虛擬與現(xiàn)實(shí)相融，思維與創(chuàng)造同升

郭巍丹

隨著小學(xué)信息技術(shù)課程的深入發(fā)展，課程的本體價值、核心要素等越來越受關(guān)注。近年來，小學(xué)信息課程開始引入機(jī)器人項(xiàng)目和簡單的程序設(shè)計內(nèi)容。趣味編程和機(jī)器人項(xiàng)目開始從單純的競賽項(xiàng)目走向社團(tuán)活動、走進(jìn)教材、走進(jìn)課堂教學(xué)，硬件設(shè)施的配備也開始陸續(xù)跟進(jìn)。小學(xué)信息技術(shù)教育的新時代已經(jīng)來臨，作為年輕的信息技術(shù)教師，我們應(yīng)與時俱進(jìn)，帶領(lǐng)學(xué)生一起探索機(jī)器人的奧秘，走進(jìn)程序設(shè)計，體驗(yàn)信息技術(shù)課的別樣風(fēng)景。

● S+W式機(jī)器人校本項(xiàng)目的產(chǎn)生

1.傳統(tǒng)機(jī)器人項(xiàng)目中的編程偏難

筆者所在學(xué)校于2009年建立了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，在骨干教師的引領(lǐng)下，學(xué)校將機(jī)器人項(xiàng)目引入了社團(tuán)活動和課堂教學(xué)。筆者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人項(xiàng)目的實(shí)施一般都要經(jīng)歷“搭建結(jié)構(gòu)—編寫程序—運(yùn)行調(diào)試”的過程，其中的編寫程序是其核心內(nèi)容之一。但以往機(jī)器人項(xiàng)目中配套的編程軟件，其界面與模塊的設(shè)計不太符合小學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，尤其是程序中所涉及的變量累加、隨機(jī)數(shù)等，都超出了小學(xué)生的認(rèn)知水平和心理特點(diǎn)。因此，小學(xué)生對搭建機(jī)器人有著濃厚的興趣，但對編寫程序卻望而生畏。

2.純Scratch編程缺乏現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)

Scratch作為一款專為8歲以上兒童設(shè)計的圖形化開源編程軟件，很好地解決了小學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計時的很多問題。它用形象直觀的積木式指令代替了枯燥、難記的代碼指令。Scratch編程就像是搭積木，編程的門檻很低，利用圖形化指令可以很方便地制作出各種動畫、互動故事、益智游戲等，充滿了趣味性和娛樂性。但Scratch還是停留在虛擬環(huán)境中，缺少了搭建模型的過程，也就缺失了實(shí)物帶給學(xué)生的真實(shí)體驗(yàn)。因此，筆者針對Scratch編程與實(shí)體機(jī)器人有機(jī)結(jié)合這一問題進(jìn)行了一系列的思考與探索。

3.Scratch與WeDo相互融合

如何將趣味編程與機(jī)器人學(xué)習(xí)有機(jī)融合，從虛擬走向現(xiàn)實(shí)，讓學(xué)生在機(jī)器人項(xiàng)目活動中既能動手搭建結(jié)構(gòu)又能發(fā)展程序思維呢？秉持“玩中學(xué)”的理念，筆者嘗試將Scratch與WeDo趣味編程有機(jī)融合，探索出S+W式機(jī)器人校本項(xiàng)目。WeDo是一款簡單入門的樂高機(jī)器人套裝，它只需要學(xué)生具備機(jī)械搭建的基礎(chǔ)即可。S+W式機(jī)器人項(xiàng)目利用Scratch提升學(xué)生編程能力，利用WeDo鍛煉學(xué)生的搭建能力。此外，無論是搭建實(shí)物還是編寫程序，這二者都是“積木化”的形式，學(xué)生在“玩積木”的過程中激發(fā)創(chuàng)造性思維，提高邏輯思維，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神，提高解決問題的能力。S+W式機(jī)器人項(xiàng)目的基本思路如下：①S（Scratch）：在Scratch環(huán)境中，學(xué)生學(xué)習(xí)使用各種積木化的程序指令，在虛擬仿真環(huán)境中編寫程序，完成指定的任務(wù)，幫助學(xué)生理清任務(wù)的邏輯結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步控制實(shí)體簡易機(jī)器人做準(zhǔn)備。②W：利用樂高Wedo積木式部件，設(shè)計并搭建能夠完成一定任務(wù)的實(shí)體機(jī)器人，掌握實(shí)體機(jī)器人的組裝原理與搭建方法。③S+W（Scratch+WeDo）：在Scratch環(huán)境中編寫程序指令產(chǎn)生的虛擬效果，通過傳感器與自己搭建好的實(shí)體機(jī)器人相連，控制機(jī)器人的運(yùn)動，從虛擬向走現(xiàn)實(shí)，感受“神”（程序）與“形”（結(jié)構(gòu)）的結(jié)合，并且相輔相成、互相影響，讓學(xué)生體驗(yàn)程序設(shè)計奇妙的效果和機(jī)器人世界的無限創(chuàng)意。

