康斯雅　鐘柏昌

摘要：逆向工程作為一種通過對目標產品的逆向分析和研究來實現(xiàn)產品優(yōu)化與再創(chuàng)造的過程，在工程類專業(yè)課程的教學中具有廣闊的應用前景。針對機器人教育這一新的教育領域，傳統(tǒng)教學方法難以充分發(fā)揮其教育價值，而逆向工程法卻體現(xiàn)出較為明顯的優(yōu)勢和適用性。為應對機器人教育中的逆向工程法應用所存在的教學模式單一現(xiàn)象，從復原實驗和重構實驗兩個層面提出了解構復原型、糾錯復原型、要素增減型、結構創(chuàng)新型等四種機器人教育中的逆向工程教學模式，進而構建了“燈籠模型”對上述教學模式的各環(huán)節(jié)進行形象化呈現(xiàn)。其中，解構復原型教學模式側重以“拆分-復原”的方式讓學生掌握目標產品的基本構成和實現(xiàn)方法;糾錯復原型教學模式側重以“糾錯-復原”的方式讓學生掌握目標作品的工作機制和實現(xiàn)方法;要素增減型教學模式側重以“分解-要素增減”的方式開拓學生思維;結構創(chuàng)新型教學模式側重以“分解-結構再造”的方式促進學生實現(xiàn)知識應用和創(chuàng)新實踐。上述教學模式都強調將學生代入原產品設計者的身份意識，均具有“造物”的特征，在應用時應當根據(jù)實際情況加以靈活選擇、調整和組合。

關鍵詞：逆向工程;機器人教育;教學模式;解構復原型;糾錯復原型;要素增減型;結構創(chuàng)新型

中圖分類號：G434 ? 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1009-5195（2019）04-0056-09 ?doi10.3969/j.issn.1009-5195.2019.04.007

一、引言

逆向工程（Reverse Engineering），又稱反求工程或反向工程，是以先進產品的實物、樣件、軟件等作為研究對象，通過現(xiàn)代設計理論、方法、測量技術對已有產品進行建模、仿真，最終實現(xiàn)優(yōu)化既有產品和再創(chuàng)造的過程（黃誠駒，2004;祖文明，2011）。Shooter（2008）認為如果將設計理解成產品的功能到形式的轉變，那么逆向工程就是從產品的形式到功能分析的轉變。近年來，許多研究者對逆向工程的教學應用進行了分析與討論，這些研究主要側重于高等教育中的工程類課程。已有研究表明逆向工程具備很多優(yōu)勢，可以促進大學工程類專業(yè)學生的概念學習（Hess，2000），有助于提升學生的學習動機（Ogot，2002;Barr et al.，2000）和學習能力（如創(chuàng)造力、理解力、動手能力、洞察能力），也有助于加速產品和工藝的開發(fā)進程（Huang，2011;Hess，2002;Lee et al.，2003）。

隨著基礎教育新課程改革的不斷深入，我國中小學機器人教育有了較快發(fā)展，其教育價值已初步獲得社會認可（鐘柏昌，2016a）。問題解決、項目教學等多種教學方法被廣泛應用于機器人教育中，但這些應用通常是對教學過程的簡單照搬，并未體現(xiàn)出機器人教育的工程特性。如何才能充分發(fā)揮機器人課程的教育價值，在教學過程中激發(fā)學生的發(fā)散思維和遷移應用能力，使機器人技術與廣泛的社會應用相結合，尚需探尋具有針對性的教學模式（鐘柏昌，2016b）。已有研究證實了逆向工程法在工程類學科中的教學優(yōu)勢，而中小學機器人教育作為一種典型的工程教育類課程，逆向工程法在其教學過程中的的適用性也毋庸置疑，但如何有效應用仍需進一步思考。為此，本文將逆向工程方法引入中小學機器人教育，試圖探索適用于中小學機器人教育的逆向工程教學模式分類體系和操作模式。

