《信息技術(shù)課程教學(xué)之機(jī)器人教學(xué)案例-機(jī)器人教學(xué)的基本模式及設(shè)計(jì)要點(diǎn)》

《信息技術(shù)課程教學(xué)之機(jī)器人教學(xué)案例——機(jī)器人教學(xué)的基本模式及設(shè)計(jì)要

點(diǎn)》

案例使用說明

一、教學(xué)目的與用途

本案例適用于現(xiàn)代教育技術(shù)(教育碩士)、教育技術(shù)學(xué)、課程與教學(xué)論等專

業(yè)研究生的核心課程教學(xué)。具體教學(xué)如表如下：

1、知識與技能：能夠?qū)π畔⒓夹g(shù)課程機(jī)器人教學(xué)的理論基礎(chǔ)、教學(xué)模式做

分類；能夠根據(jù)實(shí)際教學(xué)需要設(shè)計(jì)相應(yīng)模式的機(jī)器人教學(xué)方案。

2、過程與方法：在觀看案例、點(diǎn)評案例、修改案例、設(shè)計(jì)案例的過程中了

解機(jī)器人教學(xué)的基本現(xiàn)狀，理解機(jī)器人教育的課程目標(biāo)，掌握機(jī)器人教學(xué)案例的

常設(shè)計(jì)要領(lǐng)。

3、情感、態(tài)度與價(jià)值觀：通過基本案例的教學(xué)，讓學(xué)習(xí)者消除從事機(jī)器人

教學(xué)實(shí)踐的畏難情緒，認(rèn)識信息技術(shù)課程教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生21世紀(jì)技能方面的重

要意義，樂于進(jìn)一步鉆研機(jī)器人教學(xué)理論與實(shí)踐。

二、涉及知識點(diǎn)

1、了解信息基礎(chǔ)課程機(jī)器人教學(xué)部分的教學(xué)現(xiàn)狀、教學(xué)目標(biāo)(計(jì)算思維、

信息素養(yǎng))等；

2、機(jī)器人教學(xué)的理論基礎(chǔ)：包括基于建構(gòu)主義的項(xiàng)目學(xué)習(xí)理論、多元智能

理論、做中學(xué)理論等。

3、機(jī)器人教學(xué)的基本模式及設(shè)計(jì)要點(diǎn)：包括實(shí)驗(yàn)?zāi)M型教學(xué)(Learningto

ImitateviaRobot)、趣味交互型教學(xué)(LearningtoInteractviaRobot)、科學(xué)探究型

教學(xué)(LearningtoInquireviaRobot)和發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)(LearningtoInventvia

Robot)四種模式。

三、配套教材

1.鐘柏昌.中小學(xué)機(jī)器人教育的理論與實(shí)踐［M］.科學(xué)出版社,2017.

2.王榮良.小學(xué)生Kodu趣味程序設(shè)計(jì)［M］.華東師范大學(xué)出版社,2015.

3.［美］艾麗西亞?吉布.開源硬件DIY：創(chuàng)客實(shí)踐指南［M］辛海洋譯.機(jī)械工

業(yè)出版社,2016.

4.李永華，王思野，高英.Arduino實(shí)戰(zhàn)指南［M］清華大學(xué)出版社,2016.

四、教學(xué)課件

l南昌大亨

eNANCHANGUNIVERSITY

機(jī)器人教學(xué)模式的分類與設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

機(jī)器人教學(xué)模式的分類與設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)課件.pptx

五、啟發(fā)思考

本案例中的啟發(fā)思考問題包括兩大類：（1）基礎(chǔ)問題，是在多案例分析的基

礎(chǔ)上提出的問題，旨在讓學(xué)生思考機(jī)器人教學(xué)的目標(biāo)追求、基本類型及各種模式

的設(shè)計(jì)要領(lǐng)。（2）具體問題，是在分析每個(gè)課例是供學(xué)生思考討論的，包括學(xué)科

內(nèi)容知識相關(guān)問題和學(xué)科教學(xué)法知識相關(guān)問題。

1、機(jī)器人教學(xué)模式的基本類型是什么？

基礎(chǔ)問

2、機(jī)器人教學(xué)的目標(biāo)追求是什么？

題

3、如何設(shè)計(jì)機(jī)器人教學(xué)方案？

學(xué)科知1、本課例的具體教學(xué)目標(biāo)是什么？

識問題2、要實(shí)施本課例教學(xué)，需要授課教師掌哪些學(xué)科知識？

具體問

3、要實(shí)施本課例教學(xué)，需要授課教師掌哪些信息技術(shù)技能（軟件及

題

其操作）？

（每個(gè)

學(xué)科教1、本案例的基本教學(xué)環(huán)節(jié)有哪些？

案例相

學(xué)法問2、本案例屬于哪種類型的機(jī)器人教學(xué)模式？

同）

題3、這種教學(xué)模式的基本流程是什么？

4、設(shè)計(jì)這種模式的教學(xué)方案時(shí)需要做哪些工作？

六、分析思路

(-)課例I:《這就是機(jī)械臂》

本堂課屬于實(shí)驗(yàn)?zāi)M型教學(xué)模式。

本案例中第一個(gè)環(huán)節(jié)是讓同學(xué)們回答什么是機(jī)械臂；機(jī)械臂能做的運(yùn)動以及

機(jī)械臂關(guān)節(jié)運(yùn)動是依靠什么來驅(qū)動的，進(jìn)而教師介紹機(jī)械臂及其工作原理。該環(huán)

節(jié)需要學(xué)生通過課前學(xué)習(xí)對機(jī)械臂有一定的了解，在講解的同時(shí)提供機(jī)械臂讓學(xué)

生進(jìn)行把玩和擺弄，意在吸引學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械臂的興趣，明確其功能并掌握其使用

方法。把玩和擺弄可以作為一種有價(jià)值和有效的教學(xué)活動，當(dāng)學(xué)生擺弄手工制品，

他們經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)創(chuàng)意，然后體驗(yàn)新的可能性。在本案例的機(jī)械臂教學(xué)中，學(xué)生玩

一玩現(xiàn)有的物品，而不是直接給他們講解學(xué)科知識，這樣能夠減少學(xué)生的畏難情

緒，創(chuàng)造輕松的學(xué)習(xí)環(huán)境，同時(shí)在玩的過程中了解真實(shí)產(chǎn)品的功能和使用方法，

為后面的學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。

本案例中第二個(gè)環(huán)節(jié)是讓同學(xué)們進(jìn)行“創(chuàng)意比拼”活動，設(shè)計(jì)可選方案。對

學(xué)生進(jìn)行分組，請每組派出一名隊(duì)員講解本組課前所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂草圖方案，由

其他幾組成員判定該機(jī)械臂設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)任務(wù)是否可行，之后對所出現(xiàn)的問題進(jìn)行探

究。教師這樣設(shè)計(jì)可以讓學(xué)生進(jìn)一步了解機(jī)械臂的構(gòu)成，并從其他組的設(shè)計(jì)中發(fā)

現(xiàn)問題和尋找設(shè)計(jì)靈感。該環(huán)節(jié)應(yīng)該組織學(xué)生拆解、拆分機(jī)器人作品，觀察作品

各部分的結(jié)構(gòu)組成以及功能實(shí)現(xiàn)的原理。學(xué)生在拆解的同時(shí)需要對各零部件作好

測量和記錄，并推斷產(chǎn)品設(shè)計(jì)的意圖，學(xué)會分析和揣摩別人的設(shè)計(jì)過程。在熟悉

其結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該根據(jù)拆解記錄復(fù)原作品，進(jìn)一步熟悉作品的構(gòu)成。同時(shí),

應(yīng)該提示設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)草圖之前需要明確以下問題：我應(yīng)該制作什么？制作的作

品是怎樣運(yùn)行的？在設(shè)計(jì)中哪些因素對目標(biāo)是起關(guān)鍵作用的以及如何操作以實(shí)

現(xiàn)目標(biāo)？學(xué)生還需要對本組設(shè)計(jì)的機(jī)械臂進(jìn)行需求分析，明確將要設(shè)計(jì)的機(jī)械臂

能夠解決實(shí)際生活中的哪些問題。意在讓學(xué)生理解工程設(shè)計(jì)是價(jià)值導(dǎo)向的活動，

在設(shè)計(jì)中需要充分考慮產(chǎn)品應(yīng)滿足的需求，以“制造”出有實(shí)際價(jià)值的物品。

本案例中第三個(gè)環(huán)節(jié)是進(jìn)行“心靈手巧”活動，學(xué)生把玩和擺弄，并制作原

型。各組分工合作，根據(jù)機(jī)械臂草圖搭建機(jī)械臂模型，利用程序圖卡完成程序設(shè)

計(jì)圖。該環(huán)節(jié)學(xué)生們動手操作去搭建機(jī)械臂，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力和團(tuán)隊(duì)

協(xié)作能力。本環(huán)節(jié)的教學(xué)旨在讓學(xué)生動手制作自己設(shè)計(jì)的機(jī)器人原型，理解科學(xué)

技術(shù)知識如何轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品，以獲取更深層的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。制作原型之前，需要

