康斯雅　鐘柏昌

摘要：逆向工程作為一種通過對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品的逆向分析和研究來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化與再創(chuàng)造的過程，在工程類專業(yè)課程的教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。針對(duì)機(jī)器人教育這一新的教育領(lǐng)域，傳統(tǒng)教學(xué)方法難以充分發(fā)揮其教育價(jià)值，而逆向工程法卻體現(xiàn)出較為明顯的優(yōu)勢(shì)和適用性。為應(yīng)對(duì)機(jī)器人教育中的逆向工程法應(yīng)用所存在的教學(xué)模式單一現(xiàn)象，從復(fù)原實(shí)驗(yàn)和重構(gòu)實(shí)驗(yàn)兩個(gè)層面提出了解構(gòu)復(fù)原型、糾錯(cuò)復(fù)原型、要素增減型、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型等四種機(jī)器人教育中的逆向工程教學(xué)模式，進(jìn)而構(gòu)建了“燈籠模型”對(duì)上述教學(xué)模式的各環(huán)節(jié)進(jìn)行形象化呈現(xiàn)。其中，解構(gòu)復(fù)原型教學(xué)模式側(cè)重以“拆分-復(fù)原”的方式讓學(xué)生掌握目標(biāo)產(chǎn)品的基本構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)方法;糾錯(cuò)復(fù)原型教學(xué)模式側(cè)重以“糾錯(cuò)-復(fù)原”的方式讓學(xué)生掌握目標(biāo)作品的工作機(jī)制和實(shí)現(xiàn)方法;要素增減型教學(xué)模式側(cè)重以“分解-要素增減”的方式開拓學(xué)生思維;結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型教學(xué)模式側(cè)重以“分解-結(jié)構(gòu)再造”的方式促進(jìn)學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)應(yīng)用和創(chuàng)新實(shí)踐。上述教學(xué)模式都強(qiáng)調(diào)將學(xué)生代入原產(chǎn)品設(shè)計(jì)者的身份意識(shí)，均具有“造物”的特征，在應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況加以靈活選擇、調(diào)整和組合。

關(guān)鍵詞：逆向工程;機(jī)器人教育;教學(xué)模式;解構(gòu)復(fù)原型;糾錯(cuò)復(fù)原型;要素增減型;結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型

中圖分類號(hào)：G434 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：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(jìn)產(chǎn)品的實(shí)物、樣件、軟件等作為研究對(duì)象，通過現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法、測(cè)量技術(shù)對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行建模、仿真，最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)化既有產(chǎn)品和再創(chuàng)造的過程（黃誠(chéng)駒，2004;祖文明，2011）。Shooter（2008）認(rèn)為如果將設(shè)計(jì)理解成產(chǎn)品的功能到形式的轉(zhuǎn)變，那么逆向工程就是從產(chǎn)品的形式到功能分析的轉(zhuǎn)變。近年來，許多研究者對(duì)逆向工程的教學(xué)應(yīng)用進(jìn)行了分析與討論，這些研究主要側(cè)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(shì)，可以促進(jìn)大學(xué)工程類專業(yè)學(xué)生的概念學(xué)習(xí)（Hess，2000），有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)（Ogot，2002;Barr et al.，2000）和學(xué)習(xí)能力（如創(chuàng)造力、理解力、動(dòng)手能力、洞察能力），也有助于加速產(chǎn)品和工藝的開發(fā)進(jìn)程（Huang，2011;Hess，2002;Lee et al.，2003）。

隨著基礎(chǔ)教育新課程改革的不斷深入，我國(guó)中小學(xué)機(jī)器人教育有了較快發(fā)展，其教育價(jià)值已初步獲得社會(huì)認(rèn)可（鐘柏昌，2016a）。問題解決、項(xiàng)目教學(xué)等多種教學(xué)方法被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人教育中，但這些應(yīng)用通常是對(duì)教學(xué)過程的簡(jiǎn)單照搬，并未體現(xiàn)出機(jī)器人教育的工程特性。如何才能充分發(fā)揮機(jī)器人課程的教育價(jià)值，在教學(xué)過程中激發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維和遷移應(yīng)用能力，使機(jī)器人技術(shù)與廣泛的社會(huì)應(yīng)用相結(jié)合，尚需探尋具有針對(duì)性的教學(xué)模式（鐘柏昌，2016b）。已有研究證實(shí)了逆向工程法在工程類學(xué)科中的教學(xué)優(yōu)勢(shì)，而中小學(xué)機(jī)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(xué)過程中的的適用性也毋庸置疑，但如何有效應(yīng)用仍需進(jìn)一步思考。為此，本文將逆向工程方法引入中小學(xué)機(jī)器人教育，試圖探索適用于中小學(xué)機(jī)器人教育的逆向工程教學(xué)模式分類體系和操作模式。

