国家课程重构；项目实施阶段主要是确定项目、制定计划、任务探究、作品创作；项目评价阶段包括成果交流和总结评价。

根据以上学者的研究成果，结合自己的一些理解，总结出PBL的一般模式如下图一所示：

基于PBL的VEX机器人

备赛过程模式

根据PBL的一般模式，考虑到PBL的六个关键特征，结合 VEX 机器人的学习，构建了如下图2所示的基于PBL的VEX机器人竞赛选手准备过程模式。

基于PBL的VEX机器人的备赛目标是通过备赛过程中的学习，提高学生的动手操作能力、团队协作能力；激发学生的创新思维和领导才能。竞赛选手准备过程模式中包括三个阶段。即前期、中期和后期。前期主要分析比赛的可实施性和有用性和做好赛前规划；中期部分也就是备赛过程中最重要的部分，这一部分主要根据项目式学习的一般模式来制定各个阶段的任务。这个阶段还包括线下的通过微信、QQ等网络平台的交流讨论和借助赛事官方网站等各个学习平台的学习；后期的总结反思也是此次备赛的重点，并且可以将大家的总结反思以及备赛过程中的视频资料等打包，作为下一次备赛的新的案例。模式中期部分学习环节解释如下：

（1）确定比赛主题

PBL 的主题是整个教学过程的开始，PBL主题设计的是否适当，与PBL学习的最终效果密切相关。而VEX机器人备赛过程中的学习则是以VEX机器人每个赛季的比赛主题（2016-2017VEX机器人比赛的主题为“星光璀璨”）为整个项目的焦点。教师可以根据这个主题带领学生学习本赛季的比赛规则，设计相应的驱动问题，引发学生的学习兴趣。

（2）以往案例、视频观看与分析

在完成任务和解决问题的过程中，学生必须具备一定的基础知识，掌握完成本次任务的基本技能和技巧，才能将学到的知识综合运用起来。在学生解决问题过程中，教师可以借助以往的视频、案例等组织一次相关基础知识的培训，或者在学生遇到问题时给予一定的指导与帮助。帮助学生分析问题存在的原因，组织学生观看以往视频、案例，观看过程中引导学生学习相关知识。在VEX机器人学习中，教师需要组织学生观看学习以往比赛的视频和案例，引导学生学习机械结构、编写程序方面的知识。精彩的比赛视频可以加强学生的备赛信心。

（3）制定计划、确定方案

在明确项目任务的主题和目标且掌握了机器人学习的基本知识之后，教师需组织学生共同研讨，根据比赛主题和目标和备赛时间节点等各方面情况制定整个备赛各个阶段的任务计划，根据比赛规则和机器人需完成的任务确定大体的机型。

（4）讨论分组，协作完成

明确搭建的机型之后，教师组织学生根据自己的偏好和每个同学的特点进行分组。PBL中的一般以4－6人为一个学习小组，小组各成员中应能充分发挥个人的优势，共同协作提出解决问题的最佳方案。VEX 机器人比赛中需要有搭建、编程、操控、工程日志、策略、填充6个任务，搭建是所有成员共同协作完成，但也有主搭建手，工程日志、策略和填充可以分给一个人来完成。所以至少4个人一个小组。组内各成员需分工明确，每个人都有主要负责的部分，但每个任务都需要组内成员的共同合作才能完成。

（5）作品制作完成，交流展示练习

在PBL中，学生的学习结果以多种方式呈现。VEX 机器人作品完成后，可以进行组间和组内的成果交流，互相学习，改进机器。

（6）评价、总结与反思

评价主要以过程性和多元化评价为主。对于VEX的学习评价与总结的方式，教师和学生可以在每天晚上进行一次反思，也可以通过阶段性的任务完成情况来进行评价与总结。建议完成当天任务后，每人交一篇反思。并且教师要对每个人的反思及时进行反馈和改进。总结性评价主要以学生在比赛时的表现和比赛获奖情况，以及最终各个小组在此次比赛过程中形成的新的案例和经验等资源包。

以上便为基于PBL的VEX机器人备赛过程的模式。前、中、后各个备赛阶段缺一不可，也没有重要程度之分。每个阶段以及阶段中的各个项目任务的完成都可以为下一个阶段的开展实施做铺垫。同时微信等网上交流平台为备赛过程中知识的学习、交流和人员管理等方面都起到了很大的作用。

基于PBL的VEX机器人

备赛过程中的建议

根据PBL的特征和教学过程中需注意的问题，并结合此次参与VEX机器人比赛的经验。对基于PBL的VEX机器人备赛过程提出如下几点建议：

将项目分解成螺旋上升式的小任务

VEX机器人的备赛过程中，以每次的比赛主题为一个大项目。教师在引导学生完成项目时，要将项目分解为一个接一个由简到繁的螺旋式上升的小任务，有利于学生对知识的意义建构，并为学生完成每个任务时搭建相应的脚手架，引导学生完成每个小任务，进而达到相应的学习效果。