二、逆向工程法教育應用研究綜述

1.逆向工程教學模式的構建研究

逆向工程最早出現(xiàn)于二戰(zhàn)時期，在飛機、坦克以及其他軍事裝備的開發(fā)中扮演著重要角色，而將逆向工程應用于教育的研究出現(xiàn)于二十世紀末。其中，有兩個較具代表性的研究。一個是Otto等（1998）提出的逆向工程與再設計“十步法”，其在教育和工業(yè)領域均產生了非常重要的影響。其中，逆向工程的實施過程共包含三個階段，分別是逆向工程階段、建模與分析階段、再設計階段;“十步法”則針對其中的再設計階段的操作步驟進行了詳細的描述。該教學模式在德克薩斯大學、麻省理工學院和美國空軍學院被廣泛應用，研究結果顯示，逆向工程有助于解決不同類型學生的學習需求，但在操作時間和項目迭代設計等問題上，仍需要在課程結構上做進一步的設計和改進（Wood et al.，2001）。另一個代表性研究是Kremer等（2006）提出的“拆解-分析-裝配”（Disassemble-Analyze-Assemble，簡稱“DAA”）過程模型。DAA活動可以按圖1所示的兩個維度進行分類：教師指導的程度（見橫坐標）和學生完成DAA活動所需的工程知識（見縱坐標）;兩個維度交叉共形成了四種不同水平的活動類型，分別命名為演示（Expose）、激勵（Inspire）、詢問（Enquire）、發(fā)現(xiàn)（Discover）。研究者將該模型應用于高等教育工程類課程，并從工程教育的角度出發(fā)，完善了每種活動類型的教育目標。

國內有關逆向工程的教育研究起步較晚，但如同國外該類研究的發(fā)展脈絡一樣，研究者最初將逆向工程視為一種技術課程的教學內容，而非教學方法，直到近幾年才出現(xiàn)有關逆向工程教學模式的研究。例如，吳蘭岸等（2016）提出了一種技術支持下的逆向工程學習模式，該模式在大數(shù)據(jù)、3D打印、知識發(fā)現(xiàn)與數(shù)據(jù)挖掘等技術的支持下，將逆向工程劃分為從領域理解到應用結果的6個階段，試圖通過解構和分析高精尖產品，引導學生學習技術原理、設計原理和工藝流程。例如，在“關鍵字檢索的視頻畫面定位技術”的學習中，學生通過拆分和學習已有腳本代碼，創(chuàng)造性地編寫出多種類型的微課和課件的腳本格式。

上述逆向工程教學模型大多從產品需求分析的角度出發(fā)，將分析舊產品和生產新產品作為主要目標，因其存在流程單一、缺乏多樣性的不足，故難以廣泛有效地應用。筆者認為，為全面發(fā)揮逆向工程法的教學優(yōu)勢，需針對不同的教育目標和教育內容，構建基于逆向工程法的多元教學模式。

2.逆向工程在教育領域中的應用研究

除探索逆向工程教學模式外，更多研究者將逆向工程應用于機械工程、電子工程和軟件工程等工程類專業(yè)的教學，其中大多數(shù)針對機械產品的再設計。例如，Hess（2002）將固體建模和逆向工程用于工程專業(yè)二年級學生的機械制造課程教學，在經過為期14周的車床零件焊接、塑料成型、零件再設計的學習后，學生的概念理解能力、學習興趣、創(chuàng)造力和想象力都得到了提升。韓鳳霞（2015）為培養(yǎng)學生的創(chuàng)新和實踐能力，在開放實驗中將逆向工程與自動編程技術相結合，通過對可樂瓶進行測量、數(shù)據(jù)處理和重構，培養(yǎng)學生在現(xiàn)代設計與制造工程領域的實踐能力。滕志霞等（2015）將逆向工程應用于軟件工程課程教學，其教學過程包括使用軟件、提出需求、軟件改造、編碼分析、總體設計、設計驗證和過程回顧，研究結果表明逆向工程法有助于學生消化理論知識并將其與實踐結合。周燦（2016）將逆向工程應用于三維設計軟件的教學之中，讓機械類專業(yè)學生對虎口鉗進行零件拆分、數(shù)據(jù)測量和重新組裝，研究表明此過程更貼合企業(yè)生產實際，更能鍛煉學生的綜合能力并激發(fā)其創(chuàng)造力和協(xié)同能力。

