刘斌陈惠敏王超周维王媛

（昌吉学院物理系 新疆 昌吉 831100）

基于问题的学习模式(PBL)研究与应用
——以“大学生VEX机器人工程挑战赛”为例

刘斌陈惠敏王超周维王媛

（昌吉学院物理系 新疆 昌吉 831100）

PBL(ProblemBasedLearning)是一种以问题为核心，以解答问题为驱动力，以分组阐述、展示、讨论及相互交流为手段，以激发学生积极主动自学、培养学生创新性思维为主要目标的全新的教学模式。这种教学模式有利于培养学生的独立自学能力、创新思维能力、资料组织能力以及创新能力。本文通过文献研究PBL在教育教学中的应用，结合VEX机器人的学习特点，以及笔者参与2011年全国大学生VEX工程挑战赛“大破栅门”的实践经验，提出基于PBL的VEX机器人学习策略。

PBL；VEX机器人；学习策略

PBL突破了传统的教学模式和教育思想，以提高学生的逻辑推理能力，分析问题和解决问题的能力为目的进行组织教学。由于科学技术的发展，机器人不仅仅局限于工业应用和研究领域，它已经进入了教育领域，一些学者已经开始利用机器人来开展实践学习，有利于学生理解和掌握科学、工程学和、数学、技术等领域的抽象概念。近年来，我国已逐步开始在大、中、小学推广机器人教育，主要包括机器人竞赛和机器人教学。因此，在机器人教学中，从PBL教学方法的实践出发，对这种全新的教学方法进行相关探讨，具有较强的现实意义。

1 PBL简介

1.1 PBL学习模式的概念及特点

基于问题的学习模式(Problem－Based Learning,简称PBL)是通过让学生以小组的形式共同解决一些模拟现实生活中的问题为学习途径，使学生在解决问题的过程中发展解决问题的能力和实现知识的意义建构。从学习的目标指向看，这是一种关注经验的学习，是围绕现实生活中一些结构不明确的问题所展开的调配和寻求解决方法而组织的。它强调把学习设置到复杂的、有意义的问题情境中，通过让学习者合作解决问题。来学习隐含于问题背后的科学知识，形成解决问题的能力和自主学习的能力。其目的是培养学生自主学习的兴趣与综合素质，从而使学生健全发展［1］。

PBL基本授课方法是一个完整的师生共同参与、彼此沟通、合作学习、具体回馈、自省重建的学习过程，体现了从感知到认知、从感性到理性的认识过程［2］。

PBL课程由8～10名学生1名教师组成一个小组。教师负责控制课程进度以达到计划的学习目的，学生主持者制定表格，主要的是于一周前为学生提供案例或问题情境，使学生为探索问题的解决而提出多种假设和思路，从而确认最可能的假设与问题解决方法之间的内在关联，有目的地搜集资料、分工合作、更全面的掌握知识，避免知识的片面性，教师鼓励学生自己核实结论的正确性，启发让学生用自己的语言和方式自由问答。在PBL中，教师的作用是一个“牧羊人”、促进者、激励者、协助者；学生是“一群在牧场的羊”、主动探索者、概念细化者、问题解决者、经验更新者、知能转化者［3］。

PBL实施的基本流程要素包括：提出问题，即以问题为中心（该问题必须是学生在未来专业领域所能遇到的“真实世界”的非结构化问题，无固定解决办法和过程）；提供材料，与本问题相关；自主学习（以问题为中心），小组合作学习；在每个问题（或每个课程单元）结束时，要进行自我评价和小组评价（口头、论文）；依据PBL的目标去测量（比较）学生的进步［4］。

PBL教学模式符合新课改的核心理念，首先，它为学生们营造了一个轻松学习氛围，使其能够自主地、积极地畅所欲言，充分表达自己的观点，同时也可以十分容易地获得来自其他同学和老师的信息；其次，可使有关课程的问题尽可能多地被提出，在讨论中可以加深对正确理论的理解，还可以不断发现新问题，解答新问题，使学习过程缩短，印象更加深刻；第三，它不仅对理论学习大有益处，还可锻炼学生们动手实践的能力，如查阅资料的能力，归纳总结、综合理解的能力，逻辑推理、口头表达的能力，自主学习、终身学习的能力等，这些都有利于学生的综合素质。

