初中虛擬機器人社團項目合作學習范式研究

摘 要：機器人的發明、研究及應用實踐是以科學研究和社會生產為需求的，進入教育是其領域的擴大與發展。我國開展機器人教育雖已有十多年時間，但總體來說還處于起步階段。如何在條件、資源、教育環境受限的情況下，使機器人教育走進中小學教育并體現其潛在的教育價值？利用虛擬機器人開展機器人教學活動，對實物機器人進行仿真，既可以降低成本又可以提高效率，不失為一條新的思路。隨著虛擬技術的發展和信息技術教育課程與教材改革的深入，通過實踐發現將虛擬機器人引入中小學校的信息技術教學是切實可行之路。它不僅可以提高學生學習信息技術的興趣和動機，豐富學生課余生活，而且可以讓學生學到一些機器人知識，也可以在一定程度上解決實物機器人教育存在的一些問題。擬就學校開設虛擬機器人社團對學生的影響作一次嘗試性探討。通過文獻研究、實踐研究和比較研究來說明虛擬機器人在中學教學中的教學模式，希望能對中學開展虛擬機器人教學提供一些參考和借鑒，以期推動中小學機器人教育。

關鍵詞：機器人教育；虛擬機器人；社團；合作學習；研究

一、機器人發展現狀

1.機器人教育的價值及影響

機器人教育的核心基礎是人工智能技術在教育領域以人性化、智能化的形式加以利用。由于人工智能技術是信息技術發展的一次重大飛躍，因此信息技術教育必將走向機器人教育。我國頒布的義務教育階段信息技術課程標準和《國家九年義務教育課程綜合實踐活動指導綱要》中，機器人設計和制作被列入信息技術課程選修內容。由此可見，機器人教育已經納入了中小學信息技術教育內容中。此外，全國各地的機器人比賽蓬勃開展，比賽內容不斷完善，參加的人數不斷增多，規模不斷擴大，影響力也在逐步提高。從技術的綜合性、先進性、自主體驗和興趣激發等方面學生都能有極大的收獲進而實現極大的教育價值。

2.虛擬技術的發展及在教育領域的應用

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR，又譯作靈境、幻真）是近年來出現的高新技術，也稱靈境技術或人工環境。虛擬現實是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般。

目前，虛擬技術在大眾教育、軍事、醫學、航空，旅游等各行業得到了廣泛的應用，利用虛擬技術可以建立各種虛擬實驗室，虛擬環境。隨著虛擬技術逐漸成熟，虛擬技術逐漸普及化，大眾化。虛擬技術以其強大的交互性、隨意性、安全性等人性化特性，必將對教育領域產生深遠的影響。虛擬機器人作為虛擬領域的一部分也得到了快速發展。

3.實物機器人存在的問題

各國的機器人競賽開展得如火如荼，機器人的教育價值也逐漸得到認可。雖然我國開展機器人教育已經有十多年，但進展緩慢，仍游離于基礎教育教學之外，通過分析可發現其主要原因是經費問題，學校沒有財力購買大量的實物機器人用于教學。雖然有學校購買了實物機器人，但數量有限，只是用于參加比賽的學生。實物機器人的價格、后期的升級、維護、場地、工作環境等都制約著實物機器人進入學校教學。

二、開設虛擬機器人社團的原因

1.概念界定

虛擬機器人是近年來得到人們重視的一類新興機器人教育載體，英文簡稱為“Virtual Robot”。目前，還沒有一個統一的定義。根據互聯網上的描述和Michael Somby對機器人軟件開發平臺的界定，就相當于虛擬機器人平臺。所謂的“機器人軟件開發平臺”指的是用來給多種機器人開發程序的軟件包，一般包括下列內容（1）統一的編程環境；（2）統一的編譯執行環境；（3）可重用的組建庫；（4）完備的調試仿真環境；（5）對多種機器人硬件設備的“驅動”程序支持；（6）通用的常用功能控制組件。