從可選方案中選擇最佳的設(shè)計(jì)方案，以保證產(chǎn)品“制造”過程能夠順利進(jìn)行。還

要讓學(xué)生考慮多方面的限制條件，如特定的需求、成本、安全、制造、環(huán)保、文

化和綜合性因素。在選擇的最佳方案基礎(chǔ)上，依據(jù)機(jī)械臂草圖制作機(jī)械臂原型，

包括造型搭建和程序設(shè)計(jì)。

本案例中第四個(gè)環(huán)節(jié)是進(jìn)行“這，就是機(jī)械臂”活動，讓學(xué)生上機(jī)調(diào)試，進(jìn)

行評價(jià)。測試與評價(jià)是工程設(shè)計(jì)的重要組成部分。機(jī)器人制作過程中允許故障再

現(xiàn)，允許學(xué)生試錯,甚至可以人為制造故障以便通過實(shí)驗(yàn)反證正確的理論和方法,

因此本環(huán)節(jié)的教學(xué)意圖就是用這種方法鍛煉學(xué)生解決真實(shí)問題的能力。學(xué)生在動

手排除故障和解決問題中獲得的直接經(jīng)驗(yàn)對學(xué)生的發(fā)展是非常重要的，因?yàn)楫?dāng)他

們將來遇到類似的真實(shí)問題，他們能夠在已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上快速形成類似問題解

決的系統(tǒng)心理表征。而且，學(xué)生經(jīng)過不斷的測試與調(diào)試，使自己設(shè)計(jì)的機(jī)器人最

終達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，可以極大地增強(qiáng)學(xué)習(xí)成就感。

最后，總結(jié)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)原則，并闡述創(chuàng)客項(xiàng)目的一般流程。該教學(xué)模式適合學(xué)

習(xí)機(jī)器人學(xué)科知識，在機(jī)器人學(xué)習(xí)的高級階段可能不再適用。

(-)課例2：《飛機(jī)坦克大戰(zhàn)》

本堂課屬于趣味交互型教學(xué)模式。

本案例中第一個(gè)環(huán)節(jié)是需求分析階段。如今，電腦游戲越來越受到青少年的

追捧，那么學(xué)生作為用戶在體驗(yàn)電腦游戲時(shí)，是否對游戲的賽制、音效、動畫等

因素滿意呢？有沒有想過設(shè)計(jì)一款屬于自己的游戲呢？本節(jié)課是師生一起扮演

一次游戲設(shè)計(jì)師，發(fā)散思維，制作具有個(gè)性化的電腦游戲。本次的游戲主題是“飛

機(jī)坦克大戰(zhàn)”，要完成該游戲，首先需要確定游戲所需角色、對抗模式、游戲規(guī)

則和關(guān)卡設(shè)置，請學(xué)生對以上要素進(jìn)行討論，并填寫表1。為便于學(xué)生學(xué)習(xí)，示

例作品的游戲規(guī)則為：游戲以坦克戰(zhàn)勝飛機(jī)為目標(biāo)，操作者使用傳感器控制坦克

的運(yùn)動方向和炮彈發(fā)射，飛機(jī)不斷地從舞臺上方飛過，并隨機(jī)地向下投放炸彈；

坦克擊中飛機(jī)得一分，若飛機(jī)擊中坦克，則游戲結(jié)束。在實(shí)現(xiàn)符合上述規(guī)則的游

戲后，同學(xué)們可以根據(jù)自己的思路優(yōu)化游戲規(guī)則。

本案例中第二個(gè)環(huán)節(jié)是方案設(shè)計(jì)階段。首先，確定交互方式。在本案例中，

用戶通過操作機(jī)器人端來控制游戲中的坦克角色，為了更貼近學(xué)生現(xiàn)實(shí)中的使用

經(jīng)驗(yàn)，本案例采用手控設(shè)備即觸摸式交互的形式實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。其次，確定子系

統(tǒng)功能。機(jī)器人端子系統(tǒng)功能是模擬電腦游戲的手控設(shè)備，并向計(jì)算機(jī)端輸入用

戶的操作動作信息；計(jì)算機(jī)端子系統(tǒng)功能是顯示游戲的場景、角色和分?jǐn)?shù)等，獲

取并分析計(jì)算機(jī)端的輸入信息，根據(jù)分析結(jié)果做出相應(yīng)的反饋。然后，確定輸入

輸出子系統(tǒng)開發(fā)方案。在機(jī)器人端的輸入輸出子系統(tǒng)的輸入部分，機(jī)器人端需要

獲取用戶移動坦克和發(fā)射炮彈的控制動作，能夠?qū)崿F(xiàn)以上功能的機(jī)器人元件多種

多樣，考慮到經(jīng)濟(jì)因素和操作設(shè)備的便捷性，本案例采用的是與游戲手柄類似的

搖桿。在輸出部分，機(jī)器人端可以輸出聽覺、視覺等信息，比如炮彈擊中飛機(jī)后

蜂鳴器發(fā)出爆炸的聲音。本部分不涉及本課的新知，因此由學(xué)生自主設(shè)計(jì)、開發(fā)。

計(jì)算機(jī)端的輸入輸出子系統(tǒng)在輸入部分，可以直接使用“傳感器讀取模塊”獲取

機(jī)器人端的輸入信息，此處應(yīng)分清傳感器類型（數(shù)字型）。在輸出部分，首先由

學(xué)生自行設(shè)計(jì)控制機(jī)器人端多媒體信息輸出的程序指令。由于本游戲?qū)儆谝巴鈱?/p>

抗模式，因此應(yīng)選擇具有軍事色彩的坦克、飛機(jī)等素材。為了便于開發(fā)，可將案

例拆解為以下任務(wù)：角色的初始化一一識別搖桿的動作一一改變“坦克”角色的

運(yùn)動一一控制坦克發(fā)射炮彈一一控制坦克炮彈角色的運(yùn)動一一判斷坦克炮彈是

否擊中飛機(jī)一一控制飛機(jī)的運(yùn)動一一顯示飛機(jī)在被坦克炮彈擊中后的狀態(tài)一一

飛機(jī)炮彈的發(fā)射一一游戲結(jié)束，可根據(jù)該思路逐一完成程序的編寫。

本案例中第三個(gè)環(huán)節(jié)是方案實(shí)施階段。本案例使用的軟件和硬件分別是S4A

（ScratchforArduino）和搖桿。與Scratch相比，S4A提供了傳感器和驅(qū)動控制

模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)Arduino開源硬件平臺的簡單編程。搖桿由三組引腳組成，其中

X引腳能夠獲取搖桿的橫向控制，Y引腳能夠獲取搖桿的縱向控制，Z引腳能夠

獲取搖桿按鈕的值。根據(jù)設(shè)計(jì)思路連接、搭建機(jī)器人硬件，并將機(jī)器人控制板與

計(jì)算機(jī)相連。組織學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)思路自行編寫程序指令控制機(jī)器人端多媒體信息

的輸出方式。本案例涉及坦克、飛機(jī)、坦克炮彈、飛機(jī)炮彈、舞臺背景等角色，

根據(jù)設(shè)計(jì)要求在網(wǎng)上搜集相關(guān)圖片素材，使用圖形處理軟件進(jìn)行編輯，也可鼓勵

學(xué)生自行繪制角色造型。本案例涉及的主要知識點(diǎn)是角色間的“偵測”，教師演

示“偵測模塊”的功能及使用方法，梳理完成游戲各項(xiàng)任務(wù)的程序編寫思路，最

終由學(xué)生完成游戲的開發(fā)。

（三）課例3：《小車勻變速直線運(yùn)動》

本堂課屬于科學(xué)探究型教學(xué)模式。

本案例中第一個(gè)環(huán)節(jié)是教學(xué)分析。探究小車勻變速直線運(yùn)動是高中物理階段

的重要實(shí)驗(yàn)?；趥鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)處理數(shù)據(jù)的不足，本案例將利用Arduino自動獲取數(shù)

據(jù)的優(yōu)勢，自制一套探究小車勻變速直線運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)裝置，使用這款裝置，無須

手動測量及計(jì)算，便可通過計(jì)算機(jī)得到所需數(shù)據(jù)及小車運(yùn)動的v-t圖像，深入理

解加速度等物理知識。

本案例中第二個(gè)環(huán)節(jié)是過程設(shè)計(jì)。根據(jù)上述科學(xué)探究型教學(xué)的五個(gè)基本過

程，圍繞小車勻變速直線運(yùn)動設(shè)計(jì)了完整的教學(xué)過程。在提出問題與形成假設(shè)階

段，探究問題由教師從真實(shí)生活中的現(xiàn)象引入：平常我們看到汽車或火車啟動加

速的過程，物體下落的過程，小孩子滑滑梯的過程，速度都是越來越快，但能夠

直接判斷出他們做的是勻變速直線運(yùn)動嗎？學(xué)生根據(jù)各自的經(jīng)驗(yàn)及查閱資料形

成假設(shè)；在制定計(jì)劃和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)階段，采用小組合作的方式制定具體的探究計(jì)劃

和規(guī)劃實(shí)驗(yàn)方案；在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和收集數(shù)據(jù)階段，要求學(xué)生按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)

方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和收集數(shù)據(jù)；在分析數(shù)據(jù)和得出結(jié)論階段，要求學(xué)生將收集的數(shù)據(jù)

利用Excel繪制小車運(yùn)動的v-t圖像，從而更加直觀地得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，驗(yàn)證或證

偽假設(shè)；在評價(jià)與反思階段，引導(dǎo)學(xué)生解讀各自的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合