還有研究將學習產品的組成結構和功能原理等基礎知識作為教學目標。例如，West等（2008）以網絡基礎設施為工具，通過產品拆解和逆向工程向中學生介紹工程學知識。學生以小組為單位完成相應的任務，并在課上進行有關科學與工程的實時興趣測試，實驗數(shù)據(jù)表明學生的學習興趣得到了提升。滕水生（2016）將逆向工程思維應用于模型制作課程，讓學生通過分析木質家具的材料、加工方式以及榫卯連接的形式，來理解木質材料的特性以及榫卯結構。教學效果分析顯示，逆向工程法可以讓學生達到舉一反三的學習效果，并可增強其創(chuàng)新思維和實踐動手能力。

相較而言，使用逆向工程法分析產品故障并重新設計產品的教學實例較少。筆者僅發(fā)現(xiàn)一例相關研究，即Board（2012）運用逆向工程方法教授高中生CAD和測量技能，其認為對機械進行拆解、結構測試和故障分析的過程可以提升學生的學習興趣和動手能力。

綜上所述，大多數(shù)研究主要從產品需求出發(fā)，將產品再設計作為主要教學目標，針對其他教學目標的實例相對較少。筆者認為，為了培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維、概念理解和問題解決能力，教師在運用逆向工程法時，可以結合教學目標來選擇教學過程，因此，有必要從教學目標出發(fā)開展逆向工程教學模式的分類與構建。此外，上述研究大多是逆向工程法在高等教育及職業(yè)教育工程類學科教學中的應用，但其在基礎教育領域的應用極為匱乏，因此，將逆向工程法引入基礎教育的教育價值和應用前景值得期待。

3.逆向工程在中小學機器人教育中的應用

筆者所在團隊近年來進行了若干將逆向工程理論應用于中小學機器人教育的嘗試。例如，將逆向工程思想用于指導實驗模擬型教學項目，以“自動變速風扇”為例介紹運用逆向工程思維理解工程設計的過程，讓學生通過觀察、分析風扇的結構和功能，學習相關知識（李婷婷等，2017）。并在此基礎上，進一步探討了機器人課程中學生糾錯能力的培養(yǎng)方法問題（Zhong et al.，2019）。此外，筆者所在團隊還將逆向工程思想作為探索機器人教學模式的指導理論之一，將其應用于發(fā)明創(chuàng)造型教學模式的構建。在該模式的“微創(chuàng)新”階段，研究者將DAA活動與工程設計思想相結合，引導學生通過對產品的體驗、解構、分析、再設計、測試與調試等5個環(huán)節(jié)體驗“微創(chuàng)新”的過程（閆妮等，2018）。

中小學機器人教育是一門典型的工程教育類課程，具有豐富的教育價值（鐘柏昌等，2018）。為實現(xiàn)其應有價值，有必要在參考運用逆向工程法的已有工程教育應用及研究的基礎上，針對中小學生的知識和能力水平，進一步探索逆向工程法在機器人教育中的具體教學模式，擴展和豐富已有研究成果。

三、逆向工程教學模式的分類框架

盡管學界對于逆向工程教學模式的理解不盡相同，但不可否認的是，構建一個合理的分類框架有助于逆向工程教學模式的推廣與實施，也有助于演化出新的教學模式。為此，本文從逆向工程的教學目標出發(fā)，在學生有意義的學習成果中尋找分類線索。需要特別說明的是，為了滿足各種可能的教育教學需求，此處所謂的“產品”可以是市場上銷售的機器人產品，也可以是師生自主制作的機器人作品，為行文方便而統(tǒng)稱為“產品”。

根據(jù)不同的教學目標，可以將機器人教育中的逆向工程教學模式作圖2所示的分類。該分類方式將逆向工程教學模式分為復原實驗和重構實驗兩類：復原實驗側重于對機器人產品概念、結構和功能等基礎知識的理解與掌握，物化成果為復原的完整產品;重構實驗則是在理解和掌握機器人概念、結構和功能的基礎上增加創(chuàng)新元素，其物化成果不僅是復原的產品，更是創(chuàng)新后的新產品。

