虛擬與現實相融，思維與創造同升

郭巍丹

隨著小學信息技術課程的深入發展，課程的本體價值、核心要素等越來越受關注。近年來，小學信息課程開始引入機器人項目和簡單的程序設計內容。趣味編程和機器人項目開始從單純的競賽項目走向社團活動、走進教材、走進課堂教學，硬件設施的配備也開始陸續跟進。小學信息技術教育的新時代已經來臨，作為年輕的信息技術教師，我們應與時俱進，帶領學生一起探索機器人的奧秘，走進程序設計，體驗信息技術課的別樣風景。

● S+W式機器人校本項目的產生

1.傳統機器人項目中的編程偏難

筆者所在學校于2009年建立了機器人實驗室，在骨干教師的引領下，學校將機器人項目引入了社團活動和課堂教學。筆者在實踐中發現，機器人項目的實施一般都要經歷“搭建結構—編寫程序—運行調試”的過程，其中的編寫程序是其核心內容之一。但以往機器人項目中配套的編程軟件，其界面與模塊的設計不太符合小學生的認知特點，尤其是程序中所涉及的變量累加、隨機數等，都超出了小學生的認知水平和心理特點。因此，小學生對搭建機器人有著濃厚的興趣，但對編寫程序卻望而生畏。

2.純Scratch編程缺乏現實體驗

Scratch作為一款專為8歲以上兒童設計的圖形化開源編程軟件，很好地解決了小學生學習程序設計時的很多問題。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還是停留在虛擬環境中，缺少了搭建模型的過程，也就缺失了實物帶給學生的真實體驗。因此，筆者針對Scratch編程與實體機器人有機結合這一問題進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器人學習有機融合，從虛擬走向現實，讓學生在機器人項目活動中既能動手搭建結構又能發展程序思維呢？秉持“玩中學”的理念，筆者嘗試將Scratch與WeDo趣味編程有機融合，探索出S+W式機器人校本項目。WeDo是一款簡單入門的樂高機器人套裝，它只需要學生具備機械搭建的基礎即可。S+W式機器人項目利用Scratch提升學生編程能力，利用WeDo鍛煉學生的搭建能力。此外，無論是搭建實物還是編寫程序，這二者都是“積木化”的形式，學生在“玩積木”的過程中激發創造性思維，提高邏輯思維，培養團隊合作精神，提高解決問題的能力。S+W式機器人項目的基本思路如下：①S（Scratch）：在Scratch環境中，學生學習使用各種積木化的程序指令，在虛擬仿真環境中編寫程序，完成指定的任務，幫助學生理清任務的邏輯結構，為進一步控制實體簡易機器人做準備。②W：利用樂高Wedo積木式部件，設計并搭建能夠完成一定任務的實體機器人，掌握實體機器人的組裝原理與搭建方法。③S+W（Scratch+WeDo）：在Scratch環境中編寫程序指令產生的虛擬效果，通過傳感器與自己搭建好的實體機器人相連，控制機器人的運動，從虛擬向走現實，感受“神”（程序）與“形”（結構）的結合，并且相輔相成、互相影響，讓學生體驗程序設計奇妙的效果和機器人世界的無限創意。

● S+W式機器人校本項目的設計

S+W式機器人校本項目既不能脫離實體機器人項目的動手搭建，也不能忽視編寫程序、調試優化等算法思維，應堅持“虛實結合、虛實互補”的原則來設計項目，其基本思路是：學生利用WeDo機器人套裝設計搭建模型，利用Scratch編寫程序控制機器人完成指定任務，實現各種功能。

因此，筆者結合所在學校的實際情況和學生狀況，設計了S+W式機器人校本項目的四種操作形式，并在教學中進行了實踐，深受學生的喜愛。

1.S→W：搭建實體對象，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體簡易機器人運動。使用這種形式學習，學生要會使用Scratch中的一般指令，更要學會控制外接設備如馬達的程序指令的使用。學生能通過對Scratch中角色的操作，利用WeDo控制器控制機器人運動，體驗智能遙控的樂趣。

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

【功能】此遙控器中數字1～8代表了從小到大的8種功率；向左的按鈕能控制實體風扇減速運動，向右的按鈕能控制實體風扇加速運動；停止按鈕使實體風扇停止。

【程序設計】遙控器上所有按鈕都作為獨立的角色進行程序設計，單擊數字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。

實體風扇要旋轉起來還需要打開馬達，讓馬達按一定的能量進行運動，主要程序如圖4所示。

2.S→S+W拓展程序運用，實現多點變化

這種形式就是用Scratch舞臺中某一個角色控制其他角色和現實中實體機器人同時運動。在設計中，受控制的對象除了實體機器人外，還要在舞臺中有一個或多個虛擬角色，可以實現由一點來觸發多點同步發生變化。

【任務】用WeDo搭建一個簡易的實體風扇，能利用Scratch舞臺中的遙控器控制實體風扇和舞臺中的虛擬風扇同時運動。

【功能】遙控器中數字1～8代表了從小到大的8種功率，向左的按鈕能控制實體風扇和虛擬風扇同時減速；向右的按鈕能控制實體和虛擬風扇同時加速運動；停止按鈕使實體、虛擬風扇同時停止。

【程序設計】由于變量“馬達速度”的值不便于直接作為虛擬風扇的旋轉角度，所以將馬達速度除以一個值來得到適宜的角度讀數。結合驅動馬達的程序，優化后的指令如上頁圖5所示。

3.W→S：應用傳感信息，體驗人機互動

這種形式是利用WeDo的傳感器來控制Scratch舞臺中角色的運動。在創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，讓學生感覺到自己在控制計算機中角色的變換，體驗到人機互動的樂趣。

【任務】用WeDo的距離傳感器控制Scratch舞臺中風扇的運動。

【功能】當物體越接近距離傳感器，Scratch舞臺中風扇轉動加速；當物體離距離傳感器越遠，Scratch舞臺中風扇轉動減速，直至停止。

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

4.W→S+W：優化程序設計，促進虛實相生

這種形式是利用WeDo傳感器控制實體機器人和Scratch舞臺中某些角色同時運動。通過融合虛實的創作，學生能讓虛擬與現實中的對象都按自己的意志進行運動。在這個過程中，學生不僅體驗到人機互動的愉悅，還能體驗虛擬與現實的交互感，激發學生投入到更發散的思維創意設計之中。

【任務】用WeDo搭建一個風扇，利用距離傳感器控制實體風扇和舞臺中的虛擬風扇同時運動。

【功能】當物體越接近距離傳感器，實體風扇和舞臺中的虛擬風扇同時轉動加速；當物體離距離傳感器越遠，實體風扇和舞臺中的虛擬風扇同時轉動減速，直至停止。

【程序設計】將前面的虛擬風扇和實體風扇的