理性和可靠性，并結(jié)合評價(jià)表從多個(gè)角度分析實(shí)驗(yàn)存在的問題和改進(jìn)的思路。

本案例中第三個(gè)環(huán)節(jié)是工具設(shè)計(jì)。利用機(jī)器人探究小車勻變速直線運(yùn)動，在

工具設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需解決以下問題：使用何種傳感器獲取小車的運(yùn)動速度？如何搭建

實(shí)驗(yàn)裝置？如何編寫程序。教師鼓勵學(xué)生交流討論，同時(shí)給予適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)。例如:

可以提示學(xué)生利用測量位移的超聲波傳感器和記錄時(shí)間的時(shí)間模塊，只要測量出

小車在一定時(shí)間內(nèi)的位移，便能得出其某一時(shí)刻的瞬時(shí)速度；也可鼓勵學(xué)生利用

身邊木板、紙杯、積木等搭建實(shí)驗(yàn)裝置；在程序編寫時(shí)還要提醒學(xué)生思考每隔多

長時(shí)間記錄小車距離斜坡頂端的距離，哪些模塊可用于計(jì)算小車在移動中的瞬時(shí)

速度，如何將數(shù)據(jù)輸出等問題。

本案例中第四個(gè)環(huán)節(jié)是評價(jià)設(shè)計(jì)。對學(xué)生學(xué)習(xí)成效的評價(jià)主要以評價(jià)量表的

六個(gè)維度為標(biāo)準(zhǔn)，對各個(gè)小組的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行量化對比分析，如圖1所示。

25

20

miinmuliniiIlliIUIImu

第一ig第二ig第三盤第四俎第五退第六蛆第七選

■帆器人知識和技術(shù)■提出問通和形成或設(shè)■制定計(jì)劃和設(shè)計(jì)實(shí)獨(dú)

■進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和收集數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù)和得出結(jié)論■評價(jià)與反思

圖1各小組學(xué)習(xí)情況對比圖

本案例中第五個(gè)環(huán)節(jié)是教學(xué)效果分析。通過搭建機(jī)器人探究小車勻變速直線

運(yùn)動，學(xué)生的收獲主要體現(xiàn)在以下方面：a.加深了對位移、速度及加速度等物理

知識的理解，掌握了超聲波傳感器的使用方法；b.提高了動手能力及科學(xué)的分析

問題和解決問題的能力；c.體驗(yàn)了科學(xué)探究的過程，感受了機(jī)器人為我們的工作

和學(xué)習(xí)帶來的便利等。根據(jù)課堂觀察，學(xué)生在本次探究實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作中也遇到

了一些問題。例如：有時(shí)小車滑到一半就停止運(yùn)動了；有時(shí)還沒來得及收集幾條

數(shù)據(jù)，小車就已滑到底端了。要解決這些問題，需要對斜面的坡度進(jìn)行多次調(diào)試。

有學(xué)生還提出了采樣頻率的問題，表示如果將采樣頻率設(shè)置為01秒，那么得到

的v-t圖像會產(chǎn)生很大的偏差，由此引發(fā)了新的探究問題一一有什么辦法，可以

先采集數(shù)據(jù)并記錄，最后再一次性輸出呢？這些問題的產(chǎn)生和合理引導(dǎo)可以有效

促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)走向深入。整體而言，科學(xué)探究型教學(xué)很容易遭遇理論設(shè)計(jì)與實(shí)

驗(yàn)效果不一致的情況，要解決這一問題，需要允許學(xué)生多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。多次實(shí)驗(yàn)

的目的，一方面是不斷發(fā)現(xiàn)和減少干擾誤差，獲得理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；另一是實(shí)驗(yàn)

結(jié)果可能具有隨機(jī)性，需要取多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值作為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（四）課例4：《激光測距測高儀的開發(fā)》

本堂課屬于發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式。

本案例中第一個(gè)環(huán)節(jié)是明確需求或問題。在日常生活中，當(dāng)需要測量一些物

體的高度或物體間的距離時(shí)，往往使用尺子類工具。但是，如果所測范圍過高或

者過長時(shí)，則會出現(xiàn)尺子長度不夠或誤差較大等問題,而且測量時(shí)需要人工拉線,

又會導(dǎo)致工作效率和測量精度低等問題。為了減少以上問題的出現(xiàn)，需要開發(fā)一

款測量儀器，使其方便人們的測量工作。

本案例中第二個(gè)環(huán)節(jié)是調(diào)研已有方案。針對此類問題，通過網(wǎng)絡(luò)查找發(fā)現(xiàn)，

市場上除了常見的米尺、卷尺，還有激光干涉儀、光電測距儀、激光測距儀、超

聲波測距儀、紅外測距儀等儀器。其中，后三種儀器具有觀測速度快、不受地

形影響、精度高等優(yōu)點(diǎn)，而且能夠同時(shí)獲取水平距離和垂直高度，具備瞄準(zhǔn)和

顯示功能。

本案例中第三個(gè)環(huán)節(jié)是設(shè)計(jì)可選方案。師生需要開發(fā)一種測量精度高、簡單

易做、成本又相對低的儀器。一般來說，一個(gè)物品的成本與其制作復(fù)雜度是成正

比的，因此，若要降低成本，則需要簡化其制作復(fù)雜度。然而，制作復(fù)雜度又

關(guān)乎物品的精度?？梢钥闯?，本問題的沖突在于制作復(fù)雜度與精度之間，對應(yīng)

TRIZ的通用工程參數(shù)為“可制造性”與“測試精度”。這里，師生要改善的參數(shù)

為“可制造性”，惡化的參數(shù)為“測試精度二

表4中小學(xué)生可使用的沖突矩陣表(部分)

改善的參數(shù)12338

惡化的參數(shù)運(yùn)動物體的重量靜止物體的重量運(yùn)動物體的長度自動化程度

1運(yùn)動物體的重量28.21.217.15,282.25.24,1

2靜止物體的靂量2.113,17.2,2817,52,23.13

3運(yùn)動物體的長度17.15.11.2.17.15.517,1.14.1517.24.5.25.2

38自動化程度28.13.1428.1317.2?.14.13,2513.2.28.1.24

沖突矩陣表中相應(yīng)的發(fā)明原理有：35、12、1、6、28、13、15、29,去掉不

適用于中學(xué)生的原理，剩下1、6、28、13、15。結(jié)合本案例問題的需求，可利

用的原理有多用性和機(jī)械系統(tǒng)替代，即借助光波來感測物體，并能一次性實(shí)現(xiàn)測

距和測高的功能。同時(shí)，為避免結(jié)構(gòu)復(fù)雜和制作難度過大，從一次性測得高度和

距離值的角度出發(fā)進(jìn)行思考，進(jìn)而通過數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)得出距離。如果要測量物

體P到物體T的距離，我們可以用如下辦法：如圖2所示，在物體P處找兩個(gè)

點(diǎn)，如A、B,分別連接物體T的C點(diǎn)。這時(shí)，只要知道NBAC(91)和NABC

(02)的角度，以及AB線段的長度，就可以算出C點(diǎn)到AB的垂直距離L。

同樣，我們可以利用這樣的原理得到物體的高度或者長度。

圖2教學(xué)原理圖

本案例中第四個(gè)環(huán)節(jié)是制作原型。根據(jù)上面的原理，要制作一個(gè)新型的激光

測距測高儀，大致需要微控制器、角度傳感器、液晶顯示器、激光頭等材料。為

使作品更具實(shí)用性，可以使用雕刻機(jī)或者3D打印機(jī)制作激光頭和角度傳感器的

連接件，并做一個(gè)底板固定這些儀器。

七、理論依據(jù)

(-)實(shí)驗(yàn)?zāi)M型教學(xué)模式解析

實(shí)驗(yàn)?zāi)M型教學(xué)是當(dāng)前機(jī)器人教學(xué)中的常態(tài)，當(dāng)我們提到“傳統(tǒng)的”機(jī)器人

教學(xué)時(shí)，實(shí)際上說的就是此類教學(xué)模式。此類教學(xué)的基本特點(diǎn)是以機(jī)器人相關(guān)技

術(shù)作為教學(xué)內(nèi)容的主體，將機(jī)器人本身作為學(xué)習(xí)的對象，以掌握機(jī)器人本體知識

為導(dǎo)向。其基本教學(xué)過程表現(xiàn)為，根據(jù)任務(wù)要求，引導(dǎo)學(xué)生使用自己的機(jī)器人平

臺，構(gòu)建具有自主控制能力的智能裝置，模擬實(shí)驗(yàn)或模擬再現(xiàn)生產(chǎn)生活中既有科

技產(chǎn)品的功能或工作過程，在此過程中習(xí)得機(jī)器人的基礎(chǔ)知識和基本技能，并有

可能提高學(xué)生的逆向工程能力。因此建構(gòu)了一個(gè)六階段的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)?zāi)M型教學(xué)

模式：把玩和擺弄、產(chǎn)品解構(gòu)與復(fù)原、產(chǎn)品需求分析、設(shè)計(jì)可選方案、制作原型、

測試與評價(jià)。該模式幫助學(xué)生在設(shè)計(jì)和重構(gòu)產(chǎn)品的過程中，了解抽象的、理論性

的科學(xué)技術(shù)知識轉(zhuǎn)變?yōu)樯鐣璧漠a(chǎn)品和服務(wù)的過程，從而提高其設(shè)計(jì)能力和問

題解決能力。需要注意的是，由于學(xué)生在學(xué)習(xí)習(xí)慣、己有的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)等方面存在