上述兩類實驗還可以分別作進一步的細分。就復原實驗而言，根據(jù)任務分類的方向性原則（Zhong et al.，2016），可以從正向和反向的角度進行分類。教師在開展復原實驗時可以提供正常的機器人產品，也可以提供存在故障的產品，本文將前者定義為解構復原型教學模式，后者定義為糾錯復原型教學模式。其中后者主要指教師人為設計糾錯任務，或是提供已損壞或功能缺失的殘缺產品，讓學生接受系統(tǒng)的糾錯任務訓練并發(fā)現(xiàn)故障的原因，進而復原產品功能（李婷婷等，2017）。

在重構實驗中，根據(jù)重構作品的難易程度和創(chuàng)新程度亦可作進一步的區(qū)分。對原創(chuàng)事物的改變或調整存在不同的水平等級，從教育心理學的角度，可以將其劃分為適合近遷移的要素增減和需要遠遷移的結構創(chuàng)新兩類（鐘柏昌，2018）。前者是指學生在教師的指導下對機器人產品的要素或參數(shù)等進行修改，是在原產品基礎上的簡單改造，本文將其定義為要素增減型教學模式，此模式有助于知識的近遷移;后者則是一種結構創(chuàng)新型教學模式，與要素增減型教學模式不同，其要求學生具備一定的跨學科綜合能力，能夠對原有機器人產品進行結構性重組（再設計），有助于學生知識的遠遷移。

以上四種教學模式的基本特征詳見下表。其實施過程如圖3所示，因形似燈籠，也可將其稱為“燈籠模型”，后文將對其作詳細介紹。當然，并不排除在這個分類體系中存在其他教學模式的可能，如處于四種教學模式的中間狀態(tài)或混合狀態(tài)的教學模式。整體而言，四種教學模式雖有不同，但也存在明顯的共性，即從試用與感知開始到評價與總結結束，各自中間的兩個關鍵環(huán)節(jié)均是一個循環(huán)迭代、逐步完善的過程。

四、四種逆向工程教學模式的解析

1.解構復原型教學模式

解構復原型教學模式是指學生在教師的引導下，經歷一個對機器人產品進行分解與復原的探究過程，其實施過程主要包含試用與感知、分解與觀察、還原與測試、評價與總結等四個環(huán)節(jié)。

試用與感知環(huán)節(jié)是指通過試用一個或多個產品，吸引學生注意，激發(fā)學習興趣，形成用戶體驗并對目標產品的設計意圖、功能、材質和基本構成等形成初步認識。其基本要求包括以下三個方面：其一，教師應根據(jù)項目或任務的主題要求準備現(xiàn)成的機器人產品供學生試用，且產品應具有一定的趣味性或新穎性;其二，產品應具有可拆分性，其分解難度應與學生能力基礎相適應，不宜過于容易或復雜;其三，教師應鼓勵學生以口頭或書面的方式形成簡潔的用戶體驗報告，為方便學生填寫，也可以提供半結構化的表格，并通過提問、觀察等方式及時把握學生的體驗與感悟，確保學生對產品的認知與預設的項目任務一致。

分解與觀察環(huán)節(jié)是指通過對產品的解剖，滿足學生的好奇心，培養(yǎng)學生的動手操作能力，了解產品的內部結構和工作機制。其基本要求包括以下三個方面：其一，教師應結合學生能力基礎調節(jié)產品拆分的形式。例如，初學者可以遵循“小步子”原則逐步拆分和復原，而對于具備一定操作經驗和能力的學生則可以結合說明書按序分解，或在沒有任何說明書的前提下直接分解。其二，為方便指導學生的操作并規(guī)范拆分行為，教師可以提供半結構化的產品拆分表格，要求學生學會觀察和測量，做好拆分記錄（如拆分順序，涉及零部件或結構的位置、距離、大小等信息），必要時可以允許學生拍照記錄。其三，分解的目的不是單純的解構，還要學會觀察、了解產品的組成結構和實現(xiàn)原理。因此，教師需在拆分過程中給予適當?shù)奶崾竞鸵龑В{動學生的求知欲，確保學生理解各零部件的作用和相互關系。