1.2 PBL研究与应用

1.2.1 国外研究与应用

通过文献调查，国外对于PBL的研究目前主要集中在四个方面：关于学生业绩的研究、关于学生态度的研究、关于元认知技能的获取和运用的研究和关于影响PBL效果因素的研究。随着网络技术的发展和在教学应用的深入，在线PBL的研究逐渐成为热点，主要集中在基于项目的协作学习（CollaborativeProjectBased Learning, CPBL）的研究和在线PBL的设计传输上，但大都处于理论阶段和试验阶段［5］。

1.2.2 国内研究与应用

国内很多学校也不同程度地开展了PBL教学法的探索和研究。四军大、南京医大、浙江大学医学院等是在七年制或研究生的临床实习阶段开展的；北大医学院和白求恩医大是在基础阶段的部分过渡课程进行的；西安交大医学院是在联合办学大专班的学生中实验探索的；湖南医科大学是在护理教学中应用；暨南大学是在口腔内科实验教学中实施［6］。

国内对PBL的研究主要对PBL进行理性思考和在其它学科推广应用。比如结合我国的教育实践，对PBL引入后的应用前景和是否符合目前的教育现实进行思考；借助网络技术，把PBL应用于网络教学实践中，与网络教学情境相得益彰，探索网络环境下PBL的教学系统设计的流程的方法；将PBL的研究领域从中小学教学、大学培养模式扩展到更细化的单一学科教学、具体专题教学设计、与研究性学习相结合、中小学校长培训模式革新、中小学教师校本培训的开展等领域。正如Samford大学的邓纳韦教授在2002年预言，“PBL是令人满意的、富有挑战的、效果明显的、势不可挡的”［7］。

综上所述，无论是国外还是国内对与PBL的研究与应用目前还是以医学教育领域为主，PBL教学模式与传统教学模式相比优势是显而易见的。为此，本文基于PBL在VEX机器人学习过程中的应用的研究，不仅为VEX机器人学习找到一种高效的学习方法，还可以为今后PBL在其他学习领域的应用研究作参考。

2 大学生VEX机器人工程挑战赛简介

VEX机器人大赛又称VEX机器人世界锦标赛，是一项旨在通过推广教育型机器人，拓展中学生和大学生对科学、技术、工程和数学（STEM）领域兴趣，提高并促进青少年的团队合作精神、领导才能和解决问题的能力的世界级大赛。学生通过利用VEX套件拼装机器人在规定时间内完成比赛的特定任务，根据每次比赛主题不同，机器人的功能也不同。

以2011年8月大学生“大破栅门”VEX工程挑战赛为例，比赛规则如下：

比赛在初始设置如图1所示的场地上进行。两支队，每队两名操作手和两台机器人在每场比赛中竞技。比赛的目标是通过把球和筒放入篮筐、获得奖励分以及把倍增筒放入圆形篮筐内，得到比对手更多的分数。比赛时间为140秒，比赛开始先进行60秒自动赛，此时机器人运行只能受传感器的输入和参赛队预先写入机器人控制器的命令的影响。在这段时间内，不允许人对机器人的控制或相互沟通。后80秒进行手动赛，即操作手控制时段，操作手通过遥控器控制机器人的运行。在比赛进行到最后30秒时，每支参赛队互动区的操作手可将1个倍增筒和1个消分筒引入比赛场地。场地用两个大型PVC栅门隔成一个互动区和两个隔离区，比赛期间两个大型栅门不能抬起。

图1 场地等角投影图

根据此比赛规则，它要求参赛队要开发许多新技能来应对面临的各种挑战和障碍。有些问题可以自己解决，而另一些问题可以通过与队友和教练员的交流、研究、调试、验证最终完成设计实现目标。在整个学习过程中主要解决以下三个问题：