差異，在教學(xué)過程中可根據(jù)實(shí)際情況對這六個(gè)階段作相應(yīng)取舍，有側(cè)重地選擇部

分階段開展教學(xué)活動，而不必苛求六個(gè)階段的完整性。

(1)把玩和擺弄(Playing)

本環(huán)節(jié)的教學(xué)意在吸引學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，明確既有產(chǎn)品的功能，掌握其使用

方法。把玩和擺弄可以作為一種有價(jià)值和有效的教學(xué)活動，當(dāng)學(xué)生擺弄手工制品，

他們經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)創(chuàng)意，然后體驗(yàn)新的可能性。在機(jī)器人教學(xué)中，先讓學(xué)生玩一玩

現(xiàn)有的物品，而不是直接給他們講解學(xué)科知識，能夠減少學(xué)生的畏難情緒，創(chuàng)造

輕松的學(xué)習(xí)環(huán)境，同時(shí)在玩的過程中了解真實(shí)產(chǎn)品的功能和使用方法，為后面的

學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。

(2)產(chǎn)品解構(gòu)與復(fù)原(DissectingandRecovery)

本環(huán)節(jié)的教學(xué)意在讓學(xué)生用逆向工程思維來理解工程設(shè)計(jì)過程，通過觀察、

分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能，學(xué)習(xí)相關(guān)的學(xué)科知識。產(chǎn)品解構(gòu)意指拆解、拆分機(jī)器人作

品，觀察作品各部分的結(jié)構(gòu)組成以及功能實(shí)現(xiàn)的原理。學(xué)生在拆解的同時(shí)需要對

各零部件作好測量和記錄，并推斷產(chǎn)品設(shè)計(jì)的意圖，學(xué)會分析和揣摩別人的設(shè)計(jì)

過程。在熟悉其結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該根據(jù)拆解記錄復(fù)原作品，進(jìn)一步熟悉作品

的構(gòu)成。

(3)產(chǎn)品需求分析(AnalyzingofProductRequirement)

本環(huán)節(jié)的教學(xué)意在讓學(xué)生理解工程設(shè)計(jì)是價(jià)值導(dǎo)向的活動，在設(shè)計(jì)中需要充

分考慮產(chǎn)品應(yīng)滿足的需求，以“制造”出有實(shí)際價(jià)值的物品。對已有產(chǎn)品進(jìn)行剖

析以后，學(xué)生需要明確將要設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠解決實(shí)際生活中的哪些問題。以智

能風(fēng)扇為例，聲控風(fēng)扇在黑暗環(huán)境中便于控制，自動變速風(fēng)扇能根據(jù)人與風(fēng)扇的

距離或溫度自動調(diào)整轉(zhuǎn)速，而遙控風(fēng)扇則能用遙控器實(shí)現(xiàn)對風(fēng)扇的多種控制。

(4)設(shè)計(jì)可選方案(DesigningMultipleSolutions)

本環(huán)節(jié)的教學(xué)意在讓學(xué)生針對問題提供可選的多種解決方案，提高工程設(shè)計(jì)

能力。根據(jù)產(chǎn)品需求分析的結(jié)果設(shè)計(jì)可選方案是非常重要的環(huán)節(jié)，工程師的一項(xiàng)

重要能力就是能針對問題設(shè)計(jì)多種解決方案。設(shè)計(jì)者需要明確以下問題：我應(yīng)該

制作什么？制作的作品是怎樣運(yùn)行的？在設(shè)計(jì)中哪些因素對目標(biāo)是起關(guān)鍵作用

的以及如何操作以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)1?例如要實(shí)現(xiàn)對風(fēng)扇的智能控制，可以有多種途徑

來實(shí)現(xiàn)，包括用模擬聲音傳感器獲取聲音信號，然后利用直流電機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇；利

用超聲波傳感器獲取人與風(fēng)扇的距離，并將距離值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；或者

獲取遙控器不同按鍵的鍵值，通過判斷鍵值賦以電機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速值或停止電機(jī)。

(5)制作原型(Prototyping)

實(shí)驗(yàn)?zāi)M型教學(xué)的最終成果是模擬再現(xiàn)已有的參照物體，本環(huán)節(jié)的教學(xué)旨在

讓學(xué)生動手制作自己設(shè)計(jì)的機(jī)器人原型，理解科學(xué)技術(shù)知識如何轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)

品，以獲取更深層的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。制作原型之前，需要從可選方案中選擇最佳的設(shè)

計(jì)方案，以保證產(chǎn)品“制造”過程能夠順利進(jìn)行。設(shè)計(jì)者需要系統(tǒng)考慮多方面的

限制條件，如特定“客戶”的需求、成本、安全、制造、環(huán)保、文化和綜合性因

素。在選擇的最佳方案基礎(chǔ)上，使用機(jī)器人模擬制作產(chǎn)品原型，包括機(jī)器人的造

型搭建和程序設(shè)計(jì)。如制作智能風(fēng)扇，將風(fēng)扇電機(jī)、傳感器和主控板連接好，搭

建一定的造型，然后編寫程序?qū)崿F(xiàn)傳感器與電機(jī)的配合運(yùn)行。

(6)測試與評價(jià)(TestingandAssessing)

測試與調(diào)試是工程設(shè)計(jì)的重要組成部分。機(jī)器人制作過程中允許故障再現(xiàn)，

允許學(xué)生試錯，甚至可以人為制造故障以便通過實(shí)驗(yàn)反證正確的理論和方法，因

此本環(huán)節(jié)的教學(xué)意圖就是用這種方法鍛煉學(xué)生解決真實(shí)問題的能力。機(jī)器人作品

原型制作過程中，涉及大量的測試與調(diào)試工作，旦越復(fù)雜的系統(tǒng)測試與調(diào)試的難

度越大。學(xué)生在動手排除故障和解決問題中獲得的直接經(jīng)驗(yàn)對學(xué)生的發(fā)展是非常

1LIY,HUANGZ,JIANGMeal.Theeffectonpupils*scienceperformanceandproblemsolvingabilitythrough

lego:Anengineeringdesign-basedmodelingapproach[J].Journalofeducationaltechnology&

society,2016,19(3):143-156.

重要的，因?yàn)楫?dāng)他們將來遇到類似的真實(shí)問題，他們能夠在已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上快

速形成類似問題解決的系統(tǒng)心理表征。而且，學(xué)生經(jīng)過不斷的測試與調(diào)試，使自

己設(shè)計(jì)的機(jī)器人最終達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，可以極大地增強(qiáng)學(xué)習(xí)成就感。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M型教學(xué)主要通過模擬再現(xiàn)生活中的事物來學(xué)習(xí)機(jī)器人學(xué)科知識，這

種模式不強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新，而創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是機(jī)器人學(xué)習(xí)的一個(gè)重要目標(biāo)，因此在機(jī)

器人學(xué)習(xí)的高級階段，實(shí)驗(yàn)?zāi)M型教學(xué)模式可能不再適用。

（二）趣味交互型教學(xué)模式解析

所謂趣味交互型教學(xué)是指以開發(fā)有趣、好玩的機(jī)器人聯(lián)機(jī)交互系統(tǒng)為主要任

務(wù)的教學(xué)。其基本形態(tài)是在計(jì)算機(jī)中編寫和運(yùn)行程序，將機(jī)器人（如Arduino主

控板）作為控制端，通過機(jī)器人與計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行交互，而非采用鼠標(biāo)與鍵盤。

誠如上文所言，盡管國內(nèi)外有交互媒體相關(guān)的研究與實(shí)踐，但真正能夠體現(xiàn)以機(jī)

器人為中介的人機(jī)交互系統(tǒng)的實(shí)踐依然偏少，可資借鑒的經(jīng)驗(yàn)有限。

機(jī)

器

人

端

入

輸

出

輸

統(tǒng)

系

確

確

確

定

定

作

定,T完整性I

品J

交

系

皆

統(tǒng)

苴

功

餐

類…趣味性:

能嬪寫程序獲

則取機(jī)器人端

兌

計(jì)輸入的信息技集、整理、

端

機(jī)編輯多媒體信

輸入編寫機(jī)器人息素材

輸

出

端的程序控

系統(tǒng)

制指令編寫程序控制

多媒體信息的

：組織多媒體

I信息呈現(xiàn)

懦求分析階段也美諛“色理;4方案實(shí)施階段4測試階段3f坪價(jià)階段|

圖1趣味交互型教學(xué)模式

（1）需求分析階段

本環(huán)節(jié)旨在幫助學(xué)生梳理設(shè)計(jì)思路，宏觀上把握作品的設(shè)計(jì)方向，從作品功

能的角度確定作品類型，并根據(jù)各個(gè)作品類型的特點(diǎn)明確所要實(shí)現(xiàn)的作品主題與

基本功能等。

①模擬仿真類。由于模擬仿真類作品與實(shí)驗(yàn)?zāi)M型機(jī)器人具有相似性，因此,

可以參照實(shí)驗(yàn)?zāi)M型教學(xué)的“把玩和擺弄”環(huán)節(jié)，要求學(xué)生嘗試操作要模擬的實(shí)

物。與實(shí)驗(yàn)?zāi)M型不同的是，學(xué)生主要觀察事物的控制過程，思考使用何種機(jī)器

人硬件模擬系統(tǒng)的控制手段。

②數(shù)字故事類。一般故事中包含了角色、場景、情節(jié)（包括起因、經(jīng)過和結(jié)