创设良好的学习环境

良好的学习环境是项目任务顺利开展的前提，良好的学习环境给学生提供了将创意变为现实的平台。机器人备赛的环境中需具备客观要素就是一个专门的足够大的实验室，实验室区域大致分为比赛场地区、搭建区、编程区、工具区等四个区域。其中比赛场地区大小必须与比赛现场的场地大小一致，提高了自动赛程序编写的准确性；搭建区，需在适合高度的圆形或者方形桌子上，使得组内成员可以共同参与搭建；编程区主要就是配备相应的计算机，一边学生理论和动手实践；工具区需要有足够的分格的盒子，因为VEX机器人搭建所需的零件和工具，类型众多。所以需要分类，以节省时间。

充分利用技术工具支持学习

现代信息技术工具给学生提供了脚手架，为学生完成各项任务时提供必要的资源和帮助。备赛过程中，运用微信、QQ等互动交流平台可以加强学生的交流互动、头脑风暴；同时还可以很方便的进行管理比如每天通知到达时间，第二天的具体任务；还可以将自己的反思上传，大家共同评价、共同进步；最重要的是可以进行知识的分享。

引导学生更好的协作学习

PBL的学习过程中，要引导学生合作完成任务，发挥各自长处。老师和学生、学生和学生之间形成学习共同体，探索解决问题的最佳方案。 VEX机器人备赛时以4-6人为一个小组。小组成员分工明确，但又要相互配合默契，协作完成每一项任务。VEX机器人备赛的搭建、编程、操控等每一个任务都有一个主要的负责人，但每个人也需要兼顾其他每一项任务。同时还有一个大队长，负责协调管理整个备赛过程。

引导学生学会反思

PBL学习过程中，在完成每一个小任务时，教师和学生都要学会进行相应的总结、反思，形成生成性学习资源，并通过反思，不断改进，完成最终项目目标。在VEX机器人学习备赛过程中教师也要组织学生进行反思，一日一小反思，一周一大反思。让学生在反思中巩固学到的知识，通过反思创造逐渐新知识并达到深度学习的目的。

引导学生学会分享

在PBL特征六创造制品中指出：项目式学习的最终阶段要求学生要创造出一件能解决实际问题的产品，是项目式课堂学习的成果，是可以向他人分享的。同样，在VEX机器人学习中，也要引导学生将自己的作品和创意展示、表达出来，与他人分享交流，共同进步。

结语

笔者作为参与2016-2017“星光璀璨”VEX 机器人比赛的队员，和团队成员一起，应用基于PBL的VEX机器人备赛过程模式，以参赛主题为项目目标。在备赛过程中，以解决一个个的小任务为阶段目标，与小组成员一同分析问题、研究解决问题的方案，在实践中改进设计方案。凝结集体力量，在解决问题的当中不断积累知识。经过一段时间的学习和准备，最终在大赛中取得了出乎意料的好成绩。在备赛学习过程中增强了学生的主动学习和协作学习以及学生的动手能力积极和解决问题的能力。小组内小队长也担任了组织、协调、管理的任务，锻炼了一定的领导能力。赛场上的激烈角逐和紧张氛围，锻炼了参赛选手的心理素质和反应速度。

基于PBL的VEX机器人竞赛选手准备过程中模式的构建与应用，为相关机器人比赛备赛过程提供参考，对于教师与学生都具有较强的现实意义。对机器人教育领域的研究以及PBL在教育中的进一步应用都有深远的意义。

参考文献

[1]Sawyer, R. K. (2014). The Cambridge Handbook of the Learning Sciences:

Cambridge University Press. (p. 324-341).

[2]邱雅番. 项目教学法应用于基于机器人的通用技术教学的研究[D].福建师范大学，

2012.

[3]黄明燕,赵建华. 项目学习研究综述——基于与学科教学融合的视角[J]. 远程教育杂志,2014,(02):90-98.

[4]张文兰,张思琦,林君芬等. 网络环境下基于课程重构理念的项目式学习设计与实践

研究[J]. 电化教育研究,2016,(02):38-45+53.

[5]陈鹏.基于创客项目的学习模式探究[J].现代教育技术,2016,(11):13-19.

[6]林仕康.高中通用技术基于项目的学习教学模式研究[D].上海师范大学,2012.

[7]黄华林. 中国青少年机器人竞赛注意事项及解决策略实践研究[J].大视野，2015，

(02).

[8]Fernandes, S. Mesquita, D.Flores, M. A, Lima, R. M. (2014). Engaging

students in learning: findings from a study of project-based education. European

Journal of Engineering Education, 39(1), 55-67.

[9]Atwood, T.: 560 Indiana teachers receive VEX robots training Thousands of additional students learning robotics competing. Robot Magazine (July/August 2008).

基金支持

1.全国教育科学“十二五”规划课题教育部重点课题《机器人在中小学创客教育中的应用研究》（DHA150287）（阶段性研究成果）

2.中国科协“高校科协示范活动”项目《中小学机器人与创客教育系列科普活动》（2017020001）（阶段性研究成果）

3. 2015年度校级高等教育教学改革研究项目《师范院校工程技术专业学生工程思维能力培养的研究与实践》（15JG13）（阶段性研究成果）

第一作者简介：

卢晓琦，女，山西临汾人，在读硕士，主要研究创客教育和机器人教育。

联系E-mail：1085283108@qq

通讯作者简介：

秦健，女，江苏常州人，硕士，副教授，硕士研究生导师，主要人工智能、机器人教育、创客教育和通用技术。

联系E-mail：qjxian@163

2017年9月发表于中国教育信息化第17期