運用虛擬機器人于初中程序設計教學模塊的實證研究

[摘要]該研究以準實驗研究方法為主，結合初中信息技術教育中對程序設計模塊的教學要求，對如何運用虛擬機器人實施程序設計教學進行了設計和實踐；最后，運用問卷、訪談等方式對實施效果進行了調查。研究結果表明在信息技術課程中利用虛擬機器人教學能起到一舉兩得的作用，使學生不僅學習了程序設計的基本知識也學習了機器人相關的知識，同時利用虛擬機器人于程序設計教學在一定程度上提高了學生學習程序設計的興趣和動力。

[關鍵詞]程序設計；機器人教育；機器人；虛擬機器人；準實驗研究

[中圖分類號]G420 [文獻標識碼]B [論文編號]1009-8097(2010)12-0137-04

一 引言

隨著機器人教育受到社會越來越多的關注及其教育價值的逐漸彰顯，國內外眾多專家學者呼吁在課堂教學中以機器人課程的形式或與其他課程整合的方式開展機器人教育。盡管當前的機器人競賽開展得如火如荼，但機器人課程卻仍游離于日常課堂教學之外，通過綜合分析各方因素，發現目前我國的機器人教育總體來說還處于起步階段。那么，如何在當前的條件、資源、教育環境下，使機器人教育走進中小學教育?最大程度的體現其潛在的教育價值?尋求一種新的機器人教育載體，系統地研究如何將這一載體更好的應用于中小學機器人教育中將具有重要的現實意義和理論價值。

二 相關研究

近年來，國內外計算機教育領域的專家提出在計算機程序設計初級階段課程中應用機器人作為教學輔助工具，尤其是在講授程序設計基本概念階段。一些研究結論得出基于機器入的項目有利于促進和提高學生ACM((Association for Computing Machinery)課程相關知識的學習。利用機器人開展教學利于解決程序設計初學者入門學習時遇到的常見問題，如邏輯推理和代碼編寫方面的不足。同時，學習者表示對利用機器人開展學習非常感興趣，覺得該類教學活動生動有趣。國外有關應用機器人于程序設計教學的實證性研究不多，大部分有關機器人在教育中使用的文獻都是描述性的資料。因此，這類研究結果的可信度不高。然而運用實證研究的數據來評估機器人對學生學習影響的更少，以浙江大學圖書館為檢索源，共搜索到了3篇采用嚴格的量化研究方法的文獻。國內有關虛擬機器人與程序設計教學相關的研究亦不多。其中一些研究都先后提及了結合機器人與程序設計的教學思想。還有部分研究者根據自身教學實踐經驗，闡述了如何在信息技術課程中結合虛擬機器人開展程序設計教學的具體案例或實施建議。但上述研究都是一些理論探討或定性研究，沒有開展實證或基于教育調查的準實驗研究。

雖然相關文獻皆認為機器人或機器人模擬軟件有助于程序設計教學，但并未能提供機器人具有輔助程序設計教學成效的實證性資料。可見，機器人教育的研究者應該加大類似的研究，以便驗證機器人教育的實際效果，提供有效的實證依據，加速機器入教育的推廣。

三 研究方法

(一)研究樣本的選擇

本研究在2009年3月至6月在溫州第十四中學進行，研究對象是來自溫州第十四中學初三年級4個班級的同學，共計180名。鑒于初三學生已具備一定的邏輯思維和發散思維能力，能夠獨立完成一些較高要求的學習任務，而且他們也樂于接受新鮮事物，喜歡面對有挑戰性的任務。同時，經過小學和初中兩年的信息技術課程學習，已具備一定的信息素養，具備基本的信息搜索、處理和交流能力。

(二)軟件及硬件環境

本研究是在溫州十四中學的計算機機房開展準實驗教學的，硬件設施主要為計算機和網絡，所采用的虛擬機器人軟件則為上海未來伙伴機器人有限公司開發的一款商業虛擬機器人仿真系統VJC1.5仿真版。在該軟件環境中，用戶可利用光源、聲源、障礙物和彩色圖來創建各種環境，如房間、迷宮、排雷場地等，同時該軟件還提供了包括國際機器人滅火比賽標準場地在內的16個現成的機器人競技場仿真環境。對于程序的編寫，用尸可用流程圖編寫機器人程序，系統自動生成JC(機器人C語言)代碼，便于讀者觀察、解釋或修改程序。該仿真系統能滿足一個50人的班級同時進行機器人教學與實施機器人項目，保證每個學生都能展示自己的創意并進行項目體驗。