二、逆向工程法教育應(yīng)用研究綜述

1.逆向工程教學(xué)模式的構(gòu)建研究

逆向工程最早出現(xiàn)于二戰(zhàn)時(shí)期，在飛機(jī)、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(yīng)用于教育的研究出現(xiàn)于二十世紀(jì)末。其中，有兩個(gè)較具代表性的研究。一個(gè)是Otto等（1998）提出的逆向工程與再設(shè)計(jì)“十步法”，其在教育和工業(yè)領(lǐng)域均產(chǎn)生了非常重要的影響。其中，逆向工程的實(shí)施過程共包含三個(gè)階段，分別是逆向工程階段、建模與分析階段、再設(shè)計(jì)階段;“十步法”則針對(duì)其中的再設(shè)計(jì)階段的操作步驟進(jìn)行了詳細(xì)的描述。該教學(xué)模式在德克薩斯大學(xué)、麻省理工學(xué)院和美國(guó)空軍學(xué)院被廣泛應(yīng)用，研究結(jié)果顯示，逆向工程有助于解決不同類型學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，但在操作時(shí)間和項(xiàng)目迭代設(shè)計(jì)等問題上，仍需要在課程結(jié)構(gòu)上做進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和改進(jìn)（Wood et al.，2001）。另一個(gè)代表性研究是Kremer等（2006）提出的“拆解-分析-裝配”（Disassemble-Analyze-Assemble，簡(jiǎn)稱“DAA”）過程模型。DAA活動(dòng)可以按圖1所示的兩個(gè)維度進(jìn)行分類：教師指導(dǎo)的程度（見橫坐標(biāo)）和學(xué)生完成DAA活動(dòng)所需的工程知識(shí)（見縱坐標(biāo)）;兩個(gè)維度交叉共形成了四種不同水平的活動(dòng)類型，分別命名為演示（Expose）、激勵(lì)（Inspire）、詢問（Enquire）、發(fā)現(xiàn)（Discover）。研究者將該模型應(yīng)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(dòng)類型的教育目標(biāo)。

國(guó)內(nèi)有關(guān)逆向工程的教育研究起步較晚，但如同國(guó)外該類研究的發(fā)展脈絡(luò)一樣，研究者最初將逆向工程視為一種技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容，而非教學(xué)方法，直到近幾年才出現(xiàn)有關(guān)逆向工程教學(xué)模式的研究。例如，吳蘭岸等（2016）提出了一種技術(shù)支持下的逆向工程學(xué)習(xí)模式，該模式在大數(shù)據(jù)、3D打印、知識(shí)發(fā)現(xiàn)與數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)的支持下，將逆向工程劃分為從領(lǐng)域理解到應(yīng)用結(jié)果的6個(gè)階段，試圖通過解構(gòu)和分析高精尖產(chǎn)品，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)技術(shù)原理、設(shè)計(jì)原理和工藝流程。例如，在“關(guān)鍵字檢索的視頻畫面定位技術(shù)”的學(xué)習(xí)中，學(xué)生通過拆分和學(xué)習(xí)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(xué)模型大多從產(chǎn)品需求分析的角度出發(fā)，將分析舊產(chǎn)品和生產(chǎn)新產(chǎn)品作為主要目標(biāo)，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(yīng)用。筆者認(rèn)為，為全面發(fā)揮逆向工程法的教學(xué)優(yōu)勢(shì)，需針對(duì)不同的教育目標(biāo)和教育內(nèi)容，構(gòu)建基于逆向工程法的多元教學(xué)模式。

2.逆向工程在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

除探索逆向工程教學(xué)模式外，更多研究者將逆向工程應(yīng)用于機(jī)械工程、電子工程和軟件工程等工程類專業(yè)的教學(xué)，其中大多數(shù)針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)。例如，Hess（2002）將固體建模和逆向工程用于工程專業(yè)二年級(jí)學(xué)生的機(jī)械制造課程教學(xué)，在經(jīng)過為期14周的車床零件焊接、塑料成型、零件再設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)后，學(xué)生的概念理解能力、學(xué)習(xí)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(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力，在開放實(shí)驗(yàn)中將逆向工程與自動(dòng)編程技術(shù)相結(jié)合，通過對(duì)可樂瓶進(jìn)行測(cè)量、數(shù)據(jù)處理和重構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生在現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造工程領(lǐng)域的實(shí)踐能力。滕志霞等（2015）將逆向工程應(yīng)用于軟件工程課程教學(xué)，其教學(xué)過程包括使用軟件、提出需求、軟件改造、編碼分析、總體設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和過程回顧，研究結(jié)果表明逆向工程法有助于學(xué)生消化理論知識(shí)并將其與實(shí)踐結(jié)合。周燦（2016）將逆向工程應(yīng)用于三維設(shè)計(jì)軟件的教學(xué)之中，讓機(jī)械類專業(yè)學(xué)生對(duì)虎口鉗進(jìn)行零件拆分、數(shù)據(jù)測(cè)量和重新組裝，研究表明此過程更貼合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，更能鍛煉學(xué)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(xué)習(xí)產(chǎn)品的組成結(jié)構(gòu)和功能原理等基礎(chǔ)知識(shí)作為教學(xué)目標(biāo)。例如，West等（2008）以網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施為工具，通過產(chǎn)品拆解和逆向工程向中學(xué)生介紹工程學(xué)知識(shí)。學(xué)生以小組為單位完成相應(yīng)的任務(wù)，并在課上進(jìn)行有關(guān)科學(xué)與工程的實(shí)時(shí)興趣測(cè)試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到了提升。滕水生（2016）將逆向工程思維應(yīng)用于模型制作課程，讓學(xué)生通過分析木質(zhì)家具的材料、加工方式以及榫卯連接的形式，來理解木質(zhì)材料的特性以及榫卯結(jié)構(gòu)。教學(xué)效果分析顯示，逆向工程法可以讓學(xué)生達(dá)到舉一反三的學(xué)習(xí)效果，并可增強(qiáng)其創(chuàng)新思維和實(shí)踐動(dòng)手能力。