還原與測試環(huán)節(jié)是指通過對產品的正確復原，培養(yǎng)學生的責任心和動手操作能力，檢驗學生對產品結構和工作機制的熟悉程度。其基本要求包括以下四個方面：其一，教師應結合學生能力基礎調節(jié)產品復原的形式，除了依照“小步子”的原則外，對于具備一定操作經驗和能力的學生還可以結合拆分記錄按序復原，或在不參考拆分記錄的前提下憑記憶復原。其二，為確保機器人產品的完整性和穩(wěn)定性，教師應鼓勵學生進行迭代測試，做好觀察與測試記錄（如產品是否成功運行、安裝誤差分析、復原成功時間等）。其三，此環(huán)節(jié)的目的不是單純的還原，還要學會鞏固理解各零部件的作用和相互關系，因此，教師可以在學生復原操作的過程中以提問或評論的方式予以強化。其四，由于機器人產品的分解與還原不僅涉及硬件結構，還涉及控制板中的程序，而預先上傳（燒錄）到機器人控制板的程序是沒有辦法直接進行拆分的。如果學習目標涉及相關程序的編寫，則需要鼓勵學生結合對機器人產品的理解倒推可能的程序代碼和算法，并通過反復測試，使產品能夠正常運轉。

評價與總結環(huán)節(jié)是指通過對復原產品的評價，激發(fā)學生的成就動機，反思在分解與復原過程中遇到的問題。其基本要求包括以下兩個方面：其一，評價的重心在于提示學生比較分解前和復原后的產品是否有性能上的變化，如果有變化，則要進一步分析產生的原因，必要時可以借助原先產品的使用視頻進行比較分析。其二，如果時間允許，應該鼓勵學生形成一個比較完整的產品分解與復原報告，藉此全面梳理操作流程、深入理解產品的構成和工作機制，對涉及的關鍵知識和常見問題進行梳理總結，并與同學分享學習心得。

解構復原型的核心步驟與前文提到的“拆解-分析-裝配”（DAA）過程相似，以“拆分-復原”的方式讓學生掌握目標產品的基本構成和實現(xiàn)方法，側重于基礎知識和基本技能的學習，不涉及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，因此該模式可以應用于機器人教育的教學初期，但并不適用于全部教學過程。

2.糾錯復原型教學模式

糾錯復原型教學模式是指學生在教師的引導下，經歷一個對故障機器人進行問題分析和解決以恢復其功能的探究過程。其實施過程包含試用與感知、明確問題與原因分析、方案設計與測試、評價與總結等四個環(huán)節(jié)。

試用與感知環(huán)節(jié)除了參考解構復原型教學模式中對應的三點要求外，還有一點需要注意：機器人產品應存在故障（根據(jù)教學目標，故障可以涉及機器人結構、傳感、控制、動力以及通訊等方面），產品故障可以是自然發(fā)生的，也可以是教師人為設計的，其故障難度應與學生的能力相適應，不宜過于容易或復雜。

明確問題與原因分析環(huán)節(jié)是指通過對故障產品的診斷和分析，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的能力。其基本要求包括以下三個方面：其一，教師應結合學生能力基礎調節(jié)故障診斷的形式。例如，初學者可以按照“小步子”原則逐步拆分并找到問題根源，而針對具備一定糾錯經驗和能力的學生則可以鼓勵其大膽預測故障的原因和位置，直接進入下一環(huán)節(jié)。其二，為及時把握學生的糾錯進展，教師可以提供半結構化的故障診斷與分析記錄表，以書面的方式形成故障診斷與分析記錄（如故障產生原因、故障解決方法等）。其三，教學過程中允許學生不斷試錯，且教師應鼓勵學生勇于發(fā)現(xiàn)問題，就算是學生提出教學計劃之外的故障問題，也應給予合理的反饋。

方案設計與測試環(huán)節(jié)是指通過對故障產品的正確修復，培養(yǎng)學生的問題解決能力，增強其學習成就感。其基本要求包括以下三個方面：其一，學生需結合故障診斷與分析記錄表提出修復意見，若為機器人硬件方面問題，則需提供修正故障所需要的元部件和修復草圖;若為機器人軟件方面問題，則需設計程序流程圖。其二，在測試過程中，要做好觀察和記錄，繼續(xù)填寫上文提到的故障診斷與分析記錄表（含糾錯方案、誤差分析、修復成功時間等）。其三，如果學習目標涉及對相關程序的糾錯，教師則應結合學生能力基礎調節(jié)程序糾錯的形式。例如，初學者可以參考教師下發(fā)的源程序逐步分析和糾錯，而具備一定糾錯經驗和能力的學生則可以通過對機器人產品的理解來倒推程序代碼和算法，并通過反復測試使產品能夠正常運轉。

