虛擬機器人運用于課堂教學的案例研究

李舜鋒 戴嬌麗 傅蕾絲

【摘要】從問題的提出、機器人相關概念、虛擬機器人的價值談起，用具體的教學案例進行分析，探討將虛擬機器人運用于課堂教學的可操作方法和措施，并對升華虛擬機器人教學價值的方法提出建議。

【關鍵詞】虛擬機器人；IRobotQ3D虛擬機器人；課堂教學

由于信息技術日新月異、機器人設備價格昂貴、更新換代快等特點，使得實體機器人教育成為只有少數學生才能享受的“貴族運動”。如何在條件簡陋、資源有限、經費不足的情況下，讓更多的學生享受到以機器人為代表的人工智能教育？這就需要尋求一種新的機器人—虛擬機器人作為教育載體，運用于課堂教學。

一、相關概念

1.虛擬機器人

虛擬機器人又稱軟件機器人、仿真機器人，是一種基于虛擬現實的技術。虛擬機器人把運動場地、編譯工具、組件、控制引擎等都集于一身。

2.IRobotQ3D虛擬機器人

IRobotQ3D虛擬機器人，中文名稱為蘿卜圈虛擬機器人，由杭州蘿卜圈網絡技術有限公司開發(fā)的教育虛擬機器人。它具有基于網絡互動模式、物理引擎強力支撐、開放項目設計和管理、創(chuàng)新的驅動和傳感器、智慧的可視化編程系統、完備的活動支撐平臺等特點。加上三維仿真環(huán)境，深受中學生的喜歡，海南省已經連續(xù)舉辦了五屆IRobotQ3D機器人大賽，“尋找丟失的輪子”將在蘿卜圈平臺進行教學實施。

二、虛擬機器人的教育價值

1.擴大享受機器人教育的人群

目前只有創(chuàng)客教育、社團活動、競技競賽、校內外興趣培訓班等才能接觸到實體機器人教育，參與人數相對較少，將虛擬機器人運用于課堂教學，有助于讓更多的學生接觸到機器人教育，擴大了享受機器人教育的人群。

2.降低教育成本

實體機器人因其價格昂貴、更新換代快、零部件維護費用高等特點被稱為貴族教育。虛擬機器人具備仿真環(huán)境，僅需要在中學機房中安裝虛擬仿真平臺，便可進行教學和學習，節(jié)約了教育成本，適合在本地區(qū)推廣。

3.將虛擬機器人設計成教學項目有利于推進課堂教學

信息技術課中最枯燥、最難的部分就是程序設計，充分利用虛擬機器人的游戲性、趣味性等特點，將虛擬機器人活動設計成教學項目（例如本課設計成“尋找消失的輪子”），培養(yǎng)學生的學習興趣，利用可視化編程突破教學難點。

4.虛擬機器人運用于課堂教學有利于落實信息技術核心素養(yǎng)

信息技術教育的目標就是培養(yǎng)學生的信息意識、計算思維、數字化學習、信息社會責任。對于初中階段的學生來說，計算思維的培養(yǎng)尤為困難，如果采用python或者C語言進行教學，困難將會成倍增長。如果采用VPL（可視化編程語言）進行編程，教學的難度將大大降低。

VPL圖像化、直觀形象的可視化編程直接降低了語法、算法實現的復雜度。采用拉拽式、模塊化、可視化的圖形編程語言，人性化的智能匹配功能、形象化的數據流向動畫、簡單的操作，能更好地幫助學生理清思路、為實現算法隨心所欲地設計代碼，突出計算思維在信息技術教學中的中心地位。

三、將虛擬機器人應用于課堂教學的實踐

下面以“尋找消失的輪子”一課為例，采用IRobotQ3D機器人作為教學機器人，開展虛擬機器人教學。

1.關于教學設計

（1）融入學科核心素養(yǎng)。學科核心素養(yǎng)是體現學科的思維品質和關鍵能力，信息技術核心素養(yǎng)包含信息意識、計算思維、數字化學習與創(chuàng)新、信息社會責任四個方面。“尋找消失的輪子”是虛擬機器人的入門課，入門課設計得太難會打擊學生的積極性，設計得太簡單太淺顯則學生的能力得不到鍛煉和提高。因此教師應根據實際情況融入學科核心素養(yǎng)進行設計教學，具體如下：

