利用虛擬技術開展機器人課程教學的實踐與思考

江蘇省溧陽市文化小學 何新華

一、問題的由來

2000年，機器人課程進入北京景山學校信息技術課程中，隨后，全國一些經濟較發達地區也開發了相應的機器人校本課程并進行實踐與探索。雖然江蘇早已將機器人內容編入信息科技教材，但在部分區域終因機器人設備無法落實等問題難以真正實施。

《教育信息化“十三五”規劃》要求推進人工智能在中小學的普及，通過作品創作、編程設計、動手實施，提高學生的編程能力和計算思維能力，從而激發學生的創新意識，發展學生的實踐能力與可持續學習能力。很多學校相繼建立“創客空間” “人工智能教室”，并將創客課程、機器人課程及人工智能課程引入課表。黨的二十大報告強調“教育、科技、人才”對現代化國家的基礎性和戰略性支撐，這更為以機器人、編程等為代表的科技教育注入了強有力的動力。這些都為學校機器人教學提供了新的思路，機器人教學也正朝著這個方向在不斷地進步。但中小學機器人教育的普及率仍然很低，往往只局限于個別班的校本選修或課后服務，因此機器人教學在整個學校課程體系中面臨著不可避免的窘境。

（一）經費預算不足，設備過于昂貴

目前中小學所選用的機器人器材，主要是樂高、中鳴等廠商出品，機器人設備成本高，使眾多學校望而卻步，即使開設機器人課程，也只有少數學生能夠體驗，無法讓每一個感興趣的學生都能真正接觸。

（二）師資全面匱乏，教師有心無力

雖然有些學校有開設機器人課程的意向，但苦于師資匱乏，只能選擇以課后服務或選修課的形式與校外培訓機構合作，而某些機構為了引流，實現利益最大化，只選擇相對簡單的、低成本的內容進行教學，學校教師也接觸不到真正的機器人技術層面的知識，致使學校的機器人教學水平整體不高。

（三）大班整班教學，教學效率低下

由于機器人教學涉及搭建、編程等多個環節，40分鐘根本無法保證每個（組）學生都能完成學習任務，教學效率低下，且教具的整理、課間的銜接、作品的保留等問題也一直困擾著中小學信息科技教師。

二、擺脫機器人教學窘境的途徑

機器人教學重在培養學生的動手實踐能力，提高學生的計算思維能力、工程操作能力及合作探究能力，從而幫助學生塑造健全人格。如何擺脫上述窘境，有效實施機器人教學，讓每個學生都能參與機器人學習，成了我們共同追求的目標。

（一）采用以Arduino為代表的開源機器人

以Arduino為代表的開源機器人逐漸成為很多學校機器人裝備的主流，蘇科版信息科技教材中“xDing”機器人就是最具代表性的例子，除此以外，用掌控板、行空板、樹莓派對等主控板配上拓展板、傳感器、結構件等，就是一個簡單的機器人，由于是一個封裝好的機器人，平時上課只需要添加合適的傳感器即可。如此，機器人的投入就小了好多，有時候甚至只要一套器材（一支隊伍）的費用就可以裝備一個機器人實驗室。

（二）采用虛擬平臺的機器人技術

開源機器人雖然價格便宜，但根據筆者所在學校使用的開源器材來講，經過一學期的使用，主控板和傳感器的故障率還是相當高的，特別是一些焊接接口很容易松動，造成有時不能正常使用，因此筆者也一直在尋找可以進行機器人整班教學的途徑，直到2020年11月中國科協推出虛擬機器人在線體驗活動。帶領學生參加這次比賽后，筆者找到了一種在信息科技課程中實施機器人教學的全新思路。

在中國科協的推動下，現在國內各大主流廠商都有不同的虛擬機器人平臺，如中鳴RoboSim虛擬機器人、鯨魚虛擬機器人、TGE虛擬機器人等，這些平臺的發展可圈可點，虛擬機器人的比賽和課程都已趨于成熟。

三、虛擬機器人課程實施的實踐與思考

（一）關注學生差異，從普及到創新

學生的發展存在著巨大的差異，根據學生的接受能力和現有水平，可以將虛擬機器人教學劃分為以下三個層次并進行相應的課程實施（如圖1）。

圖1

1.普及

利用五、六年級信息科技課程進行整班教學。家長只需通過手機注冊免費的賬號，學生即可在普通機房學習虛擬機器人課程，通過所見即所得的搭建界面、基于Scratch圖形化的編程、流暢且多角度的模擬運行，學生對虛擬機器人及虛擬機器人編程產生濃厚的興趣，從而學習機器人運動、傳感器檢測、機器人巡線等基礎機器人知識，進一步激發學生學習虛擬機器人相關知識的興趣，開拓學生的眼界。

2.提升

利用學校課后服務或自由課程時間，將對虛擬機器人感興趣的學生集中組織起來，對這一內容進行深入研究和學習，筆者在2021年就曾利用虛擬機器人平臺上了一節溧陽市市級公開課“機器人走迷宮”，學生搭建了形態各異的機器人，編寫了不同思路的程序，能力得到有效提升。