評價與總結環(huán)節(jié)與解構復原型教學模式中的高度一致，不再贅述。

國內外有關糾錯任務教學的研究主要針對物理教育和工程教育領域，機器人教育中的糾錯復原型教學模式研究相對欠缺。筆者曾在一項教學實驗研究項目中以小學五年級機器人課程“探測巡線走”為例，嘗試了這一教學模式（康斯雅等，2019）。在該項目中，首先由教師講解巡線程序的編寫原理，之后發(fā)給學生存在故障的巡線程序。為找出其中存在的問題，學生需要對故障代碼進行結構拆分，并分析和記錄相關指令及功能，再結合巡線原理識別故障指令中存在的錯誤，進而根據(jù)故障診斷表對程序代碼進行迭代修改和測試，最后再由教師講解正確代碼的結構和功能，并對學生的表現(xiàn)進行總結。

糾錯復原型教學模式將機器人理論知識應用于實際問題的解決，為提高學生的問題解決能力提供了新的途徑。其以“糾錯-復原”的方式讓學生掌握目標作品的工作機制和實現(xiàn)方法，強調學生在掌握基礎知識與基本技能的前提下學會應用（如分析故障原因和解決故障問題），但并不涉及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，因而適用于“雙基”的鞏固與強化階段。

3.要素增減型教學模式

要素增減型教學模式是指學生在教師的引導下，經歷一個對機器人產品分解與“微創(chuàng)新”的探究過程，其實施過程包含試用與感知、分解與觀察、要素增減與測試、評價與總結等四個環(huán)節(jié)。

試用與感知、分解與觀察這兩個環(huán)節(jié)與解構復原型教學模式中的高度一致，不再贅述。

要素增減與測試環(huán)節(jié)是指通過對產品基本要素的增加或減少實現(xiàn)“微創(chuàng)新”，改變產品的部分性能，以培養(yǎng)學生的求異思維。其基本要求包括以下三個方面：其一，要素增減需在原有產品的基礎上進行，既可以結合實際需要做硬件方面的改造，也可以在程序設計方面找不足。其二，為方便指導學生的操作，教師可提供半結構化的表格幫助學生設計要素增減方案。要素增減不是漫無目的地胡亂修改，首先需要選擇方便修改的零部件或程序代碼，其次需要說明每一項修改的原因或理由，并結合測試結果予以補充論證。其三，在動手改造之前，要先提供并描述硬件修改草圖及程序流程圖。

評價與總結環(huán)節(jié)是指通過對重構產品的評價，激發(fā)學生的成就動機，反思在分解與重構過程中遇到的問題。其基本要求包括以下兩個方面：其一，評價的重心在于提示學生分析重構產品的功能與性能、技術與實現(xiàn)、創(chuàng)意與個性（李婷婷等，2017），如果以上幾方面與原先產品相比均沒有變化甚至導致產品無法正常運轉，則要進一步分析重構失敗的原因。其二，學生可以通過產品展示的方式分享產品重構意圖和實現(xiàn)過程，從優(yōu)點和不足兩個方面比較重構前后產品的差異。

要素增減型教學模式以“分解-要素增減”的方式開拓學生思維，側重于促使學生掌握“雙基”和培養(yǎng)學生的實際應用能力，進而超越機器人產品的原始設計，開展較為基礎的“微創(chuàng)新”，適用于培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的初級階段。

4.結構創(chuàng)新型教學模式

結構創(chuàng)新型教學模式是指學生在教師的引導下，經歷一個對機器人產品分解與結構再造的探究過程，其實施過程包含試用與感知、分解與觀察、結構再造與測試、評價與總結等四個環(huán)節(jié)。