①能夠根據解決問題的需要，自覺、主動地尋找恰當的方式處理。（信息意識）

②通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運用合理的方法形成解決問題的方案。（計算思維）

③掌握數字化學習工具（蘿卜圈虛擬機器人平臺）的操作技能。（數字化學習與創(chuàng)新）

④能夠遵守信息法律法規(guī)，信守信息社會的道德與倫理準則（閃爍燈）。（信息社會責任）

（2）落實課程標準。2022年4月新推出的《義務教育信息科技課程標準》中明確指出，“主要研究以數字形式表達的信息及其應用中的科學原理、思維方式、處理過程和工程實現”。據此筆者制定了“尋找消失的輪子”的要求：了解一種程序設計語言的基本知識，使用程序設計語言實現簡單算法。通過解決實際問題，體驗程序設計的基本流程，掌握程序調試、運行、優(yōu)化的方法。

學業(yè)要求方面，要求依據解決問題的需要，設計解決問題的方案；通過對硬件的組裝、調試、優(yōu)化（數字化學習），培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維；了解一種程序設計語言的基本知識（程序補充、參數填寫），了解程序設計語言實現簡單算法，解決實際問題。

（3）教學內容及分析

①搭建機器人。搭建機器人是虛擬教學的第一步，也是本節(jié)課的重點之一。對于初學者，“尋找消失的輪子”將機器人設計成半成品，只需要安裝輪子即可完成機器人的組裝，涉及的主要知識點有：虛擬機器人介紹、IRobotQ3D機器人以及零件庫介紹（包含控制器、驅動、安裝塊、傳感器等），以及安裝技巧。

②提高速度（更改參數）。本內容主要是為了讓學生熟悉不同參數對機器人運作的影響；

③提高成績（更換不同的輪子）。本內容主要是讓學生了解不同硬件對機器人運作時的影響；

④提高成績（引導學生同時更改參數和更換輪子）。本內容主要是讓學生探索軟硬件之間的搭配結合，對機器人及其成績的影響。

⑤分析代碼，學習條件分支（VPL、python）?；貧w教材，回歸課標，讓“尋找消失的輪子”的課程內容得到升華。

（4）學情分析：本節(jié)課的教學對象是海南省儋州市第三中學初中一年級的學生，在小學階段，大多數學生已經學習過VPL，如Scratch等語言，有一定的可視化編程語言基礎，為學習本課提供了相關知識支持?，F在的孩子從小就玩積木，為本課機器人的搭建提供了技能支撐。加上初一的學生天性愛玩，對車、機械、游戲都很感興趣，這為本課的順利實施提供了保障。

（5）教學策略：

①教學方法。講授法，講授機器人、虛擬機器人、IRobotQ3D虛擬平臺的功能，以及零件庫的使用。

其一，任務驅動法，通過三個探索性任務，層層遞進，完成本節(jié)課知識點的學習；

其二，演示法，每個任務由先完成的學生演示（如果學生遇到困難，老師可以幫助其演示），完成對重難點的突破。

②關于教學流程和教學活動的設計。

設計為展示實體、虛擬機器人—講解IRobotQ3D虛擬機器人—逐步展示梯級任務—實踐操作，記錄分數—每組學生展示作品—課堂小結

2.實施過程

（1）導入。教師提問學生是否愛玩游戲，告訴學生本節(jié)課就是帶大家玩游戲，并且分給每個學生一個游戲賬號和密碼，演示登錄過程，讓學生進入到蘿卜圈界面。

這樣設計是根據孩子愛玩游戲的本能，激發(fā)學生學習本節(jié)課的興趣，快速導入本課，順利進入本課的學習。

（2）教學過程。本節(jié)課主要依據項目式教學方式，將尋找消失的輪子作為教學項目，再將本項目分解為三個梯級任務，引導學生逐級完成。具體如下：

任務一：幫助蘿卜小子找回消失的輪子，讓他可以走到終點。

①講授打開、登錄方法（使用賬號）；

②介紹蘿卜圈的界面，進入房間的方法；

③進入房間后，介紹常用按鈕，比如編程按鈕、機器人搭建按鈕；

④介紹搭建機器人界面中，主界面的介紹（包含的界面控制、機器人的安裝端口）零件庫的使用（包含控制器、驅動、安裝、傳感器等）；

⑤認識每個傳感器、電機的名字等。

任務二：如何提高分數？

①展示修改電機參數提高分數的方法（進入程序界面）

②鼓勵學生嘗試；

③收集遇到的問題（顛簸）（嘗試換輪子）；

④登記分數高的同學；

⑤引導學生展示。

任務三：

展示任務三、觀察程序，體驗編程。

①展示流程圖；

②展示VPL編程；

③展示python代碼，體驗程序。

（3）教學評價。教學評價主要是針對學生所完成的任務進行過程性評價與總結性評價，教師可以設置評價量規(guī)表，涉及到設計思維、作品創(chuàng)意、創(chuàng)新能力、學科素養(yǎng)、學習品質等五個維度進行評價。每個維度20分，總分100分。評價方式為學生自評、互評，教師評價等多種方式，主要突出學生思維、能力、素養(yǎng)等三大方面。通過評價，讓學生發(fā)現自己在學習中所存在的問題，充分發(fā)掘學生內在潛能，更好地進行實踐探究，不斷提升學生的學科核心素養(yǎng)，為后續(xù)學習打下扎實的基礎。

