基于虛擬機(jī)器人平臺(tái)的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì) ——以“未來(lái)基建”項(xiàng)目為例

閔芳芳

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《課程標(biāo)準(zhǔn)》）倡導(dǎo)創(chuàng)新教學(xué)方式，以真實(shí)問(wèn)題或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷原理運(yùn)用過(guò)程、計(jì)算思維過(guò)程和數(shù)字化工具應(yīng)用過(guò)程，建構(gòu)知識(shí)，提升問(wèn)題解決能力，尤其強(qiáng)調(diào)要?jiǎng)?chuàng)設(shè)真實(shí)情境，引入多元化數(shù)字資源，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度。機(jī)器人項(xiàng)目化學(xué)習(xí)常被用來(lái)作為學(xué)生思維與能力提升的途徑之一，但選擇機(jī)器人教學(xué)或參加機(jī)器人賽項(xiàng)常需學(xué)校購(gòu)買(mǎi)昂貴的器材，加上新冠疫情持續(xù)三年以來(lái)導(dǎo)致了多項(xiàng)國(guó)家、省市級(jí)線(xiàn)下機(jī)器人賽事延期或停辦，在這樣的雙重背景下，市面上涌現(xiàn)出了多種基于仿真技術(shù)的虛擬機(jī)器人平臺(tái)，它們不受時(shí)空限制，且能使學(xué)校低成本接入，給學(xué)生提供機(jī)器人學(xué)習(xí)和風(fēng)采展示的機(jī)會(huì)，在創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境、提供多元數(shù)字資源以及激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣方面均頗具優(yōu)勢(shì)，解決了機(jī)器人教育普及、推廣難的問(wèn)題。下面，筆者就以“未來(lái)基建”項(xiàng)目為例展示基于虛擬機(jī)器人平臺(tái)的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)過(guò)程。

● 虛擬機(jī)器人平臺(tái)與項(xiàng)目化學(xué)習(xí)

1.虛擬機(jī)器人平臺(tái)

為STEM教育開(kāi)發(fā)的虛擬機(jī)器人教育軟件，不僅支持在線(xiàn)交互協(xié)作，有利于學(xué)生創(chuàng)客思維開(kāi)發(fā)、促進(jìn)學(xué)生邏輯思維發(fā)展，更有排行等趣味競(jìng)賽功能，可以全面激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高他們學(xué)習(xí)的積極性。學(xué)生在軟件平臺(tái)上能夠自由進(jìn)行機(jī)器人三維模型搭建并隨時(shí)在線(xiàn)保存搭建文件，同時(shí)，平臺(tái)為不同比賽主題提供的訓(xùn)練場(chǎng)地最大限度模擬了現(xiàn)實(shí)環(huán)境，教師也可通過(guò)Python、圖形化編程等方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在虛擬場(chǎng)景中的教學(xué)實(shí)踐。

2.與項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的關(guān)聯(lián)

項(xiàng)目化學(xué)習(xí)區(qū)別于傳統(tǒng)知識(shí)本位的學(xué)習(xí)方式，是通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生在現(xiàn)實(shí)社會(huì)情境中對(duì)真實(shí)問(wèn)題不斷探討，歷經(jīng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題等過(guò)程，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)落地的一種學(xué)習(xí)方式。

在問(wèn)題情境方面，虛擬機(jī)器人平臺(tái)不受傳統(tǒng)教室空間的限制，極大程度地模擬了現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，基于問(wèn)題解決的開(kāi)放學(xué)習(xí)環(huán)境使得學(xué)生在探究、體驗(yàn)外部世界的過(guò)程中不斷發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。

在學(xué)習(xí)支持方面，學(xué)生能夠通過(guò)在線(xiàn)資源自主探究、求解問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)從“以講授為中心”到“以學(xué)習(xí)者為中心”的方式轉(zhuǎn)變，圍繞對(duì)真實(shí)問(wèn)題不斷探究求解而進(jìn)行有意義的學(xué)習(xí)。

在學(xué)習(xí)與項(xiàng)目評(píng)價(jià)方面，平臺(tái)可以同步跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程并對(duì)學(xué)習(xí)成果進(jìn)行評(píng)分。精細(xì)復(fù)雜的編程任務(wù)不僅能夠檢測(cè)學(xué)生即時(shí)學(xué)習(xí)效果，還能組合其他任務(wù)讓學(xué)生算法求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、任務(wù)分解等深層次能力得到提升，形成可遷移的思維方式。

