3D仿真虛擬機器人課堂教學策略研究

簡子洋

隨著機器人教育價值的逐步提升，國內外許多專家學者呼吁，除開展競賽外，還應該在課堂教學中以課程形式開展機器人教育。但是由于實體機器人價格昂貴，不利于機器人教育的普及，因此近年來各地開始出現虛擬機器人軟件。隨著技術進步，高度仿真的3D仿真虛擬機器人軟件也開始出現。

使用3D仿真虛擬機器人軟件開展教學，能夠避免實體機器人的硬件故障等問題，可以使學生更清楚地感受機器人是怎樣在程序的控制下活動的，能夠突出程序設計在教學中的中心地位，更有利于學生理解和體會“程序是機器人的靈魂”的思想。通過圖形化的編程界面可以讓學生直觀地了解結構化的程序設計方法，使“算法”和“程序”變得直觀而形象，從而提高學習計算機程序設計的興趣，同時降低學習難度。在為機器人編寫和調試程序完成教學任務的過程中，學生在動手實踐、創新思維、科學探究和解決問題等方面的能力將得到大幅度提升。

筆者參與了2012年廣州市舉行的3D仿真虛擬機器人“智能校車”競賽項目，開發了相應的校本課程，采用班級授課的形式開展該項目教學培訓，以任務驅動和項目導向為主要教學方法。在實踐中發現，3D仿真虛擬機器人的教學由于涉及仿真虛擬現實，不僅算法和程序結構的內容和以往的純編程教學有所不同，而且在教學策略的選取上也有獨特之處，需要教師仔細斟酌取舍。筆者以2012年廣州市“智能校車”項目為例對開展3D仿真虛擬機器人課堂教學的基本策略進行闡述。

一、任務設計，先分后合

3D仿真虛擬機器人與單純的程序教學相比，任務具有更強的綜合性，涉及的知識點比較多，需要充分考慮學生的認知規律、知識經驗，注意分析教學目標，采取整體規劃、分步組合及循序漸進的策略。在廣州市“智能校車”項目中，校車的初步運動要求巡線轉彎，過程是校車沿著導航線移動，在移動過程中如果走偏能夠自動校正方向，遇到路口時能夠轉彎。由于涉及仿真虛擬現實，該程序不僅結構上涉及循環結構和選擇結構，還涉及傳感器的使用和模型對應變量參數的設置等，在教學中不可能一蹴而就，要求學生一次性完整地理解和學習程序編寫。面對這類綜合性任務，需要將整體任務分解成一個個分任務，在完成各個分任務的同時加深理解，最后進行綜合程序的組合，完成整體學習目標。

在巡線轉彎的教學中，筆者的任務設計按以下方式進行。任務一：移動控制。在學生學會操作軟件、組裝模型后，可以馬上學習控制校車移動。從中學習程序的編寫方法、動作模塊和變量的設置等知識，通過修改速度和時間的變量參數從演示效果中理解程序和變量與控制校車的關系。任務二：轉彎控制。該任務要求在校車移動一段距離后，轉一個90度的彎，前進一段路程后，重復轉彎，直到回到原位置。從中學習轉向模塊、延時模塊和循環結構的知識，通過修改轉向和延時的變量參數，獲得轉彎的準確控制。任務三：簡單巡線。該任務要求校車沿著導航線移動，在移動過程中如果走偏，能夠自動校正方向。從中學習分支結構、傳感器的使用等知識，通過修改分支情況，理解分支結構與校車運行的直接關系。任務四：巡線轉彎。該任務要求校車在巡線過程中如果檢測到十字路口則執行轉彎程序，轉一個90度的彎。從中學習多種任務在程序結構中的組合和分析，提高結構化思維能力。

二、問題生成，以生為本

程序教學經常生成一些問題供學生探究，但是如果問題能從學生中生成才會更具有探究的現實意義，更能激發學生探究的熱情和求知欲望。由于3D仿真虛擬機器人軟件引入了物理引擎的設計，轉彎時的速度、角度對軌跡的影響都與現實中的行車軌跡相同。在學生練習巡線轉彎的過程中，轉彎的軌跡出現了如圖1所示的3種典型情況。