● S+W式機(jī)器人校本項(xiàng)目的設(shè)計

S+W式機(jī)器人校本項(xiàng)目既不能脫離實(shí)體機(jī)器人項(xiàng)目的動手搭建，也不能忽視編寫程序、調(diào)試優(yōu)化等算法思維，應(yīng)堅持“虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)互補(bǔ)”的原則來設(shè)計項(xiàng)目，其基本思路是：學(xué)生利用WeDo機(jī)器人套裝設(shè)計搭建模型，利用Scratch編寫程序控制機(jī)器人完成指定任務(wù)，實(shí)現(xiàn)各種功能。

因此，筆者結(jié)合所在學(xué)校的實(shí)際情況和學(xué)生狀況，設(shè)計了S+W式機(jī)器人校本項(xiàng)目的四種操作形式，并在教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)踐，深受學(xué)生的喜愛。

1.S→W：搭建實(shí)體對象，模仿智能控制

這種形式主要是用Scratch舞臺中某個角色來控制實(shí)體簡易機(jī)器人運(yùn)動。使用這種形式學(xué)習(xí)，學(xué)生要會使用Scratch中的一般指令，更要學(xué)會控制外接設(shè)備如馬達(dá)的程序指令的使用。學(xué)生能通過對Scratch中角色的操作，利用WeDo控制器控制機(jī)器人運(yùn)動，體驗(yàn)智能遙控的樂趣。

【任務(wù)】用WeDo搭建一個簡易的實(shí)體風(fēng)扇（如圖1），能利用Scratch舞臺中的遙控器（如圖2）控制風(fēng)扇的運(yùn)動速度。

【功能】此遙控器中數(shù)字1～8代表了從小到大的8種功率；向左的按鈕能控制實(shí)體風(fēng)扇減速運(yùn)動，向右的按鈕能控制實(shí)體風(fēng)扇加速運(yùn)動；停止按鈕使實(shí)體風(fēng)扇停止。

【程序設(shè)計】遙控器上所有按鈕都作為獨(dú)立的角色進(jìn)行程序設(shè)計，單擊數(shù)字1～8，分別賦予變量值為10～80；單擊左右箭頭，分別將變量值減少或增加10；單擊停止時，變量值為0。遙控器（部分）的程序指令如圖3所示。

實(shí)體風(fēng)扇要旋轉(zhuǎn)起來還需要打開馬達(dá)，讓馬達(dá)按一定的能量進(jìn)行運(yùn)動，主要程序如圖4所示。

2.S→S+W拓展程序運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)變化

這種形式就是用Scratch舞臺中某一個角色控制其他角色和現(xiàn)實(shí)中實(shí)體機(jī)器人同時運(yùn)動。在設(shè)計中，受控制的對象除了實(shí)體機(jī)器人外，還要在舞臺中有一個或多個虛擬角色，可以實(shí)現(xiàn)由一點(diǎn)來觸發(fā)多點(diǎn)同步發(fā)生變化。

【任務(wù)】用WeDo搭建一個簡易的實(shí)體風(fēng)扇，能利用Scratch舞臺中的遙控器控制實(shí)體風(fēng)扇和舞臺中的虛擬風(fēng)扇同時運(yùn)動。

【功能】遙控器中數(shù)字1～8代表了從小到大的8種功率，向左的按鈕能控制實(shí)體風(fēng)扇和虛擬風(fēng)扇同時減速；向右的按鈕能控制實(shí)體和虛擬風(fēng)扇同時加速運(yùn)動；停止按鈕使實(shí)體、虛擬風(fēng)扇同時停止。