果）等要素，在前期開發(fā)階段，學(xué)生可通過編寫故事腳本來厘清故事的發(fā)展脈絡(luò)。

同時(shí)，故事腳本中還應(yīng)體現(xiàn)出“如何使用機(jī)器人硬件影響故事中的角色”“當(dāng)被

控角色的行為發(fā)生變化后會怎樣影響故事情節(jié)”等關(guān)鍵問題。

③交互游戲類。在本階段，要求學(xué)生確定游戲所需角色、對抗模式、游戲規(guī)

則和關(guān)卡設(shè)置等要素。

④應(yīng)用程序類。要求開發(fā)者描述要解決的問題背景、問題中的主要矛盾和解

決策略，使用機(jī)器人聯(lián)機(jī)交互系統(tǒng)解決該問題的必要性、可行性等。

（2）方案設(shè)計(jì)階段

在作品方案設(shè)計(jì)階段，首先要遵循趣味性機(jī)器人聯(lián)機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，

然后在設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，從兩個(gè)輸入、輸出子系統(tǒng)的角度提出具體的作品設(shè)計(jì)

方案。

①趣味性機(jī)器人聯(lián)機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

與一般機(jī)器人作品相比，趣味性機(jī)器人聯(lián)機(jī)交互系統(tǒng)有其獨(dú)特性，故在方案

設(shè)計(jì)階段需引導(dǎo)學(xué)生充分關(guān)注其特性，以便進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)。

從教育價(jià)值的角度，作品需要體現(xiàn)知識性。在引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)作品方案時(shí)，教

師要隨時(shí)觀察學(xué)生的設(shè)計(jì)過程，一方面要適時(shí)鼓勵學(xué)生改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，適當(dāng)嵌入

新的知識點(diǎn)；另一方面，需要引導(dǎo)學(xué)生思考如何綜合運(yùn)用已學(xué)知識設(shè)計(jì)出更具個(gè)

性的方案。

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度，作品需要體現(xiàn)完整性。機(jī)器人聯(lián)機(jī)交互系統(tǒng)作品的完整

性體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)端和機(jī)器人硬件端兩個(gè)方面。計(jì)算機(jī)端包含機(jī)器人數(shù)據(jù)獲取部分

（輸入）和控制機(jī)器人動作的指令部分（輸出）；機(jī)器人硬件端也包含兩個(gè)部分,

傳感器的數(shù)據(jù)輸入部分和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)輸出部分。不過，在不影響機(jī)器人聯(lián)機(jī)交

互系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)時(shí)，機(jī)器人端的輸出部分有時(shí)也可以省去。

從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度，作品需要體現(xiàn)交互性。交互性是機(jī)器人聯(lián)機(jī)交互系統(tǒng)的

最主要特征。在實(shí)際開發(fā)過程中，除了要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的交互任務(wù)，還應(yīng)考慮交互方

式的有效性和交互設(shè)備的多樣性。機(jī)器人元件種類豐富，在使用其制作交互設(shè)備

時(shí)，除了模擬市場上已有的交互手段，還可以推陳出新，使交互設(shè)備更加智能、

更具特色。

從作品特色的角度，作品需要體現(xiàn)趣味性。機(jī)器人聯(lián)機(jī)交互系統(tǒng)作品多為游

戲或交互媒體，這類作品的價(jià)值很大程度上體現(xiàn)在其趣味性上。因此，在開發(fā)過

程中，應(yīng)從交互方式和多媒體呈現(xiàn)等方面努力。具體而言，作品趣味性的措施可

以參考：若是模擬仿真類作品，可以為作品增加解釋性的文字或情景說明；若是

數(shù)字故事類作品，可以豐富故事內(nèi)容，增加故事角色，設(shè)計(jì)跌宕起伏的故事情節(jié);

若是交互游戲類作品，可設(shè)計(jì)多種游戲模式供用戶選擇，也可從角色造型、場景

轉(zhuǎn)換、背景音效等方面做個(gè)性化設(shè)計(jì)；若是應(yīng)用程序類作品，則可設(shè)計(jì)個(gè)性化的

多媒體信息呈現(xiàn)效果，從視覺、聽覺等方面增強(qiáng)趣味性。

從應(yīng)用拓展的角度，作品需要體現(xiàn)創(chuàng)新性。機(jī)器人是將想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的有力

工具，學(xué)生在創(chuàng)作機(jī)器人作品時(shí)應(yīng)開拓思維、創(chuàng)新設(shè)計(jì)，而不僅是模仿已有的作

品?？梢詮淖髌酚猛?、造型設(shè)計(jì)、表現(xiàn)形式等方面體現(xiàn)作品的創(chuàng)新性。

②趣味性機(jī)器人聯(lián)機(jī)交互系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

本階段主要包括三個(gè)環(huán)節(jié)：確定交互方式、確定子系統(tǒng)功能、明確子系統(tǒng)功

能的實(shí)現(xiàn)方案。

首先，需要確定作品的交互方式，從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度確定趣味性機(jī)器人聯(lián)機(jī)

交互系統(tǒng)的類型。其次，綜合作品功能和技術(shù)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)角度分別描述趣味性聯(lián)

機(jī)交互系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)的具體功能或性能指標(biāo)。例如“模擬燃?xì)庠睢?，該作品?/p>

于觸摸交互類作品，機(jī)器人端子系統(tǒng)功能是模擬打火設(shè)備和火力控制設(shè)備（作品

功能角度），并向計(jì)算機(jī)端輸入所檢測的用戶觸摸動作信息（技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度）；計(jì)

算機(jī)端子系統(tǒng)功能是模擬燃?xì)庠铧c(diǎn)燃與火力變化的狀態(tài)（作品功能角度），獲取、

分析計(jì)算機(jī)端的信息（技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度），并給予相應(yīng)的反饋。最后，可以分別從

兩個(gè)子輸入輸出系統(tǒng)的角度設(shè)計(jì)符合實(shí)際需要和條件的具體方案：

A.機(jī)器人端的輸入輸出子系統(tǒng)

在機(jī)器人端，學(xué)生首先需要思考實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)交互的方式有哪些，根據(jù)交互方式

選擇機(jī)器人硬件來制作交互設(shè)備，同時(shí)，還應(yīng)考慮所選硬件是否高效、經(jīng)濟(jì)。學(xué)

生還可根據(jù)設(shè)計(jì)需求選擇不同的執(zhí)行器來增強(qiáng)系統(tǒng)的交互效果、呈現(xiàn)反饋信息，

使交互過程更加生動、有趣。機(jī)器人端在不同類型的機(jī)器人聯(lián)機(jī)交互系統(tǒng)中發(fā)揮

不同的作用。在模擬仿真類作品中，機(jī)器人硬件端用于模擬現(xiàn)有產(chǎn)品的控制手段

或觸發(fā)方法，可從影響產(chǎn)品運(yùn)行的因素著手，思考選擇何種硬件能夠更好地反映

影響因素的變化。比如“模擬燃?xì)庠睢弊髌?，使用火焰?zhèn)鞲衅魈綔y是否有打火動

作，使用模擬角度傳感器模擬火力調(diào)節(jié)過程。在數(shù)字故事類作品中，機(jī)器人硬件

可用于獲取外界環(huán)境信息來影響故事情節(jié)，也可直接控制角色行為來影響故事發(fā)

展。比如“怕熱的小狗”作品，可使用溫度傳感器檢測外界溫度變化，當(dāng)溫度升

高到某一定值時(shí)小狗向風(fēng)扇移動，當(dāng)然也可使用傾斜傳感器等設(shè)備直接控制小狗

向風(fēng)扇移動。在交互游戲類作品中，機(jī)器人端主要作為游戲指令發(fā)射裝置，比如

在“飛機(jī)坦克大戰(zhàn)”游戲中使用搖桿控制坦克的左右移動；在“打地鼠”游戲中

使用超聲波測距傳感器分析用戶手勢，來“敲擊”界面中的地鼠。在應(yīng)用程序作

品中，需要結(jié)合問題所反映的主要矛盾，選擇合適的機(jī)器人硬件來解決問題。比

如“搶答器”作品，問題的主要矛盾是制作搶答設(shè)備并反饋搶答結(jié)果，解決手段

是使用按鈕獲取用戶的搶答動作并在界面中反饋相應(yīng)的結(jié)果。

B.計(jì)算機(jī)端的輸入輸出子系統(tǒng)

在計(jì)算機(jī)端，考慮如何獲取、分析機(jī)器人端輸入的數(shù)據(jù)，并據(jù)此向機(jī)器人端

輸出控制指令。程序編寫是本環(huán)節(jié)的要點(diǎn)，開發(fā)者可從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法兩個(gè)方面

思考實(shí)現(xiàn)作品功能的方案。

多媒體信息的搜集與整理也是本環(huán)節(jié)要完成的重要工作，除此之外，還需要

組織各個(gè)媒體角色的呈現(xiàn)方式。模擬仿真類作品中多媒體的呈現(xiàn)力求真實(shí)地反映

產(chǎn)品的控制過程，可采用直接拍攝實(shí)物或錄制現(xiàn)場聲音等手段采集多媒體素材；

數(shù)字故事類作品中的多媒體素材為故事情節(jié)發(fā)展服務(wù)，可根據(jù)故事風(fēng)格進(jìn)行選

擇、編輯；交互游戲類作品中可根據(jù)游戲結(jié)果設(shè)置多種音效和提示音，使游戲更

具代入感與趣味性；應(yīng)用程序類作品主要根據(jù)具體的問題解決策略組織多媒體素

材。

（3）方案實(shí)施階段

在方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)際的開發(fā)工作。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一種比較合理的

