運(yùn)用虛擬機(jī)器人于初中程序設(shè)計(jì)教學(xué)模塊的實(shí)證研究

[摘要]該研究以準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究方法為主，結(jié)合初中信息技術(shù)教育中對(duì)程序設(shè)計(jì)模塊的教學(xué)要求，對(duì)如何運(yùn)用虛擬機(jī)器人實(shí)施程序設(shè)計(jì)教學(xué)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)踐；最后，運(yùn)用問(wèn)卷、訪談等方式對(duì)實(shí)施效果進(jìn)行了調(diào)查。研究結(jié)果表明在信息技術(shù)課程中利用虛擬機(jī)器人教學(xué)能起到一舉兩得的作用，使學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了程序設(shè)計(jì)的基本知識(shí)也學(xué)習(xí)了機(jī)器人相關(guān)的知識(shí)，同時(shí)利用虛擬機(jī)器人于程序設(shè)計(jì)教學(xué)在一定程度上提高了學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的興趣和動(dòng)力。

[關(guān)鍵詞]程序設(shè)計(jì)；機(jī)器人教育；機(jī)器人；虛擬機(jī)器人；準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究

[中圖分類(lèi)號(hào)]G420 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B [論文編號(hào)]1009-8097(2010)12-0137-04

一 引言

隨著機(jī)器人教育受到社會(huì)越來(lái)越多的關(guān)注及其教育價(jià)值的逐漸彰顯，國(guó)內(nèi)外眾多專(zhuān)家學(xué)者呼吁在課堂教學(xué)中以機(jī)器人課程的形式或與其他課程整合的方式開(kāi)展機(jī)器人教育。盡管當(dāng)前的機(jī)器人競(jìng)賽開(kāi)展得如火如荼，但機(jī)器人課程卻仍游離于日常課堂教學(xué)之外，通過(guò)綜合分析各方因素，發(fā)現(xiàn)目前我國(guó)的機(jī)器人教育總體來(lái)說(shuō)還處于起步階段。那么，如何在當(dāng)前的條件、資源、教育環(huán)境下，使機(jī)器人教育走進(jìn)中小學(xué)教育?最大程度的體現(xiàn)其潛在的教育價(jià)值?尋求一種新的機(jī)器人教育載體，系統(tǒng)地研究如何將這一載體更好的應(yīng)用于中小學(xué)機(jī)器人教育中將具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。

二 相關(guān)研究

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)教育領(lǐng)域的專(zhuān)家提出在計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)初級(jí)階段課程中應(yīng)用機(jī)器人作為教學(xué)輔助工具，尤其是在講授程序設(shè)計(jì)基本概念階段。一些研究結(jié)論得出基于機(jī)器入的項(xiàng)目有利于促進(jìn)和提高學(xué)生ACM((Association for Computing Machinery)課程相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)。利用機(jī)器人開(kāi)展教學(xué)利于解決程序設(shè)計(jì)初學(xué)者入門(mén)學(xué)習(xí)時(shí)遇到的常見(jiàn)問(wèn)題，如邏輯推理和代碼編寫(xiě)方面的不足。同時(shí)，學(xué)習(xí)者表示對(duì)利用機(jī)器人開(kāi)展學(xué)習(xí)非常感興趣，覺(jué)得該類(lèi)教學(xué)活動(dòng)生動(dòng)有趣。國(guó)外有關(guān)應(yīng)用機(jī)器人于程序設(shè)計(jì)教學(xué)的實(shí)證性研究不多，大部分有關(guān)機(jī)器人在教育中使用的文獻(xiàn)都是描述性的資料。因此，這類(lèi)研究結(jié)果的可信度不高。然而運(yùn)用實(shí)證研究的數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估機(jī)器人對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)影響的更少，以浙江大學(xué)圖書(shū)館為檢索源，共搜索到了3篇采用嚴(yán)格的量化研究方法的文獻(xiàn)。國(guó)內(nèi)有關(guān)虛擬機(jī)器人與程序設(shè)計(jì)教學(xué)相關(guān)的研究亦不多。其中一些研究都先后提及了結(jié)合機(jī)器人與程序設(shè)計(jì)的教學(xué)思想。還有部分研究者根據(jù)自身教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，闡述了如何在信息技術(shù)課程中結(jié)合虛擬機(jī)器人開(kāi)展程序設(shè)計(jì)教學(xué)的具體案例或?qū)嵤┙ㄗh。但上述研究都是一些理論探討或定性研究，沒(méi)有開(kāi)展實(shí)證或基于教育調(diào)查的準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究。