相較而言，使用逆向工程法分析產(chǎn)品故障并重新設(shè)計(jì)產(chǎn)品的教學(xué)實(shí)例較少。筆者僅發(fā)現(xiàn)一例相關(guān)研究，即Board（2012）運(yùn)用逆向工程方法教授高中生CAD和測(cè)量技能，其認(rèn)為對(duì)機(jī)械進(jìn)行拆解、結(jié)構(gòu)測(cè)試和故障分析的過程可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力。

綜上所述，大多數(shù)研究主要從產(chǎn)品需求出發(fā)，將產(chǎn)品再設(shè)計(jì)作為主要教學(xué)目標(biāo)，針對(duì)其他教學(xué)目標(biāo)的實(shí)例相對(duì)較少。筆者認(rèn)為，為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、概念理解和問題解決能力，教師在運(yùn)用逆向工程法時(shí)，可以結(jié)合教學(xué)目標(biāo)來選擇教學(xué)過程，因此，有必要從教學(xué)目標(biāo)出發(fā)開展逆向工程教學(xué)模式的分類與構(gòu)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(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用，但其在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的應(yīng)用極為匱乏，因此，將逆向工程法引入基礎(chǔ)教育的教育價(jià)值和應(yīng)用前景值得期待。

3.逆向工程在中小學(xué)機(jī)器人教育中的應(yīng)用

筆者所在團(tuán)隊(duì)近年來進(jìn)行了若干將逆向工程理論應(yīng)用于中小學(xué)機(jī)器人教育的嘗試。例如，將逆向工程思想用于指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)?zāi)M型教學(xué)項(xiàng)目，以“自動(dòng)變速風(fēng)扇”為例介紹運(yùn)用逆向工程思維理解工程設(shè)計(jì)的過程，讓學(xué)生通過觀察、分析風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)和功能，學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)（李婷婷等，2017）。并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了機(jī)器人課程中學(xué)生糾錯(cuò)能力的培養(yǎng)方法問題（Zhong et al.，2019）。此外，筆者所在團(tuán)隊(duì)還將逆向工程思想作為探索機(jī)器人教學(xué)模式的指導(dǎo)理論之一，將其應(yīng)用于發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式的構(gòu)建。在該模式的“微創(chuàng)新”階段，研究者將DAA活動(dòng)與工程設(shè)計(jì)思想相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生通過對(duì)產(chǎn)品的體驗(yàn)、解構(gòu)、分析、再設(shè)計(jì)、測(cè)試與調(diào)試等5個(gè)環(huán)節(jié)體驗(yàn)“微創(chuàng)新”的過程（閆妮等，2018）。

中小學(xué)機(jī)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(jià)值（鐘柏昌等，2018）。為實(shí)現(xiàn)其應(yīng)有價(jià)值，有必要在參考運(yùn)用逆向工程法的已有工程教育應(yīng)用及研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)中小學(xué)生的知識(shí)和能力水平，進(jìn)一步探索逆向工程法在機(jī)器人教育中的具體教學(xué)模式，擴(kuò)展和豐富已有研究成果。

三、逆向工程教學(xué)模式的分類框架

盡管學(xué)界對(duì)于逆向工程教學(xué)模式的理解不盡相同，但不可否認(rèn)的是，構(gòu)建一個(gè)合理的分類框架有助于逆向工程教學(xué)模式的推廣與實(shí)施，也有助于演化出新的教學(xué)模式。為此，本文從逆向工程的教學(xué)目標(biāo)出發(fā)，在學(xué)生有意義的學(xué)習(xí)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(xué)需求，此處所謂的“產(chǎn)品”可以是市場(chǎng)上銷售的機(jī)器人產(chǎn)品，也可以是師生自主制作的機(jī)器人作品，為行文方便而統(tǒng)稱為“產(chǎn)品”。

根據(jù)不同的教學(xué)目標(biāo)，可以將機(jī)器人教育中的逆向工程教學(xué)模式作圖2所示的分類。該分類方式將逆向工程教學(xué)模式分為復(fù)原實(shí)驗(yàn)和重構(gòu)實(shí)驗(yàn)兩類：復(fù)原實(shí)驗(yàn)側(cè)重于對(duì)機(jī)器人產(chǎn)品概念、結(jié)構(gòu)和功能等基礎(chǔ)知識(shí)的理解與掌握，物化成果為復(fù)原的完整產(chǎn)品;重構(gòu)實(shí)驗(yàn)則是在理解和掌握機(jī)器人概念、結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上增加創(chuàng)新元素，其物化成果不僅是復(fù)原的產(chǎn)品，更是創(chuàng)新后的新產(chǎn)品。

