基于計算思維培養的3D仿真虛擬機器人在初中編程教學中的應用

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》明確提出倡導真實性學習的教學理念，同時建議在設計課程結構時，應充分考慮學生的學習發展規律，構建一個包含數據、算法、網絡、信息處理、信息安全以及人工智能等核心要素的系統化框架。初中編程教學作為鍛煉學生計算思維的關鍵環節，應強化學生的實踐操作和創新能力。為夯實學生的信息素養與人工智能理論基礎，初中信息科技課堂應當融入3D仿真虛擬機器人的教學內容。這種創新的教學方式能夠使學生擺脫實體機器人的物理限制，突破空間的局限，在虛擬環境中完成各種程序任務。

一、開展虛擬機器人教學活動的優勢

虛擬機器人是近年來嶄露頭角的機器人教育工具，也被稱為軟件機器人。它僅憑一臺計算機便能實現機器人的組裝、編程和調試全過程。以3D One AI虛擬機器人平臺為例，該平臺主要由三部分構成：一是用于編輯虛擬場景的地圖平臺，二是集模型設計與編程于一體的平臺，三是用于模擬機器人運行的仿真平臺。“智慧運輸”項目將使用人工智能三維仿真軟件3D One AI，在農業生產完成后農產品會配送到各個樓宇中，實現一個基于人工智能和物聯網的物流配送系統，能夠通過圖像識別包裹信息，自動匹配物流資源，改進配送路徑，提高物流配送的效率和正確性。該系統采用中國芯作為核心處理單元，確保數據采集、傳輸和處理過程的穩定性和可靠性。與傳統的實體機器人教學相比，虛擬機器人教學具有以下優勢：首先，它降低了硬件故障的風險，使學生無需擔心實體機器人可能出現的硬件問題，從而更專注于理解機器人在程序控制下的運作機制。其次，虛擬機器人教學通過直觀形象的軟件界面，使算法和程序變得易于理解，有助于培養學生的數字素養和創新思維能力。最后，虛擬機器人軟件提供豐富的構建組件和任務元素，為學生創造個性化、創新性的機器人設計提供了堅實基礎，有助于培養學生的創新能力。

二、虛擬機器人教學實踐案例

下面以3D One AI平臺“智慧運輸”項目中的《灰度空間》一課為例，本節課主要運用任務驅動法，以掌握“灰度傳感器”的關鍵技術原理、使用場景與用途為主要學習目標。通過了解“巡線機器人”的應用場景，讓學生能夠識別“電子件”模塊化編程中關于“灰度傳感器”相關工具的使用，能夠拆解、分析并理解“智慧社區”場景關于“灰度傳感器”部分的編程內容。本課的教學過程如下：

教學環節一：情境導入

教師活動：以南方電網智能巡檢機器人為例，巡檢機器人可以對變電站進行智能化、全方位、無死角的巡視，以確保變電站內的安全。師：那同學們思考一下巡檢機器人是如何實現自動巡邏的呢？用到了哪個傳感器呢？進一步引出本節課的重點：灰度傳感器。學生活動：觀察思考。設計意圖：通過實例展示和概念介紹，激發學生的學習興趣，并為他們后續的學習提供背景知識。

教學環節二：任務驅動，學習新知

教師活動：任務一：巡檢小車解析。工作原理：單灰度傳感器小車。 一個白色高亮發光二極管與一個光敏電阻配合工作，實現了灰度值的測試功能。發光二極管發出的光線在照射到不同灰度的地面時，反射回來的光線強度各異。光敏電阻能夠接收這些反射光，并根據其強度變化而調整自身的阻值。由于不同灰度導致的反射光強度差異，光敏電阻的阻值也會相應變化，從而實現了對灰度值的準確測量。這一設計原理使得我們可以有效地利用光敏電阻與發光二極管的配合，實現灰度值的精確測試（思考：雙灰度傳感器的工作原理）。任務二：“尋路”工具應用解析。邏輯運算符：“和”“或”。本課主要涉及到兩種邏輯運算符：①和運算符（amp;）：只有當兩個條件都為真時，結果才為真。例如，在Python中，xgt;0 and ygt;0只有當x和y都大于0時，結果才為True。②或運算符（|）：只要至少有一個條件為真，結果就為真。例如，xgt;0 or ygt;0，只要x或y中有一個大于0，結果就為True。學生活動："" 1.按照教師的指導，進行灰度傳感器的安裝、調試和編程環境的配置，并記錄遇到的問題和解決方法。 2.分組進行實踐操作，練習灰度傳感器的基礎操作，完成應用案例實踐，并在討論中分享自己的經驗和問題。3.分組進行灰度傳感器的基礎操作練習和應用案例實踐。在實踐過程中，學生會記錄實驗數據、分析實驗結果，并撰寫實踐報告。設計意圖：在進行程序設計之前，先進行任務分析，可以讓學生明確程序設計的目的，理清楚編程思路。

教學環節三：專項訓練

學生學習編寫程序，并進行仿真訓練。

小車的行駛狀態可以分為四種情況：①小車的起始位置為位置1，使用灰度2進行巡線，灰度2在白色位置，需要靠近黑線，小車右轉；②小車右轉直到灰度2檢測到黑線，小車需要遠離黑線，小車左轉；③小車左轉直到灰度檢測到白色，小車繼續靠近黑線，小車右轉；④小車重復循環，實現沿黑線前進。學生活動：1.小組合作，搭建機器人；2.學生分小組完成程序編寫，并進行程序仿真和調試。設計意圖：1.讓每個學生都能學會編程；2.小組合作搭建和測試，培養學生的合作精神。教學環節：交流展示，總結提升。

三、虛擬機器人教學效果與分析

現隨機抽取學校八年級的10位同學開展一個學期的虛擬機器人教學研究，研究發現大部分學生從無到有，能掌握編程的思維與方法；少部分學生能基本掌握編程基礎；極少部分學生未能完全掌握編程的內容。綜上所述，在學習虛擬機器人課程之前，學生可能對機器人的了解僅限于一些基本概念或表面知識。但通過學習虛擬機器人課程，他們將接觸到更多關于機器人技術、編程語言、算法等方面的知識，從而大大擴展了他們的知識儲備。隨著學習的深入，學生將逐漸掌握更多高級技能，如機器人路徑規劃、運動控制等，這些過程將鍛煉他們的編程能力、問題解決能力和邏輯思維能力。

【注：本文系深圳市教育科學“十四五”規劃2023年度人工智能專項課題“基于VR技術的初中人工智能校本課程的開發與實踐研究”（課題立項號：rgzn23013），廣東省教育科學規劃2025年度中小學教師教育科研能力提升計劃項目“基于一核三階五維的科技拔尖創新人才初中培養模式的探索與實踐”（課題立項號：2025YQJK0198）階段性成果】

責任編輯 邱 麗