Robosim虛擬機器人平臺教學資源庫的應用研究
——以七年級機器人社團課程“智能農業”教學為例

閔芳芳

虛擬機器人教學平臺是線上人工智能教育與競賽的主渠道，具有成本低、在線項目化課程資源豐富、高度仿真等優勢。Robosim虛擬機器人平臺相對傳統機器人教學而言，提供了真實的社會生活情境，有助于項目化學習的發生。平臺能夠不受經濟基礎、空間和時間的限制，給疫情防控背景下的教學帶來了新活力，同時也給教師提出了更高的要求和挑戰，需要教師不斷創新教學方式、優化教學過程、關注核心素養的落地，以此促進教育教學變革，推動教育高質量發展。

一、創新教學方式

（一）強調意義建構而非教學目標

傳統機器人教學是圍繞教學目標進行的，需要教師緊扣教學目標選擇合適的教學方式，設計相關聯的教學過程。在虛擬機器人教學平臺環境中，由于平臺提供了真實的情境資源、詳細的任務流程以及即時的學習反饋，教學設計往往是考慮如何圍繞真實的情境引導學生對現實社會生活進行意義建構，而不是從分析教學目標開始。以平臺資源庫提供的“智能農業”項目前期準備活動為例，教師展示智慧農業的現實應用情境后，學生根據情境先思考一個項目由哪幾個部分組成，這些部分對應需要的團隊成員定位以及他們在智慧農業的社會作業中承擔的角色。學生在思考的過程中也會結合自身特長分析自己適合什么角色（比如項目經理、算法工程師、機器人工程師等），從而進行社會分工意義建構。另外，前期準備活動可以初步增加小組的默契程度，為后續的項目設計奠定基礎。

（二）強調“學”而非“教”

傳統機器人教學對硬件搭建和編程技術要求較高，教師需要在整個教學過程中不斷講解機械基礎和編程知識、演示操作方法，學生離開教師的傳授就難以繼續學習。利用虛擬仿真平臺進行機器人教學則解決了這一難題。比如在“智慧農業”項目的設計方案階段，學生通過教學平臺的使用方法說明就能夠快速獲取機器人學習的方法；通過自主閱讀《智慧農業建設指南》，可以詳細了解智慧農業的組成部分、項目開發的基本流程、相應的智能技術以及機器和程序搭建方法；結合前期角色分工，與項目經理溝通并細化智慧農業建設的各項計劃，為分計劃實施提供條件。在整個機器人項目學習過程中，教師作為項目活動的組織者、學習過程的指導者以及學生學習能力提升的促進者，促進了學生學習方式的轉變。

（三）強調問題解決而非知識技能

傳統機器人教學要求學生熟知機器的各個零部件及其作用，掌握機器從無到有的搭建過程以及工具的應用。虛擬機器人教學平臺融合了人工智能和機器人技術相關的理念，在機器搭建界面提供了常用的機器人組合模塊，負責搭建的學生依據項目設計階段學習掌握的機器人基本傳動原理，用鼠標拖拽即可在現有模塊的基礎上進行簡單的搭建操作。算法工程師則根據項目經理的開發需求規格說明書領取任務，通過對比任務和進階指南，探究需要具備的知識與技能，為程序開發做好準備。在程序搭建界面中仿真模擬可以得到即時評價，提高學生的學習參與度。在整個學習過程中，學生通過數字化學習工具挖掘相關信息，通過同伴交流等多種學習行為進行問題分解，在數字化學習環境下“做中學”，建構知識并促進問題解決。

二、優化教學過程

（一）緊扣情境，基于問題再設計

除了“智慧農業”，虛擬機器人教學平臺還提供了基于當下熱點事件而設計的“未來基建”“重走長征路”“冬奧盛會”等情境資源，這些資源均是與學生的現實生活和社會實際相聯系的。教師在實踐中需要緊扣情境，將項目分解為一個個可執行、易操作、相關聯的核心問題，再基于這些核心問題對真實性資源進行再設計與利用，其中包括社會、個人以及學科角度的設計。就“智慧農業”而言，從社會生活出發，進行社會分工合作、未來職業規劃等方面的再設計；從個人體驗出發，指向學生個體能夠完成的諸如自動育苗、播種、澆水、施肥、收割等具體任務；從學科知識出發，進行與學科相關聯的農作物生產自動化方面的再設計。