上述兩類實(shí)驗(yàn)還可以分別作進(jìn)一步的細(xì)分。就復(fù)原實(shí)驗(yàn)而言，根據(jù)任務(wù)分類的方向性原則（Zhong et al.，2016），可以從正向和反向的角度進(jìn)行分類。教師在開展復(fù)原實(shí)驗(yàn)時(shí)可以提供正常的機(jī)器人產(chǎn)品，也可以提供存在故障的產(chǎn)品，本文將前者定義為解構(gòu)復(fù)原型教學(xué)模式，后者定義為糾錯(cuò)復(fù)原型教學(xué)模式。其中后者主要指教師人為設(shè)計(jì)糾錯(cuò)任務(wù)，或是提供已損壞或功能缺失的殘缺產(chǎn)品，讓學(xué)生接受系統(tǒng)的糾錯(cuò)任務(wù)訓(xùn)練并發(fā)現(xiàn)故障的原因，進(jìn)而復(fù)原產(chǎn)品功能（李婷婷等，2017）。

在重構(gòu)實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)重構(gòu)作品的難易程度和創(chuàng)新程度亦可作進(jìn)一步的區(qū)分。對(duì)原創(chuàng)事物的改變或調(diào)整存在不同的水平等級(jí)，從教育心理學(xué)的角度，可以將其劃分為適合近遷移的要素增減和需要遠(yuǎn)遷移的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新兩類（鐘柏昌，2018）。前者是指學(xué)生在教師的指導(dǎo)下對(duì)機(jī)器人產(chǎn)品的要素或參數(shù)等進(jìn)行修改，是在原產(chǎn)品基礎(chǔ)上的簡(jiǎn)單改造，本文將其定義為要素增減型教學(xué)模式，此模式有助于知識(shí)的近遷移;后者則是一種結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型教學(xué)模式，與要素增減型教學(xué)模式不同，其要求學(xué)生具備一定的跨學(xué)科綜合能力，能夠?qū)υ袡C(jī)器人產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)性重組（再設(shè)計(jì)），有助于學(xué)生知識(shí)的遠(yuǎn)遷移。

以上四種教學(xué)模式的基本特征詳見下表。其實(shí)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(duì)其作詳細(xì)介紹。當(dāng)然，并不排除在這個(gè)分類體系中存在其他教學(xué)模式的可能，如處于四種教學(xué)模式的中間狀態(tài)或混合狀態(tài)的教學(xué)模式。整體而言，四種教學(xué)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(píng)價(jià)與總結(jié)結(jié)束，各自中間的兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)均是一個(gè)循環(huán)迭代、逐步完善的過程。

四、四種逆向工程教學(xué)模式的解析

1.解構(gòu)復(fù)原型教學(xué)模式

解構(gòu)復(fù)原型教學(xué)模式是指學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，經(jīng)歷一個(gè)對(duì)機(jī)器人產(chǎn)品進(jìn)行分解與復(fù)原的探究過程，其實(shí)施過程主要包含試用與感知、分解與觀察、還原與測(cè)試、評(píng)價(jià)與總結(jié)等四個(gè)環(huán)節(jié)。

試用與感知環(huán)節(jié)是指通過試用一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)品，吸引學(xué)生注意，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，形成用戶體驗(yàn)并對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖、功能、材質(zhì)和基本構(gòu)成等形成初步認(rèn)識(shí)。其基本要求包括以下三個(gè)方面：其一，教師應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目或任務(wù)的主題要求準(zhǔn)備現(xiàn)成的機(jī)器人產(chǎn)品供學(xué)生試用，且產(chǎn)品應(yīng)具有一定的趣味性或新穎性;其二，產(chǎn)品應(yīng)具有可拆分性，其分解難度應(yīng)與學(xué)生能力基礎(chǔ)相適應(yīng)，不宜過于容易或復(fù)雜;其三，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生以口頭或書面的方式形成簡(jiǎn)潔的用戶體驗(yàn)報(bào)告，為方便學(xué)生填寫，也可以提供半結(jié)構(gòu)化的表格，并通過提問、觀察等方式及時(shí)把握學(xué)生的體驗(yàn)與感悟，確保學(xué)生對(duì)產(chǎn)品的認(rèn)知與預(yù)設(shè)的項(xiàng)目任務(wù)一致。

分解與觀察環(huán)節(jié)是指通過對(duì)產(chǎn)品的解剖，滿足學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力，了解產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制。其基本要求包括以下三個(gè)方面：其一，教師應(yīng)結(jié)合學(xué)生能力基礎(chǔ)調(diào)節(jié)產(chǎn)品拆分的形式。例如，初學(xué)者可以遵循“小步子”原則逐步拆分和復(fù)原，而對(duì)于具備一定操作經(jīng)驗(yàn)和能力的學(xué)生則可以結(jié)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(dǎo)學(xué)生的操作并規(guī)范拆分行為，教師可以提供半結(jié)構(gòu)化的產(chǎn)品拆分表格，要求學(xué)生學(xué)會(huì)觀察和測(cè)量，做好拆分記錄（如拆分順序，涉及零部件或結(jié)構(gòu)的位置、距離、大小等信息），必要時(shí)可以允許學(xué)生拍照記錄。其三，分解的目的不是單純的解構(gòu)，還要學(xué)會(huì)觀察、了解產(chǎn)品的組成結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)原理。因此，教師需在拆分過程中給予適當(dāng)?shù)奶崾竞鸵龑?dǎo)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的求知欲，確保學(xué)生理解各零部件的作用和相互關(guān)系。