（1）机器人的搭建，由于比赛规则限定机器人的长宽高均为457.2mm，VEX基本套件和扩展套件最长的结构为450mm，而篮筐高分别为508mm和762mm。这就要求在设计过程中，在满足以上限定条件的基础上，机器人的投篮手臂能够将球或筒运到高762mm以上的高度并保证完成投篮的的动作。

（2）自动赛和手动赛中的程序编写，机器人需要按照自动赛的程序在60秒内通过投篮得分，手动赛的程序需要通过遥控器的信号通道与主控器的信号通道与相对应，实现遥控器对机器人的操控。

（3）机器人的控制，在手动赛中，要求操作手熟练运用遥控器操控机器人高效进行投篮。

3 PBL在VEX机器人学习中的应用

3.1 基于PBL学习的一般模式

VEX机器人学习以比赛为终极目标，在搭建自己的VEX比赛机器人的过程中，以解决一个接一个的问题为目标，以小组为单位分析问题、研究解决问题的方案，在实践中改进设计方案。充分发挥集体的智慧和团结协作精神，在解决问题的过程中逐步成长。在整个学习过程中小组成员都成了学习主人，学习的动力真正来源于学生自身，在看到自己的进步和体验到成功快乐的同时，锻炼了组织策划能力、自主学习能力和创新能力。

根据VEX机器人学习特点，可将PBL应用在VEX机器人学习中。笔者参考多篇研究成果，提出基于PBL学习的一般模式，如图2所示。

图2 基于PBL学习一般模式图

根据图2所示，结合VEX机器人的学习，可将各学习环节解释如下：

(1)问题或项目。PBL的问题是整个教学环节的焦点所在，教师对问题设计好坏直接影响到PBL中学生学习的效果。而VEX机器人的学习则是以VEX工程挑战赛的比赛目标为问题或项目。

(2)提供学习资料。在解决问题过程中，学生须具备一定的学习技巧与能力，而教师在设计问题过程中也应根据学生所具备的认知结构设计适合学生水平的问题，或在解决问题过程中，为学生适当提供学习所需的技巧与知识。在VEX学习中，教师需要在机械结构、编写程序方面给学生讲解和提供资料。

(3)分配学习小组。PBL中的学习小组一般以4－6人为宜，小组各成员中应能充分发挥个人的智力水平，共同协作提出解决问题的最佳方案。而VEX比赛中要求每队2人操控两台机器人，这就要求在VEX学习中的学习小组最少为2组。

(4)设计解决程序。学生应精心策划好解决问题的程序，并以分工合作的方式共同推进方案的向前发展。VEX机器人的学习程序大体分为详细解读比赛规则、设计比赛方案、试行方案、模拟比赛、分析总结五个步骤来进行。

(5)学习结果汇报。在PBL中，学习结果汇报以多种形式呈现。VEX机器人学习结果汇报则是以比赛的形式呈现。

(6)评价与总结。对于VEX的学习评价与总结的方式，教师和学生可以通过阶段性的问题解决来进行总结与反思。也可以对比赛过程做的总结与反思。可以是书面的形式或是口头汇报的形式。

3.2 基于PBL的VEX机器人学习策略

基于以上对于VEX机器人学习特点分析，以2011年“大破栅门”VEX机器人比赛为项目，将基于PBL的VEX机器人学习策略总结为以下五点：

（1）解读规则，根据比赛规则制定学习目标；

（2）设计方案，根据学习目标制定整体设计方案及制定小组设计方案；

（3）试行方案，分三个步骤进行，搭建机器人、程序设计、调试，最终实现设计方案；

（4）模拟比赛，通过操作手和机器人能够配合进行模拟真实比赛，改进设计方案。

（5）分析总结，对学习过程中成绩与不足进行总结与分析。

根据学习策略，设计2011年“大破栅门”VEX机器人比赛学习流程如图3所示。

图3 “大破栅门”学习流程

图3中，比赛方案设计是根据VEX比赛规则需要两名操作手与两台机器人配合完成比赛目标，两个比赛区域内机器人所要完成的具体任务有所不同，将小组任务细化分为为两部分即互动区和隔离区的比赛方案设计，即两个学习小组。