試用與感知、分解與觀察、評價與總結這三個環(huán)節(jié)與要素增減型教學模式中的高度一致，不再贅述。

結構再造與測試環(huán)節(jié)是指從實際需求出發(fā)，分析已有產品的不足或發(fā)現(xiàn)其新的用途，并對機器人產品進行“再設計”，改變產品要素之間的關系和結構，從而改變產品的功能、性能或外形等特性，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和問題解決能力。其基本要求包括以下三個方面：其一，教師要特別啟發(fā)學生思考哪些因素對產品性能或外形具有決定性影響，使學生明白抓住核心要素進行結構改造是事半功倍的基本策略。其二，要形成一個比較完整的再設計方案，畫出草圖和流程圖，說明每一項修改的原因或理由，并結合測試結果加以論證，突出創(chuàng)新性。其三，結構再造對學生的要求較高，教師應在方案的可行性、合理性等方面提出建設性指導意見，鼓勵學生形成產品迭代意識，逐步完善產品。

目前，針對機器人教育中結構創(chuàng)新型教學模式的探索還較為欠缺，以下關于電動牙刷改造的案例有助于對該種教學模式的理解。在該案例中，學生以小組為單位對如圖4所示的電動牙刷進行實物解構。在了解各部分的組成形式與功能之后，學生通過頭腦風暴和小組討論等形式對電動牙刷的再設計提出想法并繪制草圖。此處的“再設計”與“要素增減”不同，更側重于完善產品的外形與功能，比如圖5所示的對電動牙刷刷頭、手柄、組裝方式的優(yōu)化設計等（Toh et al.，2012;2013）。由此可見，結構創(chuàng)新型教學模式的教學目標不再局限于掌握工程知識，而更注重以產品的實際需求為導向解決真實問題。

毋庸置疑，對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是一個非常重要的教育目標，但當前的機器人教育在創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面依舊存在諸多障礙（鐘柏昌等，2015）。而結構創(chuàng)新型教學模式為學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提了一種可選擇的方案。與前三種模式相比，它更側重于以“分解-結構再造”的方式促進學生實現(xiàn)知識應用和創(chuàng)新實踐，更適用于培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的中后階段。

五、總結

本文面向中小學機器人教育的實際需要，從不同教學目標定位出發(fā)，構建了四種逆向工程教學模式。解構復原型教學模式注重培養(yǎng)學生的基礎知識和基本技能，需要學生經歷一個從對機器人產品的分解到復原的探究過程，適用于機器人教育的教學初期。糾錯復原型教學模式強調學生在掌握“雙基”的前提下學會應用，即具備分析故障原因和解決故障問題的能力，但不涉及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，適用于“雙基”的鞏固與強化階段。要素增減型教學模式需要學生經歷一個從對機器人產品的分解到“微創(chuàng)新”的探究過程，注重學生對“雙基”的掌握及應用，強調讓學生超越機器人產品的原始設計，開展較為基礎的“微創(chuàng)新”，適用于培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的初級階段。結構創(chuàng)新型教學模式需要學生經歷一個從對機器人產品的分解到結構再造的探究過程，與前三種模式相比，其更側重于知識應用與創(chuàng)新實踐，適用于培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的中后階段。需強調的是，無論哪一種逆向工程教學模式，都需要從現(xiàn)成的產品出發(fā)，引導學生代入原產品設計者的身份意識，換位思考和揣摩原設計者的意圖，從而快速進入產品復原、改造或糾錯的狀態(tài)。從這個意義上說，上述四種教學模式都具有“造物”的特征，這與創(chuàng)客教育的初衷高度契合（鐘柏昌，2016c），因此，其也可用于創(chuàng)客教育。

筆者一直強調要從一個或多個機器人產品出發(fā)開展基于逆向工程法的機器人教學，但正如前文所言，這種產品至少可以分為兩種類型，一種是市場上銷售的機器人產品，另一種是師生利用機器人套件自行設計和制作的作品。這種分類會導致不同的教學處理。例如，如果以購買的機器人產品作為逆向工程教學的起點，則通常不適合讓學生直接對其進行要素增減或結構改造，否則容易因為損壞產品而導致高昂的教學成本。因此，如果采用此類產品作為學習對象，往往只能停留于分解與復原階段。而在重新改造階段，則需要采用仿造的方式，即利用學?，F(xiàn)有的機器人套件，嘗試自己動手制作機器人作品以再現(xiàn)相似的產品功能和結構。即便如此，采購成熟的機器人產品所需的投入依然較高，因而那些經濟實用且非高端的智能玩具應該作為首選。此外，還可能出現(xiàn)因購買的機器人產品功能豐富而致使仿造無法在短時間內完成的情況，此時的逆向工程教學就需要分步進行，以由易到難、由簡到繁、由少到多、由復原到重構的方式循序漸進地展開。因此，針對一種產品的逆向工程教學就有可能是為期一個學期或一個學年的學習項目，這不僅有利于學生的深度學習，也有利于減少經費投入。