雖然相關(guān)文獻(xiàn)皆認(rèn)為機(jī)器人或機(jī)器人模擬軟件有助于程序設(shè)計(jì)教學(xué)，但并未能提供機(jī)器人具有輔助程序設(shè)計(jì)教學(xué)成效的實(shí)證性資料。可見(jiàn)，機(jī)器人教育的研究者應(yīng)該加大類(lèi)似的研究，以便驗(yàn)證機(jī)器人教育的實(shí)際效果，提供有效的實(shí)證依據(jù)，加速機(jī)器入教育的推廣。

三 研究方法

(一)研究樣本的選擇

本研究在2009年3月至6月在溫州第十四中學(xué)進(jìn)行，研究對(duì)象是來(lái)自溫州第十四中學(xué)初三年級(jí)4個(gè)班級(jí)的同學(xué)，共計(jì)180名。鑒于初三學(xué)生已具備一定的邏輯思維和發(fā)散思維能力，能夠獨(dú)立完成一些較高要求的學(xué)習(xí)任務(wù)，而且他們也樂(lè)于接受新鮮事物，喜歡面對(duì)有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。同時(shí)，經(jīng)過(guò)小學(xué)和初中兩年的信息技術(shù)課程學(xué)習(xí)，已具備一定的信息素養(yǎng)，具備基本的信息搜索、處理和交流能力。

(二)軟件及硬件環(huán)境

本研究是在溫州十四中學(xué)的計(jì)算機(jī)機(jī)房開(kāi)展準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的，硬件設(shè)施主要為計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)，所采用的虛擬機(jī)器人軟件則為上海未來(lái)伙伴機(jī)器人有限公司開(kāi)發(fā)的一款商業(yè)虛擬機(jī)器人仿真系統(tǒng)VJC1.5仿真版。在該軟件環(huán)境中，用戶可利用光源、聲源、障礙物和彩色圖來(lái)創(chuàng)建各種環(huán)境，如房間、迷宮、排雷場(chǎng)地等，同時(shí)該軟件還提供了包括國(guó)際機(jī)器人滅火比賽標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地在內(nèi)的16個(gè)現(xiàn)成的機(jī)器人競(jìng)技場(chǎng)仿真環(huán)境。對(duì)于程序的編寫(xiě)，用尸可用流程圖編寫(xiě)機(jī)器人程序，系統(tǒng)自動(dòng)生成JC(機(jī)器人C語(yǔ)言)代碼，便于讀者觀察、解釋或修改程序。該仿真系統(tǒng)能滿足一個(gè)50人的班級(jí)同時(shí)進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)與實(shí)施機(jī)器人項(xiàng)目，保證每個(gè)學(xué)生都能展示自己的創(chuàng)意并進(jìn)行項(xiàng)目體驗(yàn)。