其中，试行方案被具体分为三个步骤进行：

① 搭建机器人。想要设计出符合比赛要求的机器人结构就必须对现有的套件进行结构上的改造,机器人要完成抓球-运输-投球的动作必须依靠马达、齿轮、传感器等部件实现驱动、传动、感应功能。在这个前提下，打破常规思想拓展思维空间，仅仅靠一个人是不能解决问题的，往往需要老师进行技术上的指导小组内成员集思广益发挥集体的智慧更容易解决问题。

② 程序设计。完成机器人的结构设计后，编写程序指挥机器人行动是学习过程中的又一大难题，是实现整体比赛设计方案关键。根据比赛策略，设计编写机器人的自动程序，需要了解各控制部件的属性和功能。在自动比赛时段，机器人按照程序执行每个动作完成比赛任务。操作手控制比赛时段的程序则是对主控器各部件的信号通道遥控器通道相对应，程序设计直到操作手和机器人能够完成比赛任务为止。

③ 调试。运用循序渐进的方法，一个动作完成后再编写下一个动作，需要反复调试、修改程序，有时还需对机器人的结构进行改进。

在试行方案的实施，是一个循环的过程中，以设计方案为标准，不断对以上三个环节进行调整、改进，直到实现设计方案为止。

在解决以上问题后，操作手需要熟悉机器人的基本结构以及机器人与遥控器的信号通道的对应关系，经过反复实战练习，能够尽可能在手动比赛时段的80秒内投最多的球和筒进入篮筐内。在这个环节里，发现任何问题可在总体方案和试行方案环节寻找原因解决问题。直到最终能够按照比赛方案设计完成一场比赛，则完成整个学习过程。

3.3 基于PBL的VEX机器人学习过程中的注意事项

3.3.1 将项目或问题分解成阶梯式的小任务

VEX机器人的学习解决以一个特定的工程项目即比赛主题而展开，要达到学习目标，需要教师将目标细化到每一阶段，可以通过问题由简到难，由浅入深以递进的方式分配给学生去解决，每一阶段的任务最好相互联系，避免出现较大的跳跃性，有助于学生对知识的意义建构。

3.3.2 创设良好的学习环境

创造一个良好的学习环境对于提高学习效率是一个必要的前提。VEX机器人学习较为重要的客观要素就是专门的实践教室能够安放比赛场地，VEX机器人各种套件充电器，以及其他必要工具比如钢锯、美工刀、卷尺等。另外，由于编程需要，教室里还应配有计算机，以便学生理论学习和动手实践。教室环境相对安静，不宜太嘈杂，有利于学生更好的思考问题、解决问题。

3.3.3 提供丰富的学习资源

由于VEX机器人学习综合多学科的知识，也就意味者在学习过程中，需要提供给学生必要的多学科的学习资料，需要教师在教学设计过程中尽量提供全面的资料以便解决学习中可能遇到的问题，在条件允许的情况下，最好给学生提供联网的计算机，以便在必要时快捷查阅相关学习资料。比如，在机器人搭建过程中，涉及到物理的机械结构和传动方面的知识，教师可以在教学活动中针对这一部分内容，准备相应的学习材料比如不同机器人造型图片，历年比赛视频等。

3.3.4 合理分配学习小组

VEX机器人的学习小组，以2-3人为一小组学习较为合理，在学习过程中，从搭建机器人到编写程序人数越多反而不利于动手实践，在实际比赛的过程中，两人负责操控机器人一人负责战略指挥。由于其特殊性，在组时要着重考虑把动手能力强、编程能力较强的学生更为适合分为一组。此外，教师还应注意学习小组男生和女生搭配问题，根据学生的学习情况合理分组。