還原與測(cè)試環(huán)節(jié)是指通過對(duì)產(chǎn)品的正確復(fù)原，培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任心和動(dòng)手操作能力，檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制的熟悉程度。其基本要求包括以下四個(gè)方面：其一，教師應(yīng)結(jié)合學(xué)生能力基礎(chǔ)調(diào)節(jié)產(chǎn)品復(fù)原的形式，除了依照“小步子”的原則外，對(duì)于具備一定操作經(jīng)驗(yàn)和能力的學(xué)生還可以結(jié)合拆分記錄按序復(fù)原，或在不參考拆分記錄的前提下憑記憶復(fù)原。其二，為確保機(jī)器人產(chǎn)品的完整性和穩(wěn)定性，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行迭代測(cè)試，做好觀察與測(cè)試記錄（如產(chǎn)品是否成功運(yùn)行、安裝誤差分析、復(fù)原成功時(shí)間等）。其三，此環(huán)節(jié)的目的不是單純的還原，還要學(xué)會(huì)鞏固理解各零部件的作用和相互關(guān)系，因此，教師可以在學(xué)生復(fù)原操作的過程中以提問或評(píng)論的方式予以強(qiáng)化。其四，由于機(jī)器人產(chǎn)品的分解與還原不僅涉及硬件結(jié)構(gòu)，還涉及控制板中的程序，而預(yù)先上傳（燒錄）到機(jī)器人控制板的程序是沒有辦法直接進(jìn)行拆分的。如果學(xué)習(xí)目標(biāo)涉及相關(guān)程序的編寫，則需要鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合對(duì)機(jī)器人產(chǎn)品的理解倒推可能的程序代碼和算法，并通過反復(fù)測(cè)試，使產(chǎn)品能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

評(píng)價(jià)與總結(jié)環(huán)節(jié)是指通過對(duì)復(fù)原產(chǎn)品的評(píng)價(jià)，激發(fā)學(xué)生的成就動(dòng)機(jī)，反思在分解與復(fù)原過程中遇到的問題。其基本要求包括以下兩個(gè)方面：其一，評(píng)價(jià)的重心在于提示學(xué)生比較分解前和復(fù)原后的產(chǎn)品是否有性能上的變化，如果有變化，則要進(jìn)一步分析產(chǎn)生的原因，必要時(shí)可以借助原先產(chǎn)品的使用視頻進(jìn)行比較分析。其二，如果時(shí)間允許，應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生形成一個(gè)比較完整的產(chǎn)品分解與復(fù)原報(bào)告，藉此全面梳理操作流程、深入理解產(chǎn)品的構(gòu)成和工作機(jī)制，對(duì)涉及的關(guān)鍵知識(shí)和常見問題進(jìn)行梳理總結(jié)，并與同學(xué)分享學(xué)習(xí)心得。

解構(gòu)復(fù)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(fù)原”的方式讓學(xué)生掌握目標(biāo)產(chǎn)品的基本構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)方法，側(cè)重于基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能的學(xué)習(xí)，不涉及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，因此該模式可以應(yīng)用于機(jī)器人教育的教學(xué)初期，但并不適用于全部教學(xué)過程。

2.糾錯(cuò)復(fù)原型教學(xué)模式

糾錯(cuò)復(fù)原型教學(xué)模式是指學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，經(jīng)歷一個(gè)對(duì)故障機(jī)器人進(jìn)行問題分析和解決以恢復(fù)其功能的探究過程。其實(shí)施過程包含試用與感知、明確問題與原因分析、方案設(shè)計(jì)與測(cè)試、評(píng)價(jià)與總結(jié)等四個(gè)環(huán)節(jié)。

試用與感知環(huán)節(jié)除了參考解構(gòu)復(fù)原型教學(xué)模式中對(duì)應(yīng)的三點(diǎn)要求外，還有一點(diǎn)需要注意：機(jī)器人產(chǎn)品應(yīng)存在故障（根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，故障可以涉及機(jī)器人結(jié)構(gòu)、傳感、控制、動(dòng)力以及通訊等方面），產(chǎn)品故障可以是自然發(fā)生的，也可以是教師人為設(shè)計(jì)的，其故障難度應(yīng)與學(xué)生的能力相適應(yīng)，不宜過于容易或復(fù)雜。

明確問題與原因分析環(huán)節(jié)是指通過對(duì)故障產(chǎn)品的診斷和分析，培養(yǎng)學(xué)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(gè)方面：其一，教師應(yīng)結(jié)合學(xué)生能力基礎(chǔ)調(diào)節(jié)故障診斷的形式。例如，初學(xué)者可以按照“小步子”原則逐步拆分并找到問題根源，而針對(duì)具備一定糾錯(cuò)經(jīng)驗(yàn)和能力的學(xué)生則可以鼓勵(lì)其大膽預(yù)測(cè)故障的原因和位置，直接進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。其二，為及時(shí)把握學(xué)生的糾錯(cuò)進(jìn)展，教師可以提供半結(jié)構(gòu)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(chǎn)生原因、故障解決方法等）。其三，教學(xué)過程中允許學(xué)生不斷試錯(cuò)，且教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生勇于發(fā)現(xiàn)問題，就算是學(xué)生提出教學(xué)計(jì)劃之外的故障問題，也應(yīng)給予合理的反饋。