2.實物機器人現狀

機器人技術融合了機械原理、電子傳感器、計算機軟硬件及人工智能等眾多先進技術，為學生能力、素質的培養承載著新的使命。機器人教育在教學中體現了以下幾個方面的作用：

（1）讓學生了解機器人的發展和應用現狀，理解機器人的概念和工作方式。

（2）讓學生了解機器人各個傳感器的功能，學習編寫簡單的機器人控制程序，提高學生分析問題和解決問題的能力。

（3）通過機器人競賽和完成各項任務，使學生在搭建機器人和編制程序的過程中培養動手能力、協作能力和創造能力，有目的地培養學生的科學素養。

（4）迎接機器人時代的到來。機器人的廣泛應用將極大促進社會生產力的發展與產業結構的調整。開展機器人教育，有助于使我們在機器人時代走向世界前列。

實物機器人已經成為呼聲很高的創新教育平臺，并且正在走向基礎教育。機器人教育在國內尚處在起步階段，把實物機器人作為課程，在現階段遇到了諸多方面的制約：

（1）實物機器人產品缺乏規范性。國內外機器人制造商開發的實物機器人品牌十分繁雜，且自成體系，互不兼容，開放度較低。

（2）實物機器人價格高，場地有嚴格要求，而學校資金嚴重缺乏，也沒有相應的場地作為實物機器人的教學場地，配套組件及設施不夠，給普及增加了難度。

（3）機器人教學所使用的“教材”質量不高，大多屬于“產品說明”或“用戶指南”等，缺少課程與教學專家的參與和指導，每個學校要獨立開發各自的校本教材，難度較高。

（4）師資隊伍的良莠不齊。

3.虛擬機器人在線仿真平臺

iRobotQ 3D機器人在線仿真平臺的出現，解決了學校開展機器人教學的一個最重要問題，即資金和場地問題。iRobotQ 3D機器人在線仿真平臺是全球首款基于網絡互動模式設計，以強大物理引擎作為技術支撐，以機器人為載體的科技創新平臺。它對資金、環境的要求不高，只要有網絡的地方都可以使用。平臺通過先進的3D虛擬技術對機器人應用的各個環節進行高度的3D模擬，實物機器人所擁有的功能都可以在該平臺實現。

國外機器人教學實驗證明，機器人競賽不僅活動主題有趣，

更重要的是其問題解決方案是開放性的，學生可以用不同的方法完成同一個目標，虛擬機器人擁有實物機器人的絕大部分功能，而且擁有實物機器人所不具備的零件永不磨損的優勢，因而虛擬機器人教學活動能激發學生充分發揮想象力、創造力，有利于培養學生的開放性思維。在機器人教學中，學生主要是通過動手實踐獲取知識。他們就像真正的工程師一樣，針對項目主題進行研究、策劃、設計、組裝和測試。他們以小組為單位，使用積木、傳感器、馬達等組件設計自己的機器人，并為機器人編寫程序，讓它完成自己想讓它做的事情。學生通過主動探索、動手實踐，親身體驗了抽象的理論知識如何變成了觸手可及的答案，享受成功的興奮。在活動中，學生不僅可以學到有關機械、電子、計算機等技術知識，還可以培養多方面的能力和素養，如與人溝通合作的能力，合理利用時間的能力，毅力與自信心的樹立等。

三、虛擬機器人社團項目合作學習范式

新一輪課程改革的重點之一，就是要讓學生的學習產生實質性的變化，逐漸改變以教師為中心、課堂為中心和以書本為中心的局面，促進學生創新意識和實踐能力的發展。小組合作學習成為當代深受關注和歡迎的教學理論與策略，它能有效培養學生的自主創新能力，適應國家培養創新人才。

本人在虛擬機器人教學實踐中進行了一些小組合作學習的探索，下面從小組合作學習來談談自己的認識。

所謂小組合作學習是以班級授課為前導結構，以小組活動為基本教學形式，系統利用教學動態因素之間的互動來促進學習，共同達成教學目標的活動。

在小組合作學習的過程中逐步培養學生的自主創新能力。具體表現在以下幾個階段中。

1.明確目標：為培養自主創新能力做好鋪墊

由于學生各具不同的性格、知識、思想，所以他們會以各自不同的表達方式去處理各種不同種類的信息。因此，教學過程中，教師首先要了解學生通過什么途徑可以學得更快、更好，再決定如何利用學生優勢帶動發展其他有待發展的潛能。因此，教師需采用多元途徑進行個性化的教育。除個別化教學外，教師還應組合不同性格類型和水平的學生進行小組活動，利用他們互補的潛能，通過多元虛擬的教育途徑進行合作學習。

我的虛擬機器人社團總共20位學生，在教師的指導下，以小組合作的形式，把學生分成5個小組。每個小組由4名不同能力、性別、性格、文化背景的學生組成。在合作學習之前，師生從心理、思想、內容等方面都要有明確的目標，為激發學生的自主創新意識和熱情鋪平道路。

教師要為學生培養自主創新能力鋪路搭橋。一方面給學生提出合作學習中培養自主創新能力的明確要求。即學習的內容和目標是什么，怎樣完成任務，評價的標準是什么；另一方面，通過設計具有挑戰性的問題，激發學生學習的積極性，啟發學生運用已有知識和經驗解決問題，促進學習的遷移、自主創新能力的培養。