3.3.5 配备专业指导教师

PBL作为一种开放式的教学模式，对教师自身的素质和教学技巧都有很高的要求，要求教师不但对本专业、本课程内容熟练掌握，还应当扎实掌握与VEX机器人相关的学科知识，并要具备提出问题解决问题的能力、灵活运用知识的能力、严密的逻辑思维能力。和良好的组织管理能力，要善于调动学生积极性、寓教于乐、控制课堂节奏等技巧。教师应该熟悉比赛规则和学生的能力情况，这样才能规划好学习的重点、难点，制定有针对性的讨论提纲。另外，教师要学习和具备良好的组织管理能力，控制课堂节奏等技巧。才能调动学生的学习积极性。

3.3.6 重视学生的自主学习精神的培养

以学生为主体，通过多样的教学形式增强学生学习兴趣，学生动手、动口、动脑，调动各种感官参与学习活动，促进智力开发，注意创设情景，打开了学生的思路，激起学生的求知欲望，学习的自主性也就得到了淋漓尽致的发挥。要求学生或单独、或与同组同学讨论、交流、合作探究思考，然后师生共同解决问题。教师的“导”与“讲”融于与学生的讨论之中，以平等的姿态与学生对话，有利于创造宽松、民主、和谐的学习氛围，为学生创新思维的开发创造了一个良好的学习环境。就这样在尝试中让学生体验到自己所带来的遗憾或喜悦。

最重要的一点，将课内知识与生活实际相联系，能让学生感受到知识得按时的现实意义和价值，为此在VEX机器人教学中，教师必须把教学的视野从课内扩大到课外，从课堂扩大到社会，指导学生利用各种时间，通过多种渠道学习，丰富知识面，将小课堂与大社会充分的结合起来。教师引导学生联系生活实际，注重学生自主思考，合作探究，提高学生分析问题与解决问题的能力，培养了学生的探索精神与创新意识。

4 总结

基于PBL的VEX机器人的学习策略，能够在段时间内有效提高学习效率，笔者通过参与“大破栅门”VEX机器人工程挑战赛的指导，使四个没有接触过VEX机器人的学生从零起点学起，以参加比赛为终极目标，在搭建VEX比赛机器人的过程中，以解决一个接一个的问题为目标，以小组为单位分析问题、研究解决问题的方案，在实践中改进设计方案。充分发挥集体的智慧和团结协作精神，在解决问题的过程中逐步成长。在整个学习过程中小组成员都成了学习主人，学习的动力真正来源于学生自身。经过了一个多月的集训，最终在大赛中取得小组赛银奖和集体赛银奖的好成绩。在学习过程中实现学生正真意义上的自主学习和积极主动解决问题的能力，提高学生高效获取机器人知识及有关机器人意义建构知识的能力，加强学生对VEX机器人的学习兴趣和学科前沿有更深刻的把握，培养学生的创新能力，此外通过小组写作学习形式，还可学生培养生活技能，如规划、集思广益、合作、团队精神、领导能力以及研究能力等都得到了提高与锻炼。

通过基于PBL的VEX机器人学习的研究与应用，最终取得了良好的学习效果。PBL的优势在于对创新人才的启发与培养，因此将PBL在机器人教育领域中更为广泛的应用，对于教师与学生都具有实际意义。不管对于PBL的进一步研究，还是机器人教育领域的研究都有深远的意义。

［1］基于问题的学习模式的研究［EB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/38c5b4cda1c7aa00b52acbb8.html.

［2］［3］［4］栾萍,王军.PBL教学模式对高等医学教育改革的影响［J/OL］.中外健康文摘,2011，（8）.

［6］PBL教学法［EB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/02df0b28e2bd960590c6773d.html.

［5］［7］肖晓飞,贾颖.我国目前 PBL研究现状的分析与思考［EB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/ 806d5f4c852458fb770b56b9.html.

2012-06-15

“新疆维吾尔自治区通用技术实验教学示范中心”阶段成果（质量工程项目文号：新教高2010［50］号）。第一作者简介：刘斌（1975—），男，安徽阜南人，昌吉学院物理系，讲师，研究方向：教育技术学。

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1671-6469（2012）04-0091-06