方案設(shè)計(jì)與測(cè)試環(huán)節(jié)是指通過對(duì)故障產(chǎn)品的正確修復(fù)，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力，增強(qiáng)其學(xué)習(xí)成就感。其基本要求包括以下三個(gè)方面：其一，學(xué)生需結(jié)合故障診斷與分析記錄表提出修復(fù)意見，若為機(jī)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(fù)草圖;若為機(jī)器人軟件方面問題，則需設(shè)計(jì)程序流程圖。其二，在測(cè)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(cuò)方案、誤差分析、修復(fù)成功時(shí)間等）。其三，如果學(xué)習(xí)目標(biāo)涉及對(duì)相關(guān)程序的糾錯(cuò)，教師則應(yīng)結(jié)合學(xué)生能力基礎(chǔ)調(diào)節(jié)程序糾錯(cuò)的形式。例如，初學(xué)者可以參考教師下發(fā)的源程序逐步分析和糾錯(cuò)，而具備一定糾錯(cuò)經(jīng)驗(yàn)和能力的學(xué)生則可以通過對(duì)機(jī)器人產(chǎn)品的理解來倒推程序代碼和算法，并通過反復(fù)測(cè)試使產(chǎn)品能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

評(píng)價(jià)與總結(jié)環(huán)節(jié)與解構(gòu)復(fù)原型教學(xué)模式中的高度一致，不再贅述。

國(guó)內(nèi)外有關(guān)糾錯(cuò)任務(wù)教學(xué)的研究主要針對(duì)物理教育和工程教育領(lǐng)域，機(jī)器人教育中的糾錯(cuò)復(fù)原型教學(xué)模式研究相對(duì)欠缺。筆者曾在一項(xiàng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究項(xiàng)目中以小學(xué)五年級(jí)機(jī)器人課程“探測(cè)巡線走”為例，嘗試了這一教學(xué)模式（康斯雅等，2019）。在該項(xiàng)目中，首先由教師講解巡線程序的編寫原理，之后發(fā)給學(xué)生存在故障的巡線程序。為找出其中存在的問題，學(xué)生需要對(duì)故障代碼進(jìn)行結(jié)構(gòu)拆分，并分析和記錄相關(guān)指令及功能，再結(jié)合巡線原理識(shí)別故障指令中存在的錯(cuò)誤，進(jìn)而根據(jù)故障診斷表對(duì)程序代碼進(jìn)行迭代修改和測(cè)試，最后再由教師講解正確代碼的結(jié)構(gòu)和功能，并對(duì)學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行總結(jié)。

糾錯(cuò)復(fù)原型教學(xué)模式將機(jī)器人理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問題的解決，為提高學(xué)生的問題解決能力提供了新的途徑。其以“糾錯(cuò)-復(fù)原”的方式讓學(xué)生掌握目標(biāo)作品的工作機(jī)制和實(shí)現(xiàn)方法，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能的前提下學(xué)會(huì)應(yīng)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(qiáng)化階段。

3.要素增減型教學(xué)模式

要素增減型教學(xué)模式是指學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，經(jīng)歷一個(gè)對(duì)機(jī)器人產(chǎn)品分解與“微創(chuàng)新”的探究過程，其實(shí)施過程包含試用與感知、分解與觀察、要素增減與測(cè)試、評(píng)價(jià)與總結(jié)等四個(gè)環(huán)節(jié)。

試用與感知、分解與觀察這兩個(gè)環(huán)節(jié)與解構(gòu)復(fù)原型教學(xué)模式中的高度一致，不再贅述。

要素增減與測(cè)試環(huán)節(jié)是指通過對(duì)產(chǎn)品基本要素的增加或減少實(shí)現(xiàn)“微創(chuàng)新”，改變產(chǎn)品的部分性能，以培養(yǎng)學(xué)生的求異思維。其基本要求包括以下三個(gè)方面：其一，要素增減需在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行，既可以結(jié)合實(shí)際需要做硬件方面的改造，也可以在程序設(shè)計(jì)方面找不足。其二，為方便指導(dǎo)學(xué)生的操作，教師可提供半結(jié)構(gòu)化的表格幫助學(xué)生設(shè)計(jì)要素增減方案。要素增減不是漫無(wú)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(xiàng)修改的原因或理由，并結(jié)合測(cè)試結(jié)果予以補(bǔ)充論證。其三，在動(dòng)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(píng)價(jià)與總結(jié)環(huán)節(jié)是指通過對(duì)重構(gòu)產(chǎn)品的評(píng)價(jià)，激發(fā)學(xué)生的成就動(dòng)機(jī)，反思在分解與重構(gòu)過程中遇到的問題。其基本要求包括以下兩個(gè)方面：其一，評(píng)價(jià)的重心在于提示學(xué)生分析重構(gòu)產(chǎn)品的功能與性能、技術(shù)與實(shí)現(xiàn)、創(chuàng)意與個(gè)性（李婷婷等，2017），如果以上幾方面與原先產(chǎn)品相比均沒有變化甚至導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，則要進(jìn)一步分析重構(gòu)失敗的原因。其二，學(xué)生可以通過產(chǎn)品展示的方式分享產(chǎn)品重構(gòu)意圖和實(shí)現(xiàn)過程，從優(yōu)點(diǎn)和不足兩個(gè)方面比較重構(gòu)前后產(chǎn)品的差異。