例如，我在社團課中給學生制訂了關于“汽車總動員”項目學習的相關內容（如下表）。

項目學習計劃表

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項目學習評價量規

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項目活動記錄表

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項目評價表

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學生根據教師制訂的項目學習計劃，每個小組再制訂自己小組的項目實施計劃，并把項目進行分解，分配給小組的每位同學。

2.合作探究：培養自主創新能力的重要環節

每個小組成員明確了學習任務之后，根據分工進入合作探究階段，由于虛擬機器人是對現實的一個仿真，學生在進行機器人的搭建和編程過程中就要充分考慮到馬達的性能、車輪的摩擦系數、軸距對車子的影響、速度的快慢等各種物理因素，促使學生要靈活運用科學知識及生活常識。每個學生知識掌握不同，生活經歷不同，對項目實施過程中的理解也不同，這樣，每個學生就會根據自己的理解進行互相交流、討論，甚至爭辯，在這一過程中，教師進行適當的引導，小組成員間經過多次的磨合，逐漸形成小組的學習成果。在討論過程中，讓學有余力的學生充分發揮自己的潛能，并帶動學習有一定困難的學生多思考、多發言，保證他們達到基本要求；同時，教師要在巡視時，針對學習過程中出現的各種問題及時指導，幫助學生提高分析問題的技巧與能力。這一合作過程，既是類似科學研究的體驗過程，更是提升學生自主創新能力的過程。

例如，在“汽車總動員”這個項目任務中，在實施汽車的搭建這個小任務時，我給學生以下提示和問題，讓學生根據這些問題去尋找合理的答案。

（1）整條道路由普通道路路面、能量補充站路面、快速過彎路面、飛車路面，這些路面的顏色值都不相同，如何讓汽車知道行駛在什么路面上（使用什么傳感器來判斷）？

（2）道路兩邊都有柵欄，能否在汽車行駛過程中合理利用這些柵欄？如果能利用柵欄，那應該使用什么傳感器？

（3）道路上有得分物，怎樣讓汽車判斷得分物在哪（應該使用什么傳感器）？

（4）汽車使用什么樣的馬達和輪子比較好？

我把上述幾個問題交給各小組長，由各小組長再具體分解，分配到每個組員，學生依據一些有待研究的問題，自己去思考，自己去體驗。在合作中，學生有了探索與創造的機會，學生的學習活動更具有自覺、能動、創新的特征，學生在合作學習、解決問題的過程中，學習按照一定規則開展討論，明確表達自己的觀點，與他人進行交流，學會傾聽別人的想法，修正自己的觀點，激發新的靈感，在共同參與中，主動地獲取知識、應用知識、解決問題。通過與同伴共同努力來整理資料、分析處理和尋求問題的答案或結論，最終形成小組的汽車搭建方案。

3.成果交流：培養自主創新能力的收獲階段

合作學習后，由小組長代表全組學生對自己小組的汽車搭建方案進行展示，并對選用的部件進行詳細介紹，即為什么要選用這些裝置，這些裝置的作用。展示完畢，由其他各組成員對其進行點評，并對該組進行評分。同時，組內每個成員對自己的表現進行自我評分，并對小組其他成員進行評分。最后，教師對各組進行評價，指出各組的優勢和不足之處供學生參考。

虛擬機器人本身就提供了給學生的充分想象空間，再加以使用小組合作學習，充分調動了學生學習的主動性、創意性，學會與他人進行交流，學會傾聽別人的想法，修正自己的觀點，激發出新的靈感。合作中的傾聽、分享、交流、互助與反思，擴展了生生之間、師生之間的溝通網絡，從而在教學中構建了立體動態的溝通途徑。成果交流中學生之間會有比較鑒別，會互相取長補短、優勢互補，提高了學生的自評和他評能力，促進學生進一步動手探索機器人奧秘的能力。拓展了學生個性化思維，鍛煉了學生的多向思維能力與創新精神，也展示了學生的創新能力，滿足學生對歸屬感和自尊感的需要。

通過半年來的實踐，根據調查，發現學生對信息技術的愛好有明顯的提高，這些社團的成員玩電腦游戲的少了，利用課余時間進行開發虛擬機器發的學生多了，原先家長是不允許孩子在家使用電腦的，現在多數家長已經同意學生玩虛擬機器人2個小

時。在小組合作學習的實踐過程中使學生受益匪淺，每個學生在學習過程中都多了一份責任與自信，虛擬機器人強大的便利性和對學生的創造要求，使學生學習后創新能力有所提高。

參考文獻：

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（作者單位 浙江省杭州市袁浦中學）

編輯 司 楠