【程序設(shè)計】由于變量“馬達(dá)速度”的值不便于直接作為虛擬風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)角度，所以將馬達(dá)速度除以一個值來得到適宜的角度讀數(shù)。結(jié)合驅(qū)動馬達(dá)的程序，優(yōu)化后的指令如上頁圖5所示。

3.W→S：應(yīng)用傳感信息，體驗(yàn)人機(jī)互動

這種形式是利用WeDo的傳感器來控制Scratch舞臺中角色的運(yùn)動。在創(chuàng)作中充分利用傾斜傳感器、距離傳感器返回的值來控制Scratch中一個或多個角色，讓學(xué)生感覺到自己在控制計算機(jī)中角色的變換，體驗(yàn)到人機(jī)互動的樂趣。

【任務(wù)】用WeDo的距離傳感器控制Scratch舞臺中風(fēng)扇的運(yùn)動。

【功能】當(dāng)物體越接近距離傳感器，Scratch舞臺中風(fēng)扇轉(zhuǎn)動加速；當(dāng)物體離距離傳感器越遠(yuǎn)，Scratch舞臺中風(fēng)扇轉(zhuǎn)動減速，直至停止。

【程序設(shè)計】由于任務(wù)中要求物體距離傳感器越近，轉(zhuǎn)動的角度越大，也就是說距離傳感器的值越小，旋轉(zhuǎn)角度的值反而越大。為了將這兩個值轉(zhuǎn)換為同增同減的值，必須探索一個合適的公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，程序指令如圖6所示。

4.W→S+W：優(yōu)化程序設(shè)計，促進(jìn)虛實(shí)相生

這種形式是利用WeDo傳感器控制實(shí)體機(jī)器人和Scratch舞臺中某些角色同時運(yùn)動。通過融合虛實(shí)的創(chuàng)作，學(xué)生能讓虛擬與現(xiàn)實(shí)中的對象都按自己的意志進(jìn)行運(yùn)動。在這個過程中，學(xué)生不僅體驗(yàn)到人機(jī)互動的愉悅，還能體驗(yàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的交互感，激發(fā)學(xué)生投入到更發(fā)散的思維創(chuàng)意設(shè)計之中。

【任務(wù)】用WeDo搭建一個風(fēng)扇，利用距離傳感器控制實(shí)體風(fēng)扇和舞臺中的虛擬風(fēng)扇同時運(yùn)動。

【功能】當(dāng)物體越接近距離傳感器，實(shí)體風(fēng)扇和舞臺中的虛擬風(fēng)扇同時轉(zhuǎn)動加速；當(dāng)物體離距離傳感器越遠(yuǎn)，實(shí)體風(fēng)扇和舞臺中的虛擬風(fēng)扇同時轉(zhuǎn)動減速，直至停止。

【程序設(shè)計】將前面的虛擬風(fēng)扇和實(shí)體風(fēng)扇的程序進(jìn)行優(yōu)化后，程序指令如圖7所示。

● S+W式機(jī)器人校本項(xiàng)目的實(shí)施

筆者通過不斷的實(shí)踐探索與反思改進(jìn)，初步構(gòu)建了上述四種比較適合小學(xué)生學(xué)習(xí)的S+W式機(jī)器人學(xué)習(xí)項(xiàng)目形式。在實(shí)際教學(xué)中，教師可根據(jù)學(xué)生情況、項(xiàng)目內(nèi)容和情境任務(wù)來選擇其中的一種或兩種來組合實(shí)施，而非對一個任務(wù)情境使用所有的形式。

基于S+W式機(jī)器人校本項(xiàng)目設(shè)計的《自動蹺蹺板》一課，筆者選擇了以S→S+W為主，S→W為輔的兩種形式結(jié)合使用來實(shí)施教學(xué)。

學(xué)習(xí)目標(biāo)：認(rèn)識傾斜傳感器、馬達(dá)、齒輪、滑輪等WeDo零件，掌握WeDo控制器、傳感器與計算機(jī)的連接方法。掌握Scratch中循環(huán)結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)、變量的運(yùn)用，能夠編寫程序控制WeDo的控制器；體驗(yàn)S+W式機(jī)器人項(xiàng)目學(xué)習(xí)的樂趣，激發(fā)創(chuàng)造力。