如果采用的是由機器人套件制作的作品，則可以直接在其上進行程序設計或要素結構的再設計。然而，如果采用教師自行制作的作品作為逆向工程教學的起點，在面對大班教學和多個班級輪流上課時，教師將難以應付大工作量的作品準備。此時，將前一個班級學習結束后的作品作為下一個班級逆向工程教學的起點則是一種更為合理的選擇。

對于一線教師而言，還需要注意四種教學模式的選用策略問題。正如前文提到的，四種教學模式體現(xiàn)的是一種循序漸進地提升學生實踐創(chuàng)新能力的思想，因此，依據(jù)學生所處的學習階段和學習基礎，設計循序漸進、由簡到繁的項目主題，并從四種教學模式中選擇相適應的模式開展教學是一種基本策略。此外，還有另一種“打散重組”的策略，即針對同一個項目主題，先后采用不同的教學模式，并不斷擴展項目任務，提升作品設計的創(chuàng)新程度和復雜程度。例如，可以從產品的解構復原開始，進而圍繞該產品進行要素增減或結構創(chuàng)新。無論采用何種教學模式，都需切記逆向工程本身是一個復雜的過程，在教學應用時并不一定能做到明確的環(huán)節(jié)劃分，因而需要根據(jù)實際情況靈活調整和組合。

需要特別說明的是，本文面向中小學機器人教育所構建的逆向工程教學模式，并非是對工業(yè)領域逆向工程方法的簡單照搬。作為一種成熟的工程設計與生產方法，逆向工程有著非常高的技術要求。例如，工業(yè)領域往往會借助CAD軟件來做再設計，利用虛擬仿真系統(tǒng)來做仿真測試，并利用精密儀器來做測量等等。但在基礎教育領域，無論是學生的知識基礎還是學校的教學條件，均無法與之看齊。因此，逆向工程方法在中小學教育中的應用，應當側重于借鑒其基本思想和方法，并采用一些相對低端的技術工具和手段（如3D打印、激光切割等）進行要素或結構的改造。在作品的精度、穩(wěn)定性等質量指標上的要求也相對較低，甚至可以稱得上粗糙，這都是正常的現(xiàn)象，在實踐中切忌過分拔高對作品質量的要求。

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Construction of Reverse Engineering Teaching Model in Robotics Education

KANG Siya， ZHONG Baichang

Abstract： Reverse engineering （RE） has wide application prospects in the teaching of engineering courses as a process of product optimization and re-creation through reverse analysis and research on target products. Robotics education is a new field of education that traditional teaching methods are difficult to give full play to their educational value， while the RE method shows obvious advantages and applicability for robotics education. In order to deal with the single-dimension of teaching model of RE in robotics education， four kinds of RE teaching models from two dimensions of restoration experiment and reconstruction experiment： Deconstruction Recovery Model， Troubleshooting Model， Element Minitrim Model， and Structural Innovation Model were constructed in the study. Then the “l(fā)antern model” was built to visualize the aspects of these four teaching models. Among them， the Deconstruction Recovery Model focuses on the “dissection-recovery” method to let students grasp the basic composition and implementation methods of target products; The Troubleshooting Model focuses on the “troubleshooting-recovery” method to let students master the working mechanism and implementation method of target products; The Element Minitrim Model focuses on developing students thinking in the form of “dissection-element minitrim”; The Structural Innovation Model focuses on promoting students knowledge application and innovative practice in the form of “dissection-structural reconstruction”. In conclusion， the aforementioned teaching models address that students should have the identity consciousness of original product designer. Furthermore， these teaching models all have the characteristics of “creation”， and should be flexibly used and recomposed according to the actual situation.

Keywords： Reverse Engineering; Robotics Education; Teaching Model; Deconstruction Recovery Model; Troubleshooting Model; Element Minitrim Model; Structural Innovation Model