3D仿真虛擬機器人專題學習網站的開發與實踐

黃永樂

隨著現代計算機技術的進步以及我國教育信息化的發展，機器人教育正被人們所關注，在學校中開展機器人教育有助于培養學生的創新能力。目前，由國家到地方各級教育部門組織的各類機器人比賽，使對機器人的學習和研究更加火熱，一些地方和學校開始將機器人知識引入課堂，但由于實體機器人價格高昂，每個少則幾千元多則數萬元，而且每年還必須投入部件損耗、硬件升級等后續維護費用，不是所有學校都能承擔得起的，導致機器人教育難以普及。

自廣州市所有中小學校免費使用易時代3D仿真虛擬機器人軟件后，機器人教育呈現良性發展態勢，偏遠農村的中小學尤其受惠。3D仿真虛擬機器人軟件并不像實體機器人那樣需要投入大量資金，可以大大縮小城鄉機器人教育投入之間的差距。廣州市教育局每年主辦中小學機器人競賽活動，其中3D仿真虛擬機器人比賽主題每年不同，比賽軟件也會根據主題發生變化，從目前一線實踐情況來看，還缺乏支持教師開展虛擬機器人教育的較系統的教材或資源，針對這些狀況，筆者開發了3D仿真虛擬機器人專題學習網站供師生培訓和學習使用。

一、3D仿真虛擬機器人專題學習網站設計意圖

3D仿真虛擬機器人軟件不需要像實體機器人那樣需另外購置其他零配件，它是免費提供給所有中小學，既可節省教學成本，又能讓更多學生認識和了解機器人的教學實驗平臺，后續軟件使用培訓是關鍵，也是推廣普及機器人教育的重要途徑。筆者所開發的3D仿真虛擬機器人專題學習網站主要圍繞3D仿真虛擬機器人軟件，從多角度入手，進行多方面知識的有機整合，形成專題知識庫。學生可以自主探究，深入研究機器人知識，同時也能鍛煉自己的邏輯思維和編程能力，大大減輕教師培訓的時間。網站開發的目的是，通過主題探究網站的建立起到拋磚引玉的先行作用，進一步促進機器人教育的普及和推廣，同時讓學生在參與機器人比賽的過程中學會用信息化的手段提高個人能力。

二、3D仿真虛擬機器人專題學習網站系統結構

目前，筆者已初步建成“3D仿真虛擬機器人專題學習網站”，確立了專題學習網站的學習資源及結構模塊等，網站結構如圖1所示。

圖1 3D仿真虛擬機器人專題學習網站結構圖

專題學習網站主要分為七大板塊，部分板塊下還有分支板塊，分別如下：(1)“首頁”是以主題畫形式呈現的封面設計，以“智能校車”四個大字突出主角機器人智能校車。(2)“比賽簡介”介紹了歷屆舉辦的不同主題的比賽及其規則。(3)“軟件操作介紹”部分主要以基礎知識為主，著重介紹了軟件的構成以及各種傳感器的作用等。(4)“機器人巡線”“機器人繞障”主要介紹了機器人如何利用傳感器巡線和繞障。(5)“機器人接人”是針對2012年3D仿真虛擬機器人主題智能校車接送學生設計的，主要從任務分析、編程視頻等進行分析。(6)“綜合策略”主要是讓學生在學習完各個機器人基礎知識后思考如何將各部分組合成一個完整的智能繞障接人程序。

上述各部分均是基礎性知識，例如各傳感器的使用，每屆機器人比賽時變化不大。變化最大的是機器人接人和綜合策略部分，因為虛擬機器人比賽每年的主題不同，如2009年的主題是機器人滅火，2010年的主題是傳遞火炬，2012年的主題是智能校車接送學生，綜合策略部分要根據不同的主題有所調整。

三、3D仿真虛擬機器人專題學習網站特點

1.界面設計精美，構圖布局清晰合理

界面設計在專題學習網站的開發中是非常重要的，3D仿真虛擬機器人專題學習網站在設計時首先突出“智能校車”四個藝術字，旁邊是一輛智能校車機器人，精美的界面第一時間吸引學生的眼球，激發學生的學習興趣；同時在視覺注意度較高的位置放置導航信息，清晰的導航，合理的布局，使學生對學習內容一目了然。在色彩搭配上，主要以學生喜歡的草綠色和淺藍色為基調并貫穿始終，整個網站的導航按鈕運用了一系列綠色和藍色，充分表現出網站的簡約清晰和嚴謹合理，使畫面與主題相得益彰。圖2為3D仿真虛擬機器人專題學習網站中的一個頁面。

圖2 3D仿真虛擬機器人專題學習網站中的一個頁面

2.集知識性、趣味性于一體

網站在設計時充分考慮學生的年齡特點，盡量多用圖片、視頻吸引學生的注意，一些基礎性的知識，例如傳感器的認識，主要采用了圖文并茂的設計方式讓學生自己去了解，對于一些難以理解的知識，如程序設計，可以通過觀看網站上的視頻仿真初步認識程序設計效果，對于機器人軟件如何使用，網站上也通過生動有趣的視頻講解分類、分章節地讓學生去觀察學習。