要素增減型教學(xué)模式以“分解-要素增減”的方式開拓學(xué)生思維，側(cè)重于促使學(xué)生掌握“雙基”和培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力，進(jìn)而超越機(jī)器人產(chǎn)品的原始設(shè)計(jì)，開展較為基礎(chǔ)的“微創(chuàng)新”，適用于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的初級(jí)階段。

4.結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型教學(xué)模式

結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型教學(xué)模式是指學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，經(jīng)歷一個(gè)對(duì)機(jī)器人產(chǎn)品分解與結(jié)構(gòu)再造的探究過程，其實(shí)施過程包含試用與感知、分解與觀察、結(jié)構(gòu)再造與測(cè)試、評(píng)價(jià)與總結(jié)等四個(gè)環(huán)節(jié)。

試用與感知、分解與觀察、評(píng)價(jià)與總結(jié)這三個(gè)環(huán)節(jié)與要素增減型教學(xué)模式中的高度一致，不再贅述。

結(jié)構(gòu)再造與測(cè)試環(huán)節(jié)是指從實(shí)際需求出發(fā)，分析已有產(chǎn)品的不足或發(fā)現(xiàn)其新的用途，并對(duì)機(jī)器人產(chǎn)品進(jìn)行“再設(shè)計(jì)”，改變產(chǎn)品要素之間的關(guān)系和結(jié)構(gòu)，從而改變產(chǎn)品的功能、性能或外形等特性，以培養(yǎng)學(xué)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(gè)方面：其一，教師要特別啟發(fā)學(xué)生思考哪些因素對(duì)產(chǎn)品性能或外形具有決定性影響，使學(xué)生明白抓住核心要素進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造是事半功倍的基本策略。其二，要形成一個(gè)比較完整的再設(shè)計(jì)方案，畫出草圖和流程圖，說明每一項(xiàng)修改的原因或理由，并結(jié)合測(cè)試結(jié)果加以論證，突出創(chuàng)新性。其三，結(jié)構(gòu)再造對(duì)學(xué)生的要求較高，教師應(yīng)在方案的可行性、合理性等方面提出建設(shè)性指導(dǎo)意見，鼓勵(lì)學(xué)生形成產(chǎn)品迭代意識(shí)，逐步完善產(chǎn)品。

目前，針對(duì)機(jī)器人教育中結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型教學(xué)模式的探索還較為欠缺，以下關(guān)于電動(dòng)牙刷改造的案例有助于對(duì)該種教學(xué)模式的理解。在該案例中，學(xué)生以小組為單位對(duì)如圖4所示的電動(dòng)牙刷進(jìn)行實(shí)物解構(gòu)。在了解各部分的組成形式與功能之后，學(xué)生通過頭腦風(fēng)暴和小組討論等形式對(duì)電動(dòng)牙刷的再設(shè)計(jì)提出想法并繪制草圖。此處的“再設(shè)計(jì)”與“要素增減”不同，更側(cè)重于完善產(chǎn)品的外形與功能，比如圖5所示的對(duì)電動(dòng)牙刷刷頭、手柄、組裝方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)等（Toh et al.，2012;2013）。由此可見，結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型教學(xué)模式的教學(xué)目標(biāo)不再局限于掌握工程知識(shí)，而更注重以產(chǎn)品的實(shí)際需求為導(dǎo)向解決真實(shí)問題。

毋庸置疑，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是一個(gè)非常重要的教育目標(biāo)，但當(dāng)前的機(jī)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(jié)構(gòu)創(chuàng)新型教學(xué)模式為學(xué)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(cè)重于以“分解-結(jié)構(gòu)再造”的方式促進(jìn)學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)應(yīng)用和創(chuàng)新實(shí)踐，更適用于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的中后階段。

五、總結(jié)