在項(xiàng)目成果展示方面，虛擬機(jī)器人平臺(tái)提供了豐富的在線(xiàn)活動(dòng)，活動(dòng)期間學(xué)生能夠不限次數(shù)進(jìn)行超能演練并累計(jì)積分，每月進(jìn)行一次超能實(shí)戰(zhàn)并將成果計(jì)入總積分，同時(shí)按總分進(jìn)行排名，極大程度激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。

● “未來(lái)基建”項(xiàng)目化學(xué)習(xí)實(shí)踐

1.情境導(dǎo)入，確定任務(wù)

未來(lái)基建是隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新型智能技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的新發(fā)展理念下的新型基礎(chǔ)設(shè)施建筑，包括人工智能、5G基站建設(shè)等七大領(lǐng)域，涉及交通、能源等多諸多產(chǎn)業(yè)鏈。在“未來(lái)基建”項(xiàng)目活動(dòng)中，任務(wù)場(chǎng)景為一個(gè)虛擬仿真的城市，由道路、任務(wù)模型及裝飾物組成。學(xué)生首先對(duì)未來(lái)基建項(xiàng)目進(jìn)行考察，鏈接到每一位學(xué)生都是未來(lái)建造的主人翁，接著在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)使用仿真軟件搭建機(jī)器人并編寫(xiě)程序以完成未來(lái)基建項(xiàng)目，圍繞項(xiàng)目形成系統(tǒng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃、完成獨(dú)立任務(wù)和組合任務(wù)（包括出發(fā)、智能管理、建設(shè)5G通信等3個(gè)獨(dú)立任務(wù)和民生工程、極速運(yùn)輸、產(chǎn)業(yè)升級(jí)、現(xiàn)代交通、新能源工程等5個(gè)組合任務(wù)，如下表）的策略，以升級(jí)建設(shè)未來(lái)城市。

2.制訂計(jì)劃，搭建機(jī)器

學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)決定執(zhí)行任務(wù)的流程，包括明晰完成各個(gè)子任務(wù)的先后順序，以及每個(gè)子任務(wù)所需要的功能器件。在未來(lái)城市內(nèi)的不同區(qū)域共設(shè)置13類(lèi)任務(wù)模型，它們之間由黑色的主干道連接，各個(gè)任務(wù)模型對(duì)應(yīng)需要完成組合任務(wù)或獨(dú)立任務(wù)。在機(jī)器人搭建界面使用積木、馬達(dá)和傳感器組裝機(jī)器人（如下圖）。需要注意的是，機(jī)器人搭建要遵守相應(yīng)的規(guī)則：一個(gè)項(xiàng)目中只能搭建1臺(tái)機(jī)器人且機(jī)器人只能使用1個(gè)控制器、只允許有兩個(gè)著地的驅(qū)動(dòng)輪、在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中只允許使用AI視覺(jué)模塊進(jìn)行輔助運(yùn)動(dòng)。在搭建好機(jī)器后，學(xué)生需要依照計(jì)劃清單羅列完成各個(gè)子任務(wù)的時(shí)間、任務(wù)順序、任務(wù)對(duì)應(yīng)的學(xué)科知識(shí)準(zhǔn)備、活動(dòng)探究步驟，分析可能會(huì)遇到的困難及改進(jìn)策略，并預(yù)估最終的項(xiàng)目成果和展示形式，形成結(jié)構(gòu)化、序列化的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)實(shí)施方案。

3.程序編寫(xiě)，執(zhí)行任務(wù)

使用圖形化編程方式為機(jī)器人編寫(xiě)程序，按住鼠標(biāo)左鍵拖拽即可將模塊拖至編程區(qū)，靠近模塊后松開(kāi)鼠標(biāo)即可自動(dòng)拼接起來(lái)，模塊中的數(shù)值也可按照需求進(jìn)行修改，如設(shè)置馬達(dá)速度不僅要修改速度數(shù)值，還要選擇相應(yīng)的M1和M2端口。機(jī)器人在預(yù)編程序的控制下從隨機(jī)指定的啟動(dòng)區(qū)出發(fā)，前往場(chǎng)地中心的智能管理中心開(kāi)啟任務(wù)，并根據(jù)任務(wù)順序及任務(wù)內(nèi)容前往對(duì)應(yīng)的任務(wù)區(qū)域完成動(dòng)作，直至完成所有任務(wù)。在組合任務(wù)中，機(jī)器人每次只能獲取一個(gè)種類(lèi)的物品，且中途不得穿插其他任務(wù)，否則任務(wù)失敗。其中，當(dāng)獲取民生工程任務(wù)后，需前往農(nóng)場(chǎng)為居民區(qū)獲取安心食品，并收集居民區(qū)產(chǎn)生的垃圾分類(lèi)投放至環(huán)衛(wèi)中心;當(dāng)獲取急速運(yùn)輸任務(wù)后，需分別前往醫(yī)院及倉(cāng)儲(chǔ)中心完成極速救援和極速配送任務(wù);當(dāng)獲取產(chǎn)業(yè)升級(jí)任務(wù)后，需首先完成特高壓輸電任務(wù)，再前往智能工廠完成智能制造任務(wù);當(dāng)獲取智能交通任務(wù)后，需首先完成跨海大橋建設(shè)，再使城際高速列車(chē)在跨海大橋上通行;當(dāng)獲取新能源工程任務(wù)后，需在完成潮汐發(fā)電站建設(shè)后，完成充電樁的設(shè)置。在按照任務(wù)計(jì)劃搭建好機(jī)器人程序后，進(jìn)入仿真模擬界面，測(cè)試機(jī)器人的運(yùn)行效果，并執(zhí)行任務(wù)。