(三)實施過程

根據新課標初中階段信息技術課程對學生程序設計方面的教學要求，結合實驗學校的教學實際，本研究采用VJC1.5仿真版虛擬機器人作為教學實驗工具，開展準實驗研究。教學實驗的開展以專題制作為主，安排在初三年級四個班級第一學期的信息技術課程教學當中。本次教學實驗內容以五個主題活動為牽引，在整個教學活動中根據主題活動難易程度的不同，采用或分組或獨立等方式讓學生完成作業練習。教學中穿插一些教學游戲和若干次競賽活動以提高學生學習的主動性和積極性。教師在各個教學單元的教學過程中，依次加入程序設計相關概念、語法和機器人各部件功能模塊的操作實踐，使學生循序漸進的學習程序設計和機器人知識，并由各單元的實踐練習宋檢驗所學知識點；同時，確認學生在掌握相關知識的基礎上，進一步拓展應用，以便起到迅速提升學生知識應用能力和問題解決能力的培養；最后，運用問卷、訪談等方式對課程實施效果進行調查總結分析。

四 研究結果及分析

本實驗是在所有教學計劃完成后開展相應的調查以檢測教學效果，在該教學實施過程中實施的調查包括以下幾部分：①學生程序設計態度的前、后測問卷調查——旨在了解教學實驗對學生程序設計態度的影響情況；②學生對教學情況的網絡問卷調查——旨在收集學生對教學活動的意見和建議；③教師的個別訪談——旨在了解教師對采用虛擬機器人教學的評價和建議。

(一)學生調查結果分析

問卷調查采用文本問卷加網絡問卷的形式，分兩個階段實施：第一階段在開展實驗教學之前，問卷內容在于了解初中生對程序設計的認識和對機器人程序設計的態度：第二階段在實驗教學完成之后，在完成程序設計態度問卷的后測后，再實施學生對VJC仿真版虛擬機器人教學使用情況的調查。

1 教學實驗對學生程序設計態度影響的統計與分析

本研究自編學習態度問卷，問卷分為三個維度：分別是重視度(題3、4、5)、學習自信(題6、7、s)和學習興趣(題9、10、11、12)。問卷采用里克特5點計分，1表示非常不同意，2表示不同意，3表示一般，4表示同意，5表示非常同意。問卷中除第3和第4題為負向提問之外，其余題目為正向提問。項目信度系數檢測所得的克隆巴赫a系數為0.686，因為項目量少，該結果在一定程度上還是可以接受的，調查樣本共計180名，通過刪除無效問卷，根據前后測匹配原則，最后得到有效問卷155份，其中有78名男生，占503％，77名女生，占49.7％。其中學過程序設計的有25個，占16.1％，未學過的有130個，占83.9％，可見先前就擁有程序設計知識的學生還是比較少的。在處理統計數據時，將第3、第4兩個反向題重新計分后，采用配對樣本t檢驗比較了前、后測在三個維度上的差異(見表1)：

結果分析發現后測的學習態度不論是從對程序設計的重視度、學習自信還是學習興趣上均比前測高，且差異都達到了統計上的顯著水平，表明該程序設計教學在提高學習態度方面非常有效。

2 學生對虛擬機器人教學使用情況調查的統計與分析

調查以網絡調查問卷的形式在完成教學實驗之后實施，問卷的設計是參照臺灣國立師范大學曾義智所用調查量表基礎上修改所得。參與調查的學生有180名，有效問卷177份，其中89名男生，約占總人數50.3％；88名女生，約占總人數的49.7％，男女生比例基本協調。統計結果時，依學生選填的非常同意、同意、一般、不同意、非常不同意，分別給予5、4、3、2、1分，表中的平均值即為學生該題的平均得分(保留兩位小數)。以下為問卷填寫情況統計和分析。