情境任務(wù)：小朋友都玩過蹺蹺板吧！如果想讓蹺蹺板的兩端一直平穩(wěn)地上下運(yùn)動，需要什么條件呢？（討論得出：蹺蹺板兩邊的重量差不多）今天，我們就利用Scratch和WeDo來設(shè)計一款自動蹺蹺板，用控制器來控制蹺蹺板的運(yùn)動方向。

任務(wù)分析：在這個任務(wù)情境中，首先需要弄清楚傾斜傳感器的值。通過描述任務(wù)：傳感器向左，蹺蹺板向左；傳感器向右，蹺蹺板向右；傳感器平，蹺蹺板停止運(yùn)動，可以轉(zhuǎn)換為傳感器的值等于1，蹺蹺板向左轉(zhuǎn)；傳感器的值等于3，蹺蹺板向右轉(zhuǎn)；傳感器的值等于0，蹺蹺板停止運(yùn)動。在這個程序中，嵌套了兩個判斷語句來區(qū)分距離傳感器的值，并用馬達(dá)方向和旋轉(zhuǎn)角度來控制實(shí)體蹺蹺板和虛擬蹺蹺板的運(yùn)動方向。

可分為三個步驟來完成：①S：在Scratch中畫一個蹺蹺板，實(shí)現(xiàn)利用WeDo中的傾斜傳感器控制蹺蹺板的運(yùn)動。②W：利用WeDo套裝的零件，拼裝成自己設(shè)計的蹺蹺板。這個過程中會涉及到很多簡單機(jī)械原理，齒輪、杠桿、滑輪、運(yùn)動的傳遞等問題。③S+W：修改Scratch中程序，實(shí)現(xiàn)用傾斜傳感器來控制實(shí)體蹺蹺板的運(yùn)動，當(dāng)傾斜傳感器向左，現(xiàn)實(shí)中的蹺蹺板和Scratch中的虛擬蹺蹺板同時向左。

實(shí)施方式：教師提供相關(guān)資料、任務(wù)單和微課，四位學(xué)生組成學(xué)習(xí)小組，自主選擇學(xué)習(xí)方式。學(xué)生或根據(jù)任務(wù)單探究，或看微課了解知識，也可以根據(jù)資料搭建模型、編寫程序、調(diào)試運(yùn)行。教師走進(jìn)各小組進(jìn)行個別化指導(dǎo)，組織學(xué)生交流分享，完成的小組可以繼續(xù)探索其他控制蹺蹺板運(yùn)動的方法。如上頁圖8～圖10所呈現(xiàn)的就是一個小組在“自動蹺蹺板”S+W項(xiàng)目中的學(xué)習(xí)成果。

● S+W式機(jī)器人校本項(xiàng)目的價值

S+W式機(jī)器人校本項(xiàng)目為培養(yǎng)學(xué)生的多方面能力開辟了一個新型的學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生在參與項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程中，提高了自主學(xué)習(xí)、模型搭建、邏輯思維、合作交流等多方面能力，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣和探索精神。

1.由實(shí)悟虛，喚起發(fā)現(xiàn)思維

學(xué)生可以把在實(shí)際生活中觀察到的各種有趣現(xiàn)象、實(shí)際問題用數(shù)字作品表達(dá)出來，不斷地拓展思維。另一方面，在任務(wù)情境中若以口頭或虛擬的形式展示任務(wù)，學(xué)生對任務(wù)的理解就可能有所欠缺，而通過觀看實(shí)體機(jī)器人的運(yùn)動展示，能更好地理解任務(wù)，把握要點(diǎn)。

2.由虛到實(shí)，引發(fā)邏輯思維

在機(jī)器人項(xiàng)目的任務(wù)分析過程中，需要探究如何把虛擬與現(xiàn)實(shí)中每個對象的動作、事件進(jìn)行分割，梳理出各個對象之間的邏輯關(guān)系。以往學(xué)生經(jīng)常會顧此失彼、思維混亂，現(xiàn)在由虛到實(shí)層層遞進(jìn)，很自然地解決了邏輯不清的問題。例如，在設(shè)計風(fēng)扇時，學(xué)生先在Scratch中編寫程序?qū)崿F(xiàn)用遙控器控制虛擬風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)，理解了虛擬風(fēng)扇要用變量來控制旋轉(zhuǎn)角度后，再將此理解遷移到實(shí)體風(fēng)扇需要用變量來控制馬達(dá)的能量值，則很順利地實(shí)現(xiàn)了控制虛擬和現(xiàn)實(shí)風(fēng)扇同步運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.虛實(shí)結(jié)合，激發(fā)創(chuàng)意思維