(三)實(shí)施過(guò)程

根據(jù)新課標(biāo)初中階段信息技術(shù)課程對(duì)學(xué)生程序設(shè)計(jì)方面的教學(xué)要求，結(jié)合實(shí)驗(yàn)學(xué)校的教學(xué)實(shí)際，本研究采用VJC1.5仿真版虛擬機(jī)器人作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)工具，開(kāi)展準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究。教學(xué)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展以專(zhuān)題制作為主，安排在初三年級(jí)四個(gè)班級(jí)第一學(xué)期的信息技術(shù)課程教學(xué)當(dāng)中。本次教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以五個(gè)主題活動(dòng)為牽引，在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中根據(jù)主題活動(dòng)難易程度的不同，采用或分組或獨(dú)立等方式讓學(xué)生完成作業(yè)練習(xí)。教學(xué)中穿插一些教學(xué)游戲和若干次競(jìng)賽活動(dòng)以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。教師在各個(gè)教學(xué)單元的教學(xué)過(guò)程中，依次加入程序設(shè)計(jì)相關(guān)概念、語(yǔ)法和機(jī)器人各部件功能模塊的操作實(shí)踐，使學(xué)生循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)和機(jī)器人知識(shí)，并由各單元的實(shí)踐練習(xí)宋檢驗(yàn)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)；同時(shí)，確認(rèn)學(xué)生在掌握相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展應(yīng)用，以便起到迅速提升學(xué)生知識(shí)應(yīng)用能力和問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)；最后，運(yùn)用問(wèn)卷、訪談等方式對(duì)課程實(shí)施效果進(jìn)行調(diào)查總結(jié)分析。

四 研究結(jié)果及分析

本實(shí)驗(yàn)是在所有教學(xué)計(jì)劃完成后開(kāi)展相應(yīng)的調(diào)查以檢測(cè)教學(xué)效果，在該教學(xué)實(shí)施過(guò)程中實(shí)施的調(diào)查包括以下幾部分：①學(xué)生程序設(shè)計(jì)態(tài)度的前、后測(cè)問(wèn)卷調(diào)查——旨在了解教學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生程序設(shè)計(jì)態(tài)度的影響情況；②學(xué)生對(duì)教學(xué)情況的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)卷調(diào)查——旨在收集學(xué)生對(duì)教學(xué)活動(dòng)的意見(jiàn)和建議；③教師的個(gè)別訪談——旨在了解教師對(duì)采用虛擬機(jī)器人教學(xué)的評(píng)價(jià)和建議。

(一)學(xué)生調(diào)查結(jié)果分析

問(wèn)卷調(diào)查采用文本問(wèn)卷加網(wǎng)絡(luò)問(wèn)卷的形式，分兩個(gè)階段實(shí)施：第一階段在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)之前，問(wèn)卷內(nèi)容在于了解初中生對(duì)程序設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)和對(duì)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)的態(tài)度：第二階段在實(shí)驗(yàn)教學(xué)完成之后，在完成程序設(shè)計(jì)態(tài)度問(wèn)卷的后測(cè)后，再實(shí)施學(xué)生對(duì)VJC仿真版虛擬機(jī)器人教學(xué)使用情況的調(diào)查。

1 教學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生程序設(shè)計(jì)態(tài)度影響的統(tǒng)計(jì)與分析

本研究自編學(xué)習(xí)態(tài)度問(wèn)卷，問(wèn)卷分為三個(gè)維度：分別是重視度(題3、4、5)、學(xué)習(xí)自信(題6、7、s)和學(xué)習(xí)興趣(題9、10、11、12)。問(wèn)卷采用里克特5點(diǎn)計(jì)分，1表示非常不同意，2表示不同意，3表示一般，4表示同意，5表示非常同意。問(wèn)卷中除第3和第4題為負(fù)向提問(wèn)之外，其余題目為正向提問(wèn)。項(xiàng)目信度系數(shù)檢測(cè)所得的克隆巴赫a系數(shù)為0.686，因?yàn)轫?xiàng)目量少，該結(jié)果在一定程度上還是可以接受的，調(diào)查樣本共計(jì)180名，通過(guò)刪除無(wú)效問(wèn)卷，根據(jù)前后測(cè)匹配原則，最后得到有效問(wèn)卷155份，其中有78名男生，占503％，77名女生，占49.7％。其中學(xué)過(guò)程序設(shè)計(jì)的有25個(gè)，占16.1％，未學(xué)過(guò)的有130個(gè)，占83.9％，可見(jiàn)先前就擁有程序設(shè)計(jì)知識(shí)的學(xué)生還是比較少的。在處理統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)，將第3、第4兩個(gè)反向題重新計(jì)分后，采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)比較了前、后測(cè)在三個(gè)維度上的差異(見(jiàn)表1)：