圖1 轉彎的3種軌跡

在軌跡①和軌跡③中，校車已無法回到導航線上巡線，甚至會撞向障礙物，而做出軌跡②的學生也不明所以然。面對學生在課堂中生成的問題，如果教師不予理會，輕則影響學生完成任務，妨礙對程序的正確理解，重則嚴重挫傷學習積極性，所以教師需要抓住問題生成的機遇，及時引導學生進行探究，解決他們的困惑。

筆者收集了出現這3種典型軌跡的學生設計的程序，提出了程序研究的方法和目標，交由學生自己研究，引發了學生極大的熱情。經過學生的討論和測試，最后得出結論：轉彎時的角度和實際速度對軌跡有重要影響，在轉固定角度時，校車的實際速度產生決定性影響。軌跡①是由于前一個路口減速時間太長，導致下一個路口實際速度不足，軌跡③是由于前一個路口時直行，導致下一個路口實際速度過快。解決辦法，一是調整前一個路口的速度，二是對轉彎后的程序多加一個轉向模塊。

三、情境創設，生動有趣

學生確實對3D仿真機器人充滿好奇心，對學習抱有很高的熱情。但是，如果在教學中不考慮教學情境，只考慮知識任務，對學生的學習興趣將是一個極大的傷害。筆者在教學3D仿真機器人避障內容時，在仿真地圖導航線中間添加了一個障礙物，然后運行學生編寫的巡線程序，當校車運行到障礙物時，直接撞了過去，當屏幕顯示“撞了，扣20分！”時，引發了哄堂大笑。筆者順勢拋出問題：遇到障礙物時該怎么辦？

由于學生對剛才的情境充滿興趣，所以研究熱情非常高，通過筆者提供的學案，短短幾分鐘就學會了超聲波感應器的使用方法，掌握了避障策略，進入了優化程序階段。在小結時，除了掌握的避障策略和實現方法，學生還提出遇到障礙物提前繞開的思想，贏得了其他同學的熱烈掌聲。

四、過程評價，及時鼓勵

在3D仿真虛擬機器人教學中，大部分任務都具有很強的目標導向性，學生完成任務的情況，只看運行結果就能一目了然，以致學習評價通常采用終結性評價。學生之間存在差異，不是所有學生在規定時間內都能完成指定的任務，而終結性評價容易降低基礎較差學生的學習積極性，也影響了任務情境所激發出來的學習熱情的持續效果。因此，在3D仿真虛擬機器人的教學中，學習評價要在完成任務的過程中及時進行，不能等學生完成所有任務后才進行評價。

筆者在教學路線選擇策略時，在學案中提供了常規的“人字形”倒車法范例。但是在學生的實際練習中，卻意外地出現了“7字形”和“直線型”倒車法(如圖2所示)。

圖2 3種倒車軌跡

筆者發現了新方法后，立刻對這幾名學生進行了肯定和表揚，并請他們演示和講解實現方法，使他們贏得了同學的贊嘆。這幾名學生在以后的學習中，更加自信也更加努力地研究程序，回到家后不用監督也能自覺地練習，因此在學生中很快脫穎而出，最后代表學校參加白云區和廣州市的競賽，均獲得了名次。可見，在教學中注重過程性評價，及時鼓勵創新，肯定學生的學習成果，會對學生帶來極大的鼓舞，增強學習效果。

3D仿真虛擬機器人教學，不同于純程序教學和應用軟件教學，既具有明顯的程序特征又有典型的應用特點。教師要根據教學目標確定有效的教學策略，還需要更多地研究3D仿真虛擬機器人的教學內容，深入研究學生的身心發展特點，因材施教，努力做到讓所有學生都能學得快樂、學有所得，讓學生通過3D仿真虛擬機器人的學習，能夠在創新思維、動手實踐和解決問題的能力上得到真正的發展與提升，為今后的學習、工作、生活打下良好的基礎。

[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] 董健.虛擬機器人軟件在中小學機器人教育中的應用研究[J].中國信息技術教育,2011(13):114-115.

[3] 范利華.借助機器人教學平臺培養小學生編程能力[J].浙江教育技術,2011(5).

[4] 熊國全.仿真機器人課堂教學的實踐與探索[J].中國信息技術教育,2008(10):39-40.