本文面向中小學(xué)機(jī)器人教育的實(shí)際需要，從不同教學(xué)目標(biāo)定位出發(fā)，構(gòu)建了四種逆向工程教學(xué)模式。解構(gòu)復(fù)原型教學(xué)模式注重培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，需要學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)從對(duì)機(jī)器人產(chǎn)品的分解到復(fù)原的探究過程，適用于機(jī)器人教育的教學(xué)初期。糾錯(cuò)復(fù)原型教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)學(xué)生在掌握“雙基”的前提下學(xué)會(huì)應(yīng)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(qiáng)化階段。要素增減型教學(xué)模式需要學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)從對(duì)機(jī)器人產(chǎn)品的分解到“微創(chuàng)新”的探究過程，注重學(xué)生對(duì)“雙基”的掌握及應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生超越機(jī)器人產(chǎn)品的原始設(shè)計(jì)，開展較為基礎(chǔ)的“微創(chuàng)新”，適用于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的初級(jí)階段。結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型教學(xué)模式需要學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)從對(duì)機(jī)器人產(chǎn)品的分解到結(jié)構(gòu)再造的探究過程，與前三種模式相比，其更側(cè)重于知識(shí)應(yīng)用與創(chuàng)新實(shí)踐，適用于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的中后階段。需強(qiáng)調(diào)的是，無(wú)論哪一種逆向工程教學(xué)模式，都需要從現(xiàn)成的產(chǎn)品出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生代入原產(chǎn)品設(shè)計(jì)者的身份意識(shí)，換位思考和揣摩原設(shè)計(jì)者的意圖，從而快速進(jìn)入產(chǎn)品復(fù)原、改造或糾錯(cuò)的狀態(tài)。從這個(gè)意義上說，上述四種教學(xué)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(qiáng)調(diào)要從一個(gè)或多個(gè)機(jī)器人產(chǎn)品出發(fā)開展基于逆向工程法的機(jī)器人教學(xué)，但正如前文所言，這種產(chǎn)品至少可以分為兩種類型，一種是市場(chǎng)上銷售的機(jī)器人產(chǎn)品，另一種是師生利用機(jī)器人套件自行設(shè)計(jì)和制作的作品。這種分類會(huì)導(dǎo)致不同的教學(xué)處理。例如，如果以購(gòu)買的機(jī)器人產(chǎn)品作為逆向工程教學(xué)的起點(diǎn)，則通常不適合讓學(xué)生直接對(duì)其進(jìn)行要素增減或結(jié)構(gòu)改造，否則容易因?yàn)閾p壞產(chǎn)品而導(dǎo)致高昂的教學(xué)成本。因此，如果采用此類產(chǎn)品作為學(xué)習(xí)對(duì)象，往往只能停留于分解與復(fù)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(xué)?，F(xiàn)有的機(jī)器人套件，嘗試自己動(dòng)手制作機(jī)器人作品以再現(xiàn)相似的產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)。即便如此，采購(gòu)成熟的機(jī)器人產(chǎn)品所需的投入依然較高，因而那些經(jīng)濟(jì)實(shí)用且非高端的智能玩具應(yīng)該作為首選。此外，還可能出現(xiàn)因購(gòu)買的機(jī)器人產(chǎn)品功能豐富而致使仿造無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)完成的情況，此時(shí)的逆向工程教學(xué)就需要分步進(jìn)行，以由易到難、由簡(jiǎn)到繁、由少到多、由復(fù)原到重構(gòu)的方式循序漸進(jìn)地展開。因此，針對(duì)一種產(chǎn)品的逆向工程教學(xué)就有可能是為期一個(gè)學(xué)期或一個(gè)學(xué)年的學(xué)習(xí)項(xiàng)目，這不僅有利于學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，也有利于減少經(jīng)費(fèi)投入。

如果采用的是由機(jī)器人套件制作的作品，則可以直接在其上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)或要素結(jié)構(gòu)的再設(shè)計(jì)。然而，如果采用教師自行制作的作品作為逆向工程教學(xué)的起點(diǎn)，在面對(duì)大班教學(xué)和多個(gè)班級(jí)輪流上課時(shí)，教師將難以應(yīng)付大工作量的作品準(zhǔn)備。此時(shí)，將前一個(gè)班級(jí)學(xué)習(xí)結(jié)束后的作品作為下一個(gè)班級(jí)逆向工程教學(xué)的起點(diǎn)則是一種更為合理的選擇。

對(duì)于一線教師而言，還需要注意四種教學(xué)模式的選用策略問題。正如前文提到的，四種教學(xué)模式體現(xiàn)的是一種循序漸進(jìn)地提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的思想，因此，依據(jù)學(xué)生所處的學(xué)習(xí)階段和學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)循序漸進(jìn)、由簡(jiǎn)到繁的項(xiàng)目主題，并從四種教學(xué)模式中選擇相適應(yīng)的模式開展教學(xué)是一種基本策略。此外，還有另一種“打散重組”的策略，即針對(duì)同一個(gè)項(xiàng)目主題，先后采用不同的教學(xué)模式，并不斷擴(kuò)展項(xiàng)目任務(wù)，提升作品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新程度和復(fù)雜程度。例如，可以從產(chǎn)品的解構(gòu)復(fù)原開始，進(jìn)而圍繞該產(chǎn)品進(jìn)行要素增減或結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。無(wú)論采用何種教學(xué)模式，都需切記逆向工程本身是一個(gè)復(fù)雜的過程，在教學(xué)應(yīng)用時(shí)并不一定能做到明確的環(huán)節(jié)劃分，因而需要根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整和組合。

需要特別說明的是，本文面向中小學(xué)機(jī)器人教育所構(gòu)建的逆向工程教學(xué)模式，并非是對(duì)工業(yè)領(lǐng)域逆向工程方法的簡(jiǎn)單照搬。作為一種成熟的工程設(shè)計(jì)與生產(chǎn)方法，逆向工程有著非常高的技術(shù)要求。例如，工業(yè)領(lǐng)域往往會(huì)借助CAD軟件來做再設(shè)計(jì)，利用虛擬仿真系統(tǒng)來做仿真測(cè)試，并利用精密儀器來做測(cè)量等等。但在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，無(wú)論是學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)還是學(xué)校的教學(xué)條件，均無(wú)法與之看齊。因此，逆向工程方法在中小學(xué)教育中的應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)側(cè)重于借鑒其基本思想和方法，并采用一些相對(duì)低端的技術(shù)工具和手段（如3D打印、激光切割等）進(jìn)行要素或結(jié)構(gòu)的改造。在作品的精度、穩(wěn)定性等質(zhì)量指標(biāo)上的要求也相對(duì)較低，甚至可以稱得上粗糙，這都是正常的現(xiàn)象，在實(shí)踐中切忌過分拔高對(duì)作品質(zhì)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