結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)后測(cè)的學(xué)習(xí)態(tài)度不論是從對(duì)程序設(shè)計(jì)的重視度、學(xué)習(xí)自信還是學(xué)習(xí)興趣上均比前測(cè)高，且差異都達(dá)到了統(tǒng)計(jì)上的顯著水平，表明該程序設(shè)計(jì)教學(xué)在提高學(xué)習(xí)態(tài)度方面非常有效。

2 學(xué)生對(duì)虛擬機(jī)器人教學(xué)使用情況調(diào)查的統(tǒng)計(jì)與分析

調(diào)查以網(wǎng)絡(luò)調(diào)查問(wèn)卷的形式在完成教學(xué)實(shí)驗(yàn)之后實(shí)施，問(wèn)卷的設(shè)計(jì)是參照臺(tái)灣國(guó)立師范大學(xué)曾義智所用調(diào)查量表基礎(chǔ)上修改所得。參與調(diào)查的學(xué)生有180名，有效問(wèn)卷177份，其中89名男生，約占總?cè)藬?shù)50.3％；88名女生，約占總?cè)藬?shù)的49.7％，男女生比例基本協(xié)調(diào)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果時(shí)，依學(xué)生選填的非常同意、同意、一般、不同意、非常不同意，分別給予5、4、3、2、1分，表中的平均值即為學(xué)生該題的平均得分(保留兩位小數(shù))。以下為問(wèn)卷填寫(xiě)情況統(tǒng)計(jì)和分析。

(1)學(xué)生對(duì)VJC虛擬機(jī)器人操作環(huán)境的看法

從表2可知，學(xué)生對(duì)VJC仿真虛擬機(jī)器入操作環(huán)境的滿意度還是較高的(3個(gè)選項(xiàng)的平均值都在3.6以上)，持負(fù)面態(tài)度(非常不同意和不同意)的學(xué)生比率在6％以下。因此，VJC仿真虛擬機(jī)器人的編輯環(huán)境還是比較適合初中生使用的。(2)學(xué)生對(duì)程序設(shè)計(jì)方面學(xué)習(xí)的看法

表3是學(xué)生對(duì)有關(guān)程序設(shè)計(jì)方面學(xué)習(xí)的看法。第4、5、6題的數(shù)據(jù)表明(平均值超過(guò)3.6)，大部分的學(xué)生通過(guò)vJc編程環(huán)境的操作能很好的理解程序設(shè)計(jì)的三種基本結(jié)構(gòu)，并能掌握程序設(shè)計(jì)流程圖的制作；同時(shí)，第7、8題(平均值分別為3.94和3.83)表明，虛擬仿真機(jī)器人程序執(zhí)行的直觀形象有利于學(xué)生程序的設(shè)計(jì)。這驗(yàn)證了虛擬機(jī)器人的編程方式及直觀形象性有利于學(xué)生程序設(shè)計(jì)基本知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握，

(3)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

表4中問(wèn)卷的9－14題是調(diào)查學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，學(xué)生多認(rèn)為在課程中獲得了成就感(第9，平均值4，03)。至于在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)上，由于本次教學(xué)活動(dòng)自由開(kāi)放，充滿新鮮感且好玩，學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)的意愿較強(qiáng)(第10、11、13題，平均值分別為3.81、3.73、3.73)，都表示希望以后在課程中繼續(xù)學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)(第12題，平均值3.71)。可見(jiàn)，本次教學(xué)實(shí)驗(yàn)在一定程序上培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的成就感，并提高了程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)興趣(第14題，平均值3.79)。

(二)教師訪談結(jié)果及分析

筆者對(duì)開(kāi)展虛擬機(jī)器人教學(xué)的若干學(xué)校教師進(jìn)行了訪談，訪談內(nèi)容和結(jié)果分別如下：

1訪談內(nèi)容

①您如何看待虛擬機(jī)器入輔助學(xué)生開(kāi)展程序設(shè)計(jì)教學(xué)?