操作思路是先搭建硬件再編寫程序：首先搭建機(jī)器人端的各元件，學(xué)生也可根據(jù)

需求使用紙板、木棒等工具優(yōu)化機(jī)器人端的造型；其次，編寫程序向機(jī)器人端輸

出控制指令，搜集、編輯、整理多媒體素材，編程控制其呈現(xiàn)方式。當(dāng)按照已有

方案無法完成系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)，需及時(shí)調(diào)整方案并重新嘗試。在實(shí)施過程中，學(xué)生

應(yīng)了解開發(fā)過程中的注意事項(xiàng)，比如規(guī)范使用各類工具、有序推進(jìn)開發(fā)進(jìn)度等。

教師作為學(xué)生學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者和支持者，應(yīng)該隨時(shí)了解學(xué)生的開發(fā)過程和遇到的問

題，并提供及時(shí)的指導(dǎo)和幫助。

（4）測試階段

在測試階段，學(xué)生主要通過操作交互系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)的執(zhí)行效果，找出系統(tǒng)

中存在的問題，分析問題產(chǎn)生的原因，并提出相應(yīng)的解決方案，即系統(tǒng)糾錯過程。

機(jī)器人糾錯內(nèi)容可分為結(jié)構(gòu)、控制、傳感、執(zhí)行、通訊五個(gè)方面。在趣味性機(jī)器

人聯(lián)機(jī)交互系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)指的是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是否完整，子成分是否缺失；控制指的

是計(jì)算機(jī)端的程序控制和多媒體信息控制，主要檢查程序設(shè)計(jì)是否有誤，多媒體

文件格式、大小是否合適；傳感、執(zhí)行分別對應(yīng)機(jī)器人端的傳感器、執(zhí)行器，主

要檢查元件是否破損、連接方式是否準(zhǔn)確；通訊指的是系統(tǒng)中的通訊元件以及計(jì)

算機(jī)與機(jī)器人之間的信號通訊，主要檢查信號是否受到干擾等。如圖3所示，可

以從兩個(gè)子系統(tǒng)的角度來具體劃分、描述五類糾錯內(nèi)容。

謔拓L檢色機(jī)器人瑞輸入1

F型廠輸出系統(tǒng)是否完整|

rj?檢查傳感器是否破損,

"L連接方式是否求咐

凱麗方*

入輸出系統(tǒng)r荻行二國香執(zhí)行器星香破痂

芝也連接方式是否準(zhǔn)確

檢查通訊元件是否破損，連

「麗接方式是否準(zhǔn)確；檢查是否

“如出"能與計(jì)算機(jī)端正常通訊，通

趣味性機(jī)器人聯(lián)機(jī)訊信號是否受到干擾

交互系統(tǒng)糾錯內(nèi)容一

嶺杳機(jī)器人函函入

啊’"軸川系統(tǒng)是杳完整

陋程序設(shè)計(jì)

加?算機(jī)端輸|一控制.,是否有誤

1入域出系統(tǒng)|理和

'檢杳多媒體文件格

“式、大小是否合造

檢查是否能與機(jī)器人

i通訊占端正常通訊，通訊信

■_恒星否受到十?dāng)_

圖2趣味性機(jī)器人聯(lián)機(jī)交互系統(tǒng)的糾錯指南

（5）評價(jià)階段

根據(jù)趣味性機(jī)器人聯(lián)機(jī)交互系統(tǒng)特點(diǎn)，可從作品知識性、完整性、交互性、

趣味性、創(chuàng)新性五個(gè)維度評價(jià)學(xué)生作品。

在教學(xué)對象方面，趣味交互型教學(xué)對象主要適用于中小學(xué)學(xué)生。趣味交互型

教學(xué)可采用圖形化編程軟件，對硬件搭建要求不高，能夠承擔(dān)零基礎(chǔ)學(xué)生的入門

教育。但在程序設(shè)計(jì)方面要求學(xué)生具有一定的邏輯思維能力、能夠理解簡單算法。

因此，整體而言，趣味交互型教學(xué)模式適用于小學(xué)四年級及以上的學(xué)生。在教學(xué)

時(shí)段方面，趣味交互型教學(xué)可作為實(shí)驗(yàn)?zāi)M型教學(xué)的進(jìn)階部分，安排在課程實(shí)施

的中后段進(jìn)行。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)?zāi)M型教學(xué)過程中獲得機(jī)器人項(xiàng)目開發(fā)的基礎(chǔ)知識與

基本經(jīng)驗(yàn)儲備后，更易接受趣味交互型教學(xué)模式的教學(xué)內(nèi)容與形式。在教學(xué)班級

容量方面，由于教學(xué)內(nèi)容偏重程序設(shè)計(jì)，學(xué)生使用的算法不同、執(zhí)行效果不一，

需在教師的指導(dǎo)下完成任務(wù)，因此教學(xué)組織單位不宜超過30人。在軟硬件配置

方面，機(jī)器人聯(lián)機(jī)交互系統(tǒng)無法脫離計(jì)算機(jī)進(jìn)行獨(dú)立的開發(fā)與運(yùn)行，因此，教學(xué)

需要有機(jī)房的支持。計(jì)算機(jī)上除了安裝相關(guān)開發(fā)軟件，還要安裝基礎(chǔ)的圖形、聲

音處理軟件，以便學(xué)生編輯素材。

（三）科學(xué)探究型教學(xué)模式解析

科學(xué)探究型教學(xué)，是另外一類需要設(shè)計(jì)聯(lián)機(jī)交互系統(tǒng)的教學(xué)類型。它以科學(xué)

問題為導(dǎo)向，將機(jī)器人作為開展科學(xué)探究的載體和工具，為探究性學(xué)習(xí)提供數(shù)據(jù)

收集、加工的技術(shù)支持。其教學(xué)過程一般為，從生活中的科學(xué)問題出發(fā)，制訂科

學(xué)探究方案，開展科學(xué)探究實(shí)踐，利用機(jī)器人收集數(shù)據(jù)，利用程序設(shè)計(jì)或其他數(shù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件分析數(shù)據(jù)，使學(xué)生在獲得機(jī)器人本體知識的同時(shí)提高科學(xué)探究能力，

并習(xí)得科學(xué)知識和科學(xué)的思維過程與方法。因此，其核心價(jià)值主要表現(xiàn)為培養(yǎng)學(xué)

生學(xué)會利用機(jī)器人進(jìn)行科學(xué)探究的能力。

從教學(xué)設(shè)計(jì)的角度看，除了學(xué)習(xí)者分析、學(xué)習(xí)內(nèi)容分析、學(xué)習(xí)環(huán)境分析等常

規(guī)教學(xué)分析外，基于機(jī)器人的科學(xué)探究型教學(xué)模式還需特別考慮三類內(nèi)容的設(shè)

計(jì)，即過程設(shè)計(jì)、工具設(shè)計(jì)、評價(jià)設(shè)計(jì)。

（1）過程設(shè)計(jì)

一直以來，科學(xué)探究都是國際基礎(chǔ)教育改革所努力追求的方向，因此，如何

引導(dǎo)學(xué)生開展科學(xué)探究也成為諸多教育研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。國外學(xué)者認(rèn)為，科學(xué)

探究的基本程序應(yīng)包括提出問題、建立假說、設(shè)計(jì)研究方案、檢驗(yàn)假說、表達(dá)或

交流結(jié)果五個(gè)環(huán)節(jié)2。也有人將其概括為：研究分析問題或現(xiàn)象、建立假說并開

展實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)以獲得新知、遷移應(yīng)用、交流與評價(jià)結(jié)果五個(gè)環(huán)節(jié)3。我國《全

日制義務(wù)教育科學(xué)（7~9年級）課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)稿）》將科學(xué)探究的一般過程表

2TROWBRIDGELW.BYBEERW,POWELLJC.Teachingsecondaryschoolsciencerstrategiesfordeveloping

scientificliteracy|M|.Colubus,Ohio:PrenticeHall,2000:207.

3OLSONS,LOUCKS-HORSLEYS.InquiryandtheNationalScienceEducationStandards:aguideforteaching

andlearning(M].Washington,DC:NationalAcademiesPress,2000:34-35.