S+W式機(jī)器人校本項(xiàng)目中由于提供了虛擬與現(xiàn)實(shí)多維度的對象，學(xué)生可以在更大程度上發(fā)揮創(chuàng)造力。虛擬中的多樣角色和現(xiàn)實(shí)中的靈巧拼搭被學(xué)生用于嘗試新的想法，實(shí)現(xiàn)新的作品，學(xué)習(xí)變得更有意義。例如，在教學(xué)《神奇的風(fēng)扇》時，有位學(xué)生完成任務(wù)后，將程序設(shè)計變換成為可切換的兩種模式（如圖11）。先設(shè)計了一個角色用于控制“自動”和“手動”，再將該角色設(shè)置為兩個造型“Sensor”和“Manual”并作為判斷條件（如圖12），選擇是用遙控器控制風(fēng)扇運(yùn)動，還是用距離傳感器控制風(fēng)扇的運(yùn)動，創(chuàng)意無極限。

4.虛實(shí)互補(bǔ)，發(fā)展計算思維

學(xué)生通過對任務(wù)的分析與規(guī)劃，梳理虛擬與現(xiàn)實(shí)對象之間的邏輯關(guān)系，再通過模型的搭建、程序的編寫與調(diào)試，逐步實(shí)現(xiàn)了從具體形象思維向抽象邏輯思維的發(fā)展，像科學(xué)家一樣邊探究邊實(shí)踐，逐步形成用計算機(jī)解決問題的思維習(xí)慣。例如，如何實(shí)現(xiàn)同時用距離傳感器的值控制實(shí)體風(fēng)扇和虛擬風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)？這就要先解決如何將距離傳感器的值轉(zhuǎn)換為實(shí)體風(fēng)扇的馬達(dá)能量和虛擬風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)角度，也就是一個變量要通過計算公式滿足不同對象的應(yīng)用，這比單獨(dú)針對虛擬或現(xiàn)實(shí)中的一個對象編程難度要大一些。

● S+W式機(jī)器人校本項(xiàng)目的感悟

Scratch與WeDo的融合，可以讓學(xué)生快速地學(xué)會編程，喜歡編程，能夠了解傳感器的用法，了解機(jī)器人的工作原理。筆者深深體會到，在S+W式機(jī)器人校本項(xiàng)目的設(shè)計與實(shí)施過程中，要注意以下幾個方面。首先，要充分了解學(xué)生的年齡特點(diǎn)和興趣愛好。從學(xué)生熟悉的事件、益智的游戲、親身的經(jīng)歷出發(fā)，力求做到學(xué)以致用，讓學(xué)生在玩中學(xué)，在學(xué)中悟。其次，要讓學(xué)生充分參與到項(xiàng)目活動中。教師提供充足的探究時間，放手讓學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)、思考、交流、創(chuàng)作。例如，在“自動蹺蹺板”項(xiàng)目中，蹺蹺板與動力馬達(dá)之間的減速問題。這個問題若直接由教師演示，學(xué)生可能當(dāng)時懂了，但在應(yīng)用時，可能就會出現(xiàn)問題。而學(xué)生自主進(jìn)行探究，在發(fā)現(xiàn)齒輪的個數(shù)與速度之間的關(guān)系，明白減速、加速原理后，則在處理任何齒輪相關(guān)問題時，都能迅速解決。最后，要提供充分的展示空間。學(xué)生的創(chuàng)造力需要展示交流，應(yīng)不斷地激發(fā)他們的成就感，推動他們進(jìn)一步探究學(xué)習(xí)的熱情。

S+W式機(jī)器人校本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人虛擬與現(xiàn)實(shí)的相互融合，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的思維與創(chuàng)造的同步提升。在參與項(xiàng)目學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生養(yǎng)成了獨(dú)立思考、相互交流、團(tuán)結(jié)合作、勇于探究等良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，他們習(xí)慣于自主地修改程序、改進(jìn)模型，探索不同的解決方案，像科學(xué)家一樣思考問題、實(shí)踐驗(yàn)證、探索新知。學(xué)生們在該項(xiàng)目學(xué)習(xí)中所表現(xiàn)出來的快樂體驗(yàn)與無限潛力，也激勵著筆者在機(jī)器人項(xiàng)目上不斷研究與實(shí)踐。