②您在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中遇到的主要問(wèn)題有哪些?

③根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，請(qǐng)說(shuō)說(shuō)利用虛擬機(jī)器人輔助程序設(shè)計(jì)教學(xué)的意見(jiàn)或建議?

2 訪談結(jié)果

筆者通過(guò)對(duì)帶隊(duì)參加第七屆(2008年)浙江省青少年電腦機(jī)器人競(jìng)賽——虛擬機(jī)器人軌跡滅火賽事的11名帶隊(duì)指導(dǎo)教師以及杭州十四中、杭附中、寧波洪塘中學(xué)、仁和中學(xué)、溫州十四中、十七中等若干開(kāi)展虛擬機(jī)器人教學(xué)學(xué)校的9位任課教師(共計(jì)20名教師)進(jìn)行了虛擬機(jī)器人在初中程序設(shè)計(jì)教學(xué)模塊中應(yīng)用的訪談，結(jié)論如下：在信息技術(shù)課程中利用虛擬機(jī)器人來(lái)開(kāi)展程序設(shè)計(jì)教學(xué)，得到了大部分老師的認(rèn)可。虛擬機(jī)器人的引入降低了程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的難度，使得程序設(shè)計(jì)知識(shí)淺顯易懂，易于掌握。它不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的積極性，也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但部分教師認(rèn)為當(dāng)前的虛擬機(jī)器人還不夠完善，在日常教學(xué)中常出錯(cuò)，不利于課程的順利開(kāi)展，設(shè)計(jì)上也有一定的局限性，不利于發(fā)散思維的發(fā)展和學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的進(jìn)一步提高，希望公司和設(shè)計(jì)者能夠?qū)⑵溥M(jìn)一步完善，以便能更好的投入教學(xué)使用，取得更好的教學(xué)效果。

五 結(jié)論與建議

從整個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及最后的評(píng)價(jià)可以得出：在信息技術(shù)課程中，利用虛擬機(jī)器人仿真軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)教學(xué)或機(jī)器人教育是可行的。它能夠突出程序設(shè)計(jì)在活動(dòng)中的中心位置，使“算法”變得形象直觀，提高學(xué)生對(duì)程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的投入度，有利于提高學(xué)生整體規(guī)劃能力、解決問(wèn)題的能力、連續(xù)運(yùn)用推理的能力、合作溝通能力；同時(shí)，它能起到降低程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)難度，循序漸進(jìn)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)程序設(shè)計(jì)的興趣，也有利于學(xué)生理解程序結(jié)構(gòu)，方便教師教學(xué)。但是，當(dāng)前的虛擬機(jī)器人仿真軟件在功能上還存在著一定的不足，需要不斷改進(jìn)和完善，以最大程度地解決實(shí)體機(jī)器人缺少帶來(lái)的限制，如機(jī)器人提供零部件設(shè)計(jì)接口，提供環(huán)境設(shè)計(jì)的外部接口等。為了能夠廣泛推廣，該產(chǎn)品在價(jià)格上和對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件配置要求上也需做進(jìn)一步的改進(jìn)；此外，如需大規(guī)模的開(kāi)展機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)，單靠仿真軟件難以達(dá)到最理想的效果，機(jī)器人的軟件和硬件都是主要的，所以筆者建議可以考慮采用購(gòu)買(mǎi)少數(shù)設(shè)備，配置仿真軟件，即“虛實(shí)結(jié)合”的方式開(kāi)展教學(xué)，輔以相應(yīng)的實(shí)體或虛擬競(jìng)賽。

編輯 小禾