3.創新

在2022世界機器人大賽錦標賽（北京）中，筆者所在學校共有三名學生參加虛擬機器人賽項，并全都取得了佳績，究其原因還是與選拔機制有關。筆者挑選出的這些學生不但興趣濃厚，極具研究特長，而且樂于探究并富有團隊意識，通過對比例巡線、AI巡線、任務完成等進行有效探究，比如對“時空橋傳輸”任務進行了大量探究，最后利用多手臂聯動來完成任務，創造力和創新性得到進一步提高，對機器人的工作原理及編程思想有了更深刻的認識。

（二）進行項目學習，啟迪多重思維

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》將“跨學科主題”作為信息科技課程內容的重要組成部分，倡導真實性學習。機器人課程是集“科學、技術、工程、藝術、數學”于一體的STEAM課程，不光用于比賽，更多地可以用于跨學科學習。以項目化學習的方式組織教學，對于開拓學生的思維品質、改變學生的思維方式具有積極的意義。下面筆者以全國青少年虛擬機器人在線體驗活動為例，談一談怎么在虛擬機器人教學中組織項目化學習以及跨學科學習。

1.確定項目主題

虛擬機器人體驗活動由自主設計的機器人、各種形態的道路（草地、小溪、土路）、各種突發事件（大灰狼、隧道、蟒蛇、碎石）等各種虛擬元素組成。教師可以把它當作一個大項目分解成多個小項目再設計成課程加以實施，學生的首要任務就是自主設計機器人小車，安裝各種傳感器用于道路行走、路口識別、任務識別，并編寫執行程序，模擬機器人行走、避障等任務。這些任務就是教師需要帶領學生研究的主題，學生可以根據自己的興趣自選主題，也可以全部參與。

2.小組合作共建

選擇了自己想研究的主題，學生還需要掌握搭建虛擬機器人的技巧，如積木與積木、積木與傳感器之間如何連接，如何將積木和傳感器轉到合適的角度，如何選擇合適的傳感器，程序該如何編寫等。有的只需教師將合適的資源分發給學生，通過小組合作學習，引導學生自主探究。在這個學習過程中，學生首先要去發現相關問題，然后通過學習教師分發的資源、小組合作、尋求幫助等多種方式去解決遇到的問題。在整個探究過程中，學生都是在主動地學習，而不是被動地接受，學生在解決問題的過程中，不但學會了如何去搭建機器人、用程序控制機器人，更多地學會了如何去和學習伙伴溝通合作、共同進步。這就是項目化學習最大的收獲。

在通過編寫程序控制機器人運動時有學生發現，如果選用前驅車，機器人停止時總是會出現“磕頭”現象，而選用后驅車后，啟動時又會出現“翹頭”現象，學生對這種情況產生了濃厚的興趣，提出了很多問題：機器人在運行過程中為什么會“磕頭”或“翹頭”？重量對機器人的運動有沒有影響？如何擺脫慣性的影響？前驅和后驅機器人的優缺點各是什么？通過對這些問題的分析和對機器人結構、程序的不斷調整，學生不但理解了程序，更通過虛擬化的實驗完成了科學課中關于慣性、前后驅知識的探究，真正實現了跨學科學習。

3.實踐探究明理

上述學習環節中關于慣性和前后驅等問題的探究只是本次項目化學習過程中的一小塊，只停留在虛擬機器人課程的初始階段，尚未指向虛擬機器人探究的核心。除此之外，學生還會產生一系列的問題，通過深度融合前一階段的知識和問題，經歷“聚焦問題—尋求方案—實施方案”三個過程，學生發現問題、解決問題的能力得到充分鍛煉。

學生通過討論，最終將所有問題聚焦如下：（1）什么樣的結構更適合機器人完成任務？（2）如何通過AI視覺模塊控制機器人不脫離道路？（3）如何控制機器人快速轉過路口？（4）如何讓機器人穿過隧道、繞過石頭、識別大灰狼、蟒蛇等？（5）怎樣才能尋找到最優的解決方案？學生在解決問題的過程中不斷提升數學、工程、技術能力等，自主探究、合作學習、交流互動自然而然就展開了。

4.成果共享延伸

成果共享環節是為學生展示成果搭建支架，幫助學生交流創作思路，匯報學習成果。還是以“機器人走迷宮”這節課為例，學生在學習過程中設計了很多方案，有的通過超聲波傳感器檢測判斷前方與墻壁的相應距離后轉彎、有的用觸碰傳感器碰墻后后退轉彎……學生的每一種方案都值得肯定和鼓勵，教師只有關注學生在學習過程中的算法，才能更好地關注計算思維的培養。通過在分享、交流、互動中學習別人方案中的長處，不斷地改進自己的方案，并在“發現—優化”的過程中尋求完成虛擬機器人任務的“最優方案”，學生在不知不覺中提高了分析問題、解決問題的能力。

四、結語

以虛擬機器人為核心的機器人教學解決了中小學機器人教育器材短缺的問題，在學習內容上融合了技術、科學、物理等各學科知識，符合《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》倡導的“跨學科學習”，以項目化學習的方式培養學生的批判性思維，以信息化的方式去解決問題，從而培養學生的信息科技核心素養，為國家培養數字人才。