4.點(diǎn)撥引導(dǎo)，改進(jìn)完善

仿真模擬環(huán)境中能夠隨機(jī)產(chǎn)生摩擦力，真實(shí)還原現(xiàn)實(shí)環(huán)境，具有物理模擬效果，這就使得學(xué)生需要在真實(shí)問(wèn)題中運(yùn)用科學(xué)思維和方法持續(xù)探究，不斷調(diào)整程序，甚至機(jī)器人結(jié)構(gòu)。每次在機(jī)器人開(kāi)始仿真運(yùn)行程序后，在數(shù)據(jù)面板上可以觀察到機(jī)器人馬達(dá)和傳感器當(dāng)前的檢測(cè)數(shù)據(jù)，借助仿真用時(shí)和當(dāng)前仿真所獲得的任務(wù)分?jǐn)?shù)能夠跟蹤任務(wù)進(jìn)展。在這個(gè)環(huán)節(jié)，教師面臨的挑戰(zhàn)是引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題，基于已有知識(shí)形成問(wèn)題鏈，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)思考和問(wèn)題求解。此外，項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中問(wèn)題解決的方案并不唯一，教師要學(xué)會(huì)傾聽(tīng)學(xué)生的想法，尊重他們的興趣，而不是要求他們按照既定的方案開(kāi)展探究活動(dòng)。當(dāng)學(xué)生提出有問(wèn)題時(shí)，除了通過(guò)在線(xiàn)資源進(jìn)行自助學(xué)習(xí)，還可以向全班學(xué)生拋出問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生之間提出建議，容納他們的奇思妙想，體現(xiàn)真實(shí)問(wèn)題的導(dǎo)向，師生共同完善項(xiàng)目。

5.評(píng)估檢測(cè)，拓展反思

什么是好的項(xiàng)目成果？在“未來(lái)基建”項(xiàng)目實(shí)施的過(guò)程中，學(xué)生均使用了不同的研究方案，就成果而言，應(yīng)緊扣項(xiàng)目目標(biāo)的達(dá)成以及核心問(wèn)題是否解決進(jìn)行評(píng)定，可以有多種方式。例如“機(jī)器人搭建問(wèn)題”，沒(méi)有明確的參考方案，但是學(xué)生搭建需要考慮幾個(gè)核心問(wèn)題，包括完成任務(wù)用的擺臂的長(zhǎng)短、機(jī)器人的重心位置等，這些都是解決獨(dú)立任務(wù)和組合任務(wù)的保障問(wèn)題，直接影響最終的項(xiàng)目得分。當(dāng)然，僅僅依靠最終的得分來(lái)評(píng)定是不夠的，《課程標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)調(diào)素養(yǎng)導(dǎo)向的多元評(píng)價(jià)，堅(jiān)持過(guò)程性評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合。應(yīng)強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)過(guò)程中的能力轉(zhuǎn)化，如團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、自主學(xué)習(xí)能力，包括程序內(nèi)部的算法也是算法思維的體現(xiàn)。當(dāng)然，一個(gè)項(xiàng)目的結(jié)束并不是學(xué)習(xí)的終點(diǎn)，基于項(xiàng)目的反思改進(jìn)有助于產(chǎn)生新的問(wèn)題、生成新項(xiàng)目進(jìn)行持續(xù)性研究。

參考文獻(xiàn)：

中華人民共和國(guó)教育部.教育部關(guān)于印發(fā)義務(wù)教育課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）的通知[EB/OL]http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/202204/t20220420_619921.html.

基金項(xiàng)目：江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度課題“基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)沉浸式實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新的研究”（項(xiàng)目編號(hào)D/2021/02/477）、江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度課題“基于計(jì)算思維的小學(xué)智能機(jī)器人校本課程建設(shè)研究”（項(xiàng)目編號(hào)D/2021/02/687）。