(1)學生對VJC虛擬機器人操作環境的看法

從表2可知，學生對VJC仿真虛擬機器入操作環境的滿意度還是較高的(3個選項的平均值都在3.6以上)，持負面態度(非常不同意和不同意)的學生比率在6％以下。因此，VJC仿真虛擬機器人的編輯環境還是比較適合初中生使用的。(2)學生對程序設計方面學習的看法

表3是學生對有關程序設計方面學習的看法。第4、5、6題的數據表明(平均值超過3.6)，大部分的學生通過vJc編程環境的操作能很好的理解程序設計的三種基本結構，并能掌握程序設計流程圖的制作；同時，第7、8題(平均值分別為3.94和3.83)表明，虛擬仿真機器人程序執行的直觀形象有利于學生程序的設計。這驗證了虛擬機器人的編程方式及直觀形象性有利于學生程序設計基本知識的學習和掌握，

(3)學生的學習興趣

表4中問卷的9－14題是調查學生的學習興趣。統計結果顯示，學生多認為在課程中獲得了成就感(第9，平均值4，03)。至于在學習動機上，由于本次教學活動自由開放，充滿新鮮感且好玩，學生繼續學習的意愿較強(第10、11、13題，平均值分別為3.81、3.73、3.73)，都表示希望以后在課程中繼續學習程序設計相關知識(第12題，平均值3.71)。可見，本次教學實驗在一定程序上培養了學生學習程序設計的成就感，并提高了程序設計的學習興趣(第14題，平均值3.79)。

(二)教師訪談結果及分析

筆者對開展虛擬機器人教學的若干學校教師進行了訪談，訪談內容和結果分別如下：

1訪談內容

①您如何看待虛擬機器入輔助學生開展程序設計教學?

②您在實際教學過程中遇到的主要問題有哪些?

③根據教學經驗，請說說利用虛擬機器人輔助程序設計教學的意見或建議?

2 訪談結果

筆者通過對帶隊參加第七屆(2008年)浙江省青少年電腦機器人競賽——虛擬機器人軌跡滅火賽事的11名帶隊指導教師以及杭州十四中、杭附中、寧波洪塘中學、仁和中學、溫州十四中、十七中等若干開展虛擬機器人教學學校的9位任課教師(共計20名教師)進行了虛擬機器人在初中程序設計教學模塊中應用的訪談，結論如下：在信息技術課程中利用虛擬機器人來開展程序設計教學，得到了大部分老師的認可。虛擬機器人的引入降低了程序設計學習的難度，使得程序設計知識淺顯易懂，易于掌握。它不僅提高了學生學習程序設計的積極性，也激發了學生的學習興趣。但部分教師認為當前的虛擬機器人還不夠完善，在日常教學中常出錯，不利于課程的順利開展，設計上也有一定的局限性，不利于發散思維的發展和學生創新設計能力的進一步提高，希望公司和設計者能夠將其進一步完善，以便能更好的投入教學使用，取得更好的教學效果。

五 結論與建議

從整個教學實驗過程及最后的評價可以得出：在信息技術課程中，利用虛擬機器人仿真軟件進行程序設計教學或機器人教育是可行的。它能夠突出程序設計在活動中的中心位置，使“算法”變得形象直觀，提高學生對程序設計學習的投入度，有利于提高學生整體規劃能力、解決問題的能力、連續運用推理的能力、合作溝通能力；同時，它能起到降低程序設計學習難度，循序漸進，促進學生對程序設計的興趣，也有利于學生理解程序結構，方便教師教學。但是，當前的虛擬機器人仿真軟件在功能上還存在著一定的不足，需要不斷改進和完善，以最大程度地解決實體機器人缺少帶來的限制，如機器人提供零部件設計接口，提供環境設計的外部接口等。為了能夠廣泛推廣，該產品在價格上和對計算機的硬件配置要求上也需做進一步的改進；此外，如需大規模的開展機器人教學活動，單靠仿真軟件難以達到最理想的效果，機器人的軟件和硬件都是主要的，所以筆者建議可以考慮采用購買少數設備，配置仿真軟件，即“虛實結合”的方式開展教學，輔以相應的實體或虛擬競賽。

編輯 小禾