3.資源豐富，方便學生自主探究學習

3D仿真虛擬機器人比賽旨在讓學生在參與比賽過程中學會自己設計研究，學會用信息化的手段提高個人的能力。因此，網站在設計之初就考慮到要提供豐富的學習資源給學生探究學習，所有的內容都以學生為主線展開。例如，網站建立了規范的樹型結構，欄目包括比賽簡介、軟件操作介紹等，這一系列的設計集中反映了學生探究活動的全過程，部分學生可以自主探究學習，遇到難以理解的問題時可以通過網站上的視頻講解進行突破。

四、3D仿真虛擬機器人專題學習網站的初步應用

廣州市的3D仿真虛擬機器人比賽賽前培訓是一年一次，從培訓到比賽之間的時間間隔非常短，因此，在有限的時間內如果學生能通過自主探究弄懂虛擬機器人基礎知識，教師就可以花更多的時間輔導學生制定策略、解決疑難，究竟有什么辦法可以實現這些目標呢？經過嘗試，筆者發現建設3D仿真虛擬機器人專題學習網站輔導學生學習可以初步幫助我們解決以上難題。具體實施流程如下：

1.圍繞活動，創設情境

充分利用3D虛擬機器人專題學習網站展示歷屆虛擬機器人比賽主題，利用有特色的圖片、視頻等使學生明確學習任務，并在形象、生動的情境中培養興趣。

2.分解過程，細化任務

一個完整的機器人程序包含若干知識點，以智能校車主題為例，需要完成機器人巡線、繞障、接人等若干任務，學生初始接觸時會感覺程序比較復雜，產生畏難情緒。通過專題學習網站，將編程過程分解，細化任務，再根據學生的個體差異引導他們學習，能有效增強學生的學習信心。

3.啟發引導，分析任務

教師按照分解后的任務引導學生進行分析，提出指導性意見，引導學生自主探究，學生通過專題學習網站提供的學習資源，根據自身學習水平選擇學習內容，分析任務，完成學習目標。

4.知識歸納，咨詢輔導

學生通過瀏覽專題學習網站提供的學習資源和視頻，結合教師的分析歸納，進一步掌握整個編程過程，教師也要及時了解學生的學習進程，從中指導，為學生提供幫助，解決學生在學習過程中遇到的問題。

五、3D仿真虛擬機器人專題學習網站實踐成效及反思

通過筆者建設的3D仿真虛擬機器人專題學習網站，學生可以根據各自的興趣愛好、閱讀方式，選擇不同主題的機器人知識進行獨立自主的學習研究，對教師的依賴性降低了，主動學習的意識也有所增強。專題學習網站的出現使學生的信息搜集變得方便、高效，網上交流學習變得簡單快捷，網站的出現改變了學生的學習方式和方法，從教師的知識傳授向學生的自主、創造性學習轉變，從而提高了學生提取信息、處理實際問題的能力，提升了學生的綜合學習能力和水平，鍛煉了學生的邏輯思維和編程能力。為了更好地了解利用專題學習網站學習的效果，筆者利用自己編寫的學習效果調查表對本次參賽的學生進行了調查(見表1)。

表1 學習效果調查表

調查結果如圖3～5圖所示。

圖3

圖4

圖5

圖3是針對學生使用專題學習網站學習前和學習后的學習情況設計的，30%的學生在使用專題學習網站前遇到問題找同學或教師請教，40%的學生直接放棄；50%的學生在使用完專題學習網站后認為采用此種方式學習以后遇到問題自己也可以獨立解決。圖4和圖5是針對使用專題學習網站的學習效果設計的，80%的學生認為使用專題學習網站的學習效果很好，非常適合他們，其中80%的學生非常喜歡運用專題學習網站學習，他們覺得這種學習方式新穎特別，每個人可以根據自己的學習水平選擇適合自己的內容進行學習，遇到不懂的知識自己也可以查閱網站內容解決。

雖然本專題學習網站開放性強，資源豐富，學生操作方便，但由于筆者自身的理論水平及實踐經驗尚淺，網站還有許多地方需要在實踐中不斷完善和改進，學生的學習方法也需要教師作適當的引導，基于專題學習網站的學習模式也需要進一步研究。筆者相信，利用專題學習網站進行虛擬機器人學習培訓，對于機器人教育的推廣是非常有幫助的，同時也希望廣大熱愛機器人的愛好者能投入到研究中來，為機器人教育的推廣出一份力。

[1] 張嘉志,王同聚.讓機器人走近學生—3D仿真虛擬機器人:普及機器人教育的新途徑[J].中小學信息技術教育,2010(6):95-96.

[2] 劉良德.《太陽能》專題學習網站的建設和應用初探[EB/OL].http://www.docin.com/p-406497491.html.