（4）課堂總結。課堂總結是一堂課結束前教師與學生共同將課堂上用到的知識與技能、過程和方法、情感態(tài)度與價值觀進行總結，是一堂課必不可少的環(huán)節(jié)。好的課堂總結，能夠引導學生牢固地掌握學習過的內容，而且對學生學習的知識起到歸納作用。例如本課總結如下：

回顧知識：

①幫助小蘿卜找到了丟失的輪子；

②掌握了如何提高分數（參數），更換硬件等；

③了解了什么是流程圖、程序等；

④如果還有對小蘿卜感興趣的同學課后可以繼續(xù)學習，用分給大家的賬號和密碼進行登錄。

本次課堂總結，不僅回顧了知識點，通過物流機器人視頻，培養(yǎng)學生養(yǎng)成關注日常生活的習慣，提高了學生的信息素養(yǎng)。課后任務的布置，鼓勵有興趣的同學繼續(xù)學習機器人，將課堂延伸到課外，讓學生將課堂知識學以致用。

四、虛擬機器人應用于課堂教學的建議

1.認真研究學情

虛擬機器人具有抽象、操作性較強等特點。筆者所在學校處于農村與城市結合部，城市、農村的孩子各占一半左右，學生對計算機等電子設備的操作技能的掌握水平參差不齊。而初中階段的學生正處于形象思維向抽象思維轉變的過程，具有好奇、好動、好玩、好勝的特征。如果對上課班級的學情掌握不夠，就有可能影響課堂教學效果。

2.注重技術性實踐

新課標的要求就是讓學生在實踐活動中有所收獲，特別是對實踐能力的培養(yǎng)。如搭建小車、更改參數（如速度）、更換硬件（如輪子、電機等）、展示作品、參與賽車等。這些技術性實踐雖然簡單，但有趣有味，可以激發(fā)學生的無限創(chuàng)意，給學習過程帶來許多樂趣。能更好地引導學生動手操作、自主探究，將“學技術”與“用技術”有效結合，幫助學生更好地掌握技能、發(fā)展能力。

3.注重培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)

虛擬機器人的學習從專業(yè)知識出發(fā)，首先培養(yǎng)學生的信息意識（自覺、主動地尋求恰當的方式處理問題）；其次進入對計算思維和數字化軟件的學習與創(chuàng)新學習（蘿卜圈虛擬機器人平臺的操作技能）；再次培養(yǎng)學生的信息社會責任，遵守信息法律法規(guī)，信守信息社會的道德與倫理準則（閃爍燈）；最后是讓學生學以致用，把課堂推向人文教育和生命關懷，指出多掌握一門技術就多一份責任，進一步培養(yǎng)學生的信息社會責任。

4.注重知識遷移能力的培養(yǎng)

虛擬機器人的重要成果是分數和作品，這些成果可通過展示進行檢驗和評價。但筆者認為，更為可貴的是看不見的隱形成果，培養(yǎng)了學生的知識遷移能力，比如學生掌握了虛擬機器人的操作，對操作實體機器人就很容易上手；學生掌握了VPL編程，學習Scratch等語言不在話下；通過學習語言結構，為學生將來學習python、c語言等流行語言打好堅實基礎。

綜上所述，因為有了尋找消失的輪子的半成品應用，對于初次接觸機器人的學生來說，其對機器人有了全新的認識；讓學生學以致用，層層遞進，培養(yǎng)了濃厚的學習興趣。虛擬機器人的學習，創(chuàng)造的是生長性課堂，把更多的時間交給學生，讓他們自主探索設計虛擬機器人，在實踐中取得進步和成長，享受成功的快樂，培養(yǎng)學生的學科素養(yǎng)。

【參考文獻】

[1]牟亞.計算思維培養(yǎng)為導向的高中信息技術課程教學實踐研究[D].四川師范大學，2020.

（基金項目：本文系省級規(guī)劃課題“虛擬機器人在初中信息技術教學中的應用研究”的研究成果，課題編號：QJH202010098）