（二）生生共創，建立學習共同體

因為虛擬仿真平臺的學習是隨時發生的，這就要求建立科學、高效的學習共同體以保障學習質量。在進入實操之前，如果有學生事先沒有接觸過Robosim教學平臺，可由小組內同伴結合項目目標介紹平臺相關聯的具體使用方法，確保學生在短時間內達到相同技能起點；為了完成項目的設計與開發，小組內學生按照擅長搭建和善于編程的搭配進行兩兩組合共同學習；不同的角色需要深入學習該角色應具備的技能，及時和同伴溝通自己掌握的進階技能，完成分工任務；提前完成任務的學生對個人和群體學習結果進行評價，發現問題、解決問題，并基于問題生成新項目以進一步進行創意實踐。在這個過程中，學生沿著“為何學—一起學—學起來—學出來—持續學”的進階過程，多向交流、共同成長，生生共創學習新形態。

（三）聚焦實踐，促進思維的訓練

基于虛擬仿真平臺進行機器人教學更加聚焦實踐，學生在“搭—編—調—賽”的過程中進行機器人仿真學習和競賽風采展示，指向高階思維能力的訓練。虛擬機器人教學平臺的“自由搭建”界面呈現了菜單欄、搜索框、積木區、工作區等幾個區域，機器搭建過程中需要使用鼠標拖動畫面，使用鍵盤旋轉積木，不斷調整傳感器、梁、銷和控制器的連接位置，指向空間判斷思維能力。在菜單欄中從仿真訓練場地界面切換到程序編輯界面，學生可以像搭積木一樣完成程序編輯；設置機器人基礎巡線程序時，利用數據實時判斷行走路線和障礙，定義基礎速度和比例系數以方便調節速度，指向決策和算法思維能力。平臺會隨機生成摩擦力，仿真現實環境，以至運行同樣的程序也會出現效果不一致的情況，這就需要多次調整程序細節、算法結構甚至機器結構。此過程指向學生推理、歸納、邏輯思維能力的發展。

三、關注核心素養的落地

（一）信息意識

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》將信息意識定義為個體對信息的敏感度以及對信息價值的判斷力。經過系列化智能項目學習后，學生能夠理解新興智能技術對社會各個領域的重大影響（比如人工智能技術對農業、基建、家居、重要賽事等方面的重要支撐作用），感受新興智能技術給日常生活帶來的便利；能夠在了解智能技術的重要作用基礎上，根據解決問題的具體需要，主動尋找合適的數字化途徑進行信息資源檢索與利用，增強信息意識。

（二）計算思維

在實踐與應用中，學生遇到特定任務時能夠進行任務分解（比如將智慧農業任務拆分為水文監測站、氣象監測站、蔬菜大棚、果園、畜牧場等幾個子任務），并思考現在已有的條件是什么，從現有條件到目標任務該如何處理，以此生成處理方案后又要怎樣驗證，某種解決方案是不是最高效的……由此逐步迭代，生成最優的解決方案。學生能夠有意識地總結解決問題的方法，并將其遷移到求解其他問題和解決現實生活中的實際問題中去。

（三）數字化學習與創新

利用線上虛擬仿真平臺進行學習，學生能夠圍繞智慧農業項目任務，明確在線虛擬仿真平臺與線下學習的區別，并鏈接到現實社會與生活場景中的農業情境；利用虛擬仿真平臺及時獲取智慧農業項目學習所需的資源，開展自主學習；在教師的指導下，運用合適的智能技術進行農業作品創作；在創作的過程中，能夠合理選擇資源，與團隊成員協作進行方案規劃、步驟描述、可行性分析、模擬仿真、評價驗證等探究活動，感受數字化平臺和資源在合作學習、個性化創作、作品展示、分享匯報、精準評價等方面的重要性，養成數字技術應用的好習慣。

（四）信息社會責任

在虛擬平臺的應用中，大部分學生能夠養成辨別信息、及時保存數據的良好習慣；在體驗虛擬應用場景時，能夠合理、適度地與虛擬世界進行互動，明確新興智能技術帶來的倫理和安全挑戰，隨時做好個人隱私保護工作。不僅如此，學生還能夠科學分析各種數字化信息的價值，選擇合適的技術手段實現創新想法，養成用符合數字時代的思維方式去思考和處理信息、在信息社會中學習和生活的良好習慣，打通現實空間與虛擬空間的界限。