述為：提出問題、進(jìn)行猜想和假設(shè)、制定計(jì)劃和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、獲取事實(shí)與證據(jù)、檢

驗(yàn)與評價(jià)、表達(dá)與交流六個(gè)環(huán)節(jié)。綜上所述，科學(xué)探究過程可概括為五個(gè)環(huán)節(jié)，

本文將其作為基于機(jī)器人的科學(xué)探究型教學(xué)的基本過程。

①提出問題與形成假設(shè)?？茖W(xué)探究過程是圍繞所探究的問題展開的，只有當(dāng)

問題是明確且具體時(shí)，探究才能有條不紊地持續(xù)下去。如同杜威的“五步教學(xué)法”

所強(qiáng)調(diào)的那樣，問題需要以真實(shí)情境的方式引出，且這種真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)不僅要

能引出探究問題和探究目標(biāo)，而且要引出探究的手段一一機(jī)器人，并說明其與常

規(guī)探究手段的聯(lián)系與區(qū)別，讓學(xué)生理解新技術(shù)引入的價(jià)值與必要性。問題明確后，

便可嘗試做出假設(shè)。假設(shè)必須是可檢驗(yàn)的，不是隨意的胡亂猜想，而是學(xué)習(xí)者根

據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)、知識對探究問題做出的可能性的解釋。

②制定計(jì)劃和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。這是獲取證據(jù)和驗(yàn)證假設(shè)的具體環(huán)節(jié)，直接決定了

探究過程的有序性和科學(xué)性。教師要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)探究問題和假設(shè)，通過小組合

作的方式共同討論影響問題的主要因素、選擇合適的實(shí)驗(yàn)器材以及確定科學(xué)的探

究過程。

③進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和收集數(shù)據(jù)。此環(huán)節(jié)直接影響科學(xué)探究結(jié)果的正確與否，因此，

一定要按照制定的計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，且要熟悉器材的使用及確保實(shí)驗(yàn)數(shù)

據(jù)的正確記錄。

④分析數(shù)據(jù)和得出結(jié)論。處理數(shù)據(jù)是科學(xué)探究極其重要的環(huán)節(jié)，只有通過分

析和處理數(shù)據(jù)，學(xué)生才能對探究的問題有較深刻的理解。常用處理數(shù)據(jù)的方式是

將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化、可視化的表征形式，如表格、曲線圖等。因此，教師要注

意如何引導(dǎo)學(xué)生正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

⑤評價(jià)與反思。學(xué)生應(yīng)能夠向他人表述自己的研究成果，能夠允許他人對自

己的探究過程和成果提

出不同的意見，并能認(rèn)真思考他人的意見，以完善自己的探究方案。

（2）工具設(shè)計(jì)

隨著機(jī)器人教育的普及與發(fā)展，以及傳感器的不斷完善與改進(jìn)，其強(qiáng)大的自

動獲取與收集數(shù)據(jù)的能力成為支持科學(xué)探究活動的強(qiáng)有力工具。機(jī)器人由控制

器、傳感器（輸入設(shè)備）和執(zhí)行器（輸出設(shè)備）等核心元件組成。在基于機(jī)器人

的科學(xué)探究活動中，控制器用于控制傳感器接收有效的科學(xué)研究數(shù)據(jù)，并將有效

數(shù)據(jù)傳輸給執(zhí)行器顯示（如LCD或數(shù)碼管模塊）或存儲（如SD模塊）。因此，

基于機(jī)器人的科學(xué)探究活動，必須做好工具設(shè)計(jì)一一設(shè)計(jì)好收集、顯示和存儲數(shù)

據(jù)的機(jī)器人裝置。盡管這一裝置的基本構(gòu)成并不復(fù)雜，但是在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮以

下問題：需要采集何種研究數(shù)據(jù)？采用何種傳感器獲取這些數(shù)據(jù)？搭建何種結(jié)構(gòu)

裝置才能方便獲取數(shù)據(jù)？設(shè)計(jì)何種算法才能獲取有效的數(shù)據(jù)？如何顯示、存儲、

轉(zhuǎn)換獲取的數(shù)據(jù)？簡言之，這些問題所觸及的實(shí)質(zhì)就是以科學(xué)探究為導(dǎo)向的機(jī)器

人建模。

（3）評價(jià)設(shè)計(jì)

對學(xué)生學(xué)習(xí)成效的評價(jià)，包括兩個(gè)方面：一是作為機(jī)器人課程，需要考察學(xué)

生對機(jī)器人基礎(chǔ)知識和基本技能的掌握情況；二是作為科學(xué)探究課程，需要考察

學(xué)生在探究活動過程中的具體表現(xiàn)。因此，可從機(jī)器人知識和技術(shù)、提出問題和

形成假設(shè)、制定計(jì)劃和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和得出結(jié)論及

評價(jià)與反思等六個(gè)維度對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評價(jià)，如圖4所示。概言之，基

于該設(shè)計(jì)框架指導(dǎo)下的教學(xué)活動，將圍繞科學(xué)探究活動展開，以教學(xué)分析為教學(xué)

出發(fā)點(diǎn)，以科學(xué)探究的基本過程為教學(xué)主線，以機(jī)器人建模及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析為

核心技術(shù)支持，以綜合評價(jià)方案為學(xué)習(xí)成效的評判依據(jù)。

耀出向與影成保設(shè)|

（評價(jià)設(shè)計(jì)

圖3基于機(jī)器人的科學(xué)探究型教學(xué)模式的設(shè)計(jì)框架

該模式具有培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科知識和科學(xué)探究能力的雙重功能，對豐富和擴(kuò)展

機(jī)器人教育的價(jià)值和推動STEM教育均有重要意義。需注意的是，這種科學(xué)探究

型教學(xué)模式是以信息技術(shù)教師和機(jī)器人課程為主體或主陣地的教學(xué)。當(dāng)然，這對

信息技術(shù)教師來說不啻是一個(gè)艱巨的任務(wù)，需具備STEM教育理念及較扎實(shí)的科

學(xué)素養(yǎng)，在必要時(shí)還需尋求其他學(xué)科教師的支持和配合。此外，在設(shè)計(jì)科學(xué)探究

主題時(shí)，必須考慮所涉及的科學(xué)知識與相關(guān)學(xué)科教學(xué)進(jìn)度的呼應(yīng),不宜超前探究,

且最好能在既有學(xué)科知識的基礎(chǔ)上通過探究活動拓展其認(rèn)識，或生發(fā)出新的探究

問題。

（四）發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式解析

發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)，是以實(shí)際需求為基本導(dǎo)向、以項(xiàng)目教學(xué)為基本方法、以創(chuàng)

新實(shí)踐為核心目標(biāo)的教學(xué)，要求學(xué)生通過教學(xué)能夠制作出具有創(chuàng)新性的智能人造

物。所謂創(chuàng)新性，可能是解決新問題，也可能是解決舊問題，但采用了新的方法

和技術(shù)，或增加了新的功能，或設(shè)計(jì)了新的結(jié)構(gòu)形式等。要達(dá)到這種創(chuàng)新，要求

學(xué)生能夠從分析實(shí)際生活需求出發(fā)，綜合運(yùn)用相關(guān)學(xué)科知識設(shè)計(jì)和開發(fā)機(jī)器人裝

置，以解決現(xiàn)實(shí)需求，并提高創(chuàng)新實(shí)踐能力，獲得利用科學(xué)技術(shù)提高生活品質(zhì)的

成功體驗(yàn)。目前在機(jī)器人教育領(lǐng)域，還沒形成指導(dǎo)學(xué)生開展發(fā)明創(chuàng)造活動的理論

和方法。我們認(rèn)為，國際流行的TRIZ理論是一個(gè)可資借鑒的理論基礎(chǔ)。TRIZ即

“發(fā)明問題解決理論”，國內(nèi)也有翻譯為“萃智”或“萃思”理論，取其“萃取

智慧”或“萃取思考”之義4。其主要目的是研究人類進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)

難題過程中所遵循的科學(xué)原理和法則，它是一種建立在技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化規(guī)律基礎(chǔ)上

的問題解決系統(tǒng)，包括各種理論、方法、工具和程序，同時(shí)也是一個(gè)創(chuàng)新能力培

養(yǎng)體系理論。它能夠幫助人們系統(tǒng)地分析問題情境，快速發(fā)現(xiàn)問題本質(zhì)或者矛盾，

準(zhǔn)確確定問題探索方向；幫助人們突破思維障礙，打破思維定式，以新的視角分

析問題，進(jìn)行邏輯性和非邏輯性的系統(tǒng)思維?？梢姡琓RIZ非常適合指導(dǎo)機(jī)器人教

育。當(dāng)然，TRIZ包含的理論和工具體系非常龐雜，目前也主要是應(yīng)用于工程技術(shù)

領(lǐng)域以及相關(guān)教育培訓(xùn)市場，其所包含的原理和工具并非都適合指導(dǎo)青少年的機(jī)

器人發(fā)明創(chuàng)造活動。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論，“40個(gè)發(fā)明原理”和“39個(gè)工程參數(shù)和

矛盾矩陣”是應(yīng)用最為廣泛的兩類TRIZ工具，最有可能引入到機(jī)器人教育當(dāng)中

來。遺憾的是，目前國際范圍內(nèi)并沒有基于TRIZ的機(jī)器人教育研究與實(shí)踐。

發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)是機(jī)器人教育的高級階段，旨在引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)和制作具有一

定創(chuàng)新性的智能人造物，借此培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造思維和創(chuàng)造能力。為實(shí)現(xiàn)這一定位,

要求在教學(xué)過程中，以創(chuàng)新設(shè)計(jì)為核心，以工程設(shè)計(jì)思想為主線，將創(chuàng)新情境、

創(chuàng)新過程和創(chuàng)新方法映射于教學(xué)過程之中。其中，創(chuàng)新過程包括“微創(chuàng)新”的過

4劉訓(xùn)濤，曹賀，陳國晶.TRIZ理論及應(yīng)用[M].北京:北京大學(xué)出版社,2011:1-2.

程和“原始創(chuàng)新”的過程。對于中小學(xué)生而言，直接開展原始創(chuàng)新活動有一定難

度，因此可以從“微創(chuàng)新”開始，逐漸過渡到“原始創(chuàng)新”階段。也就是說，我

們將發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)分成“微創(chuàng)新”和“原始創(chuàng)新”兩個(gè)水平或兩種模式，兩者

均以工程設(shè)計(jì)為主線，不同的是，前者主要以逆向工程思想為理論指導(dǎo)，后者

主要以TRIZ創(chuàng)新方法為理論指導(dǎo)。

(1)“微創(chuàng)新”階段

根據(jù)逆向工程的DAA活動模型，即“拆解一分析一重組”模型，并結(jié)合

工程設(shè)計(jì)思想，可將“微創(chuàng)新”階段分成如下五個(gè)環(huán)節(jié)：

①體驗(yàn)(Experiencing)

本環(huán)節(jié)與實(shí)驗(yàn)?zāi)M型教學(xué)“把玩和擺弄”階段的用意有相同之處，亦是讓學(xué)

生體驗(yàn)產(chǎn)品，探索其功能，明確其結(jié)構(gòu)。不同的是，發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)更強(qiáng)調(diào)產(chǎn)

品與學(xué)生實(shí)際生活的關(guān)聯(lián)性。當(dāng)學(xué)生具備相關(guān)的生活經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)時(shí)，不僅

有助于后述“解構(gòu)”環(huán)節(jié)的開展，還將有助于他們發(fā)現(xiàn)新問題，萌生改造現(xiàn)有產(chǎn)

品的新想法。

②解構(gòu)(Deconstruction)

本環(huán)節(jié)對應(yīng)于逆向工程的第一個(gè)環(huán)節(jié)，是學(xué)生對產(chǎn)品的組成部分、實(shí)現(xiàn)原理、

技術(shù)知識等進(jìn)行意義建構(gòu)的過程，涉及拆解、測量、推理等行為。在機(jī)器人教

學(xué)中，該環(huán)節(jié)的主要任務(wù)可分為硬件和軟件兩方面。硬件方面的任務(wù)主要包括分

析執(zhí)行部分、驅(qū)動部分、傳感部分和控制部分的元件及其使用方法，分析元件

之間如何協(xié)同工作。軟件方面主要分析程序的基本結(jié)構(gòu)和算法等。

③分析(Analyzing)

本環(huán)節(jié)的意圖在于發(fā)現(xiàn)已有產(chǎn)品的不足或者將產(chǎn)品用于其他用途等。由于

發(fā)明創(chuàng)造教學(xué)強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品與學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)性，因此，學(xué)生在經(jīng)歷“使用”和

“解構(gòu)”兩個(gè)階段后，會發(fā)現(xiàn)一些新問題、提出一些新的想法。因此，本環(huán)節(jié)需

要從實(shí)際生活出發(fā)，探索產(chǎn)品的不足之處，并從實(shí)際生活的角度確定解決方案。

④再設(shè)計(jì)(Redesigning)

本環(huán)節(jié)是在“分析”環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，對原有作品進(jìn)行再設(shè)計(jì)，并根據(jù)重新設(shè)

計(jì)的方案實(shí)現(xiàn)機(jī)器人作品的優(yōu)化。根據(jù)實(shí)際情況和需要，結(jié)合已有作品的可改造

程度，這種優(yōu)化可以在已有作品的基礎(chǔ)上進(jìn)行，也可以重新制作一個(gè)新的作品原

型。因此，本環(huán)節(jié)不僅要做方案設(shè)計(jì)工作，還需要根據(jù)方案完成元件選擇、硬件

搭建、外形包裝、程序設(shè)計(jì)等任務(wù)。

⑤測試和調(diào)試(TestingandDebugging)

本環(huán)節(jié)的意圖與實(shí)驗(yàn)?zāi)M型教學(xué)一致，需要學(xué)生根據(jù)功能需求對作品進(jìn)行測

試與調(diào)試，從而達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，并確保作品的穩(wěn)定性。

(2)“原始創(chuàng)新”階段

“原始創(chuàng)新”階段以工程設(shè)計(jì)的過程模型組織教學(xué)，同時(shí)將TRIZ創(chuàng)新方法

滲透其間。本研究參考和改造了2016年美國馬薩諸塞州的科學(xué)與技術(shù)/工程課程

框架提出的工程設(shè)計(jì)模型，形成了由以下7個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成的教學(xué)模式：

①明確需求或問題(IdentifyingANeedorAProblem)

本環(huán)節(jié)旨在發(fā)現(xiàn)真實(shí)問題，為學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐創(chuàng)設(shè)情境。為便于后續(xù)教學(xué)

的展開，問題的選擇至關(guān)重要針對機(jī)器人教學(xué)，好的問題需滿足四點(diǎn)要求：一是

情境性，是現(xiàn)實(shí)生活和真實(shí)情境中表現(xiàn)出來的問題，與學(xué)生日常生活相關(guān)；二是

可行性，學(xué)生有能力對問題進(jìn)行探究；三是價(jià)值性，包含豐富的科學(xué)知識；四是

意義性，對學(xué)習(xí)者有用且有趣，體現(xiàn)出創(chuàng)新性，并能以實(shí)物呈現(xiàn)效果5。

②調(diào)研已有方案(InvestigatingtheExistingSolutions)

本環(huán)節(jié)要從問題出發(fā)，調(diào)研得到已有的解決方案。學(xué)生的任務(wù)是通過網(wǎng)絡(luò)途

徑獲取盡可能多的解決方案，然后對各個(gè)方案進(jìn)行分析，總結(jié)出其中的核心技術(shù)、

優(yōu)缺點(diǎn)。本環(huán)節(jié)的工作有助于學(xué)生對所研究的問題產(chǎn)生更清晰地認(rèn)識，對后續(xù)的

方案設(shè)計(jì)提供借鑒，進(jìn)而尋求可能的創(chuàng)新方案。

③設(shè)計(jì)可選方案(DesigningMultipleSolutions)

本環(huán)節(jié)是發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)的核心環(huán)節(jié)，學(xué)生的設(shè)計(jì)思維、對知識的綜合運(yùn)用

能力、對創(chuàng)新方法的習(xí)得都發(fā)生在此環(huán)節(jié)中。從教學(xué)實(shí)踐的角度看，存在兩種不

同的操作思路。一種是利用頭腦風(fēng)暴，鼓勵學(xué)生憑借直覺和靈感提出可能的創(chuàng)新

方案。這種方式通常要求學(xué)生具有較高的技術(shù)基礎(chǔ)和較豐富的制作經(jīng)驗(yàn)，教師對

學(xué)生的設(shè)想有較好判斷能力的情況下使用，否則容易陷入不著邊際的“臆想”狀

態(tài)。另外一種思路，則可以遵循創(chuàng)新方法運(yùn)用的一般過程開展教學(xué)。例如，首先

要引導(dǎo)學(xué)生比較分析已有方案的優(yōu)缺點(diǎn)，從中得到解決問題的思路或方向，即需

5基思?索耶.劍橋?qū)W習(xí)科學(xué)手冊[M].徐曉東，等譯.北京:教育科學(xué)出版社,2010:369-374.

要滿足哪些基本要求或指標(biāo)；然后，從這些指標(biāo)出發(fā)，找到問題的關(guān)鍵沖突并用

通用工程參數(shù)來描述，再利用沖突矩陣就可以找到相應(yīng)的發(fā)明原理。接下來，學(xué)

生需要逐個(gè)探討每個(gè)原理在具體問題上如何應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)。最后，從中篩選出最符

合原始需求或問題的原理。如果找到的原理都不適用于現(xiàn)有問題，則要重新定義

工程參數(shù)和矛盾。當(dāng)找到項(xiàng)目的創(chuàng)新解決方案后，學(xué)生需結(jié)合實(shí)際情況分析實(shí)施

方案需要的軟硬件條件。如果不具備實(shí)施的條件，則需要考慮可替代的方案或

修改項(xiàng)目需求，最終形成一個(gè)可以實(shí)施的項(xiàng)目方案，并以書面的形式呈現(xiàn)。如有

必要，教師應(yīng)該為學(xué)生提供半結(jié)構(gòu)化的項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)模板，內(nèi)容包括作品名稱、

結(jié)構(gòu)草圖、作品功能、實(shí)現(xiàn)方法、關(guān)鍵問題與創(chuàng)新方法的運(yùn)用、創(chuàng)新之處、器材

清單等。需要說明的是，由于學(xué)生是第一次接觸TRIZ創(chuàng)新方法，在首次進(jìn)行教

學(xué)時(shí)，教師需要通過實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生利用TRIZ創(chuàng)新方法分析問題，同時(shí)介紹發(fā)明

原理在生活中的應(yīng)用實(shí)例。

④制作原型(Prototyping)

本環(huán)節(jié)要求學(xué)生利用上一環(huán)節(jié)形成的解決方案制作作品，主要分為搭建硬

件結(jié)構(gòu)和編寫程序兩方面。硬件結(jié)構(gòu)的搭建除了需要常用的控制器、傳感器和執(zhí)

行器外，還需要考慮外觀，以確保作品的完整性和實(shí)用性。程序編寫時(shí)則需要某

些元件的控制方法、庫文件等。止匕外，根據(jù)教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我們特別主張教師應(yīng)

該引導(dǎo)學(xué)生在制作過程中養(yǎng)成作筆記的習(xí)慣，筆記內(nèi)容可以包括遇到的主要問

題、對預(yù)定設(shè)計(jì)方案的修改與原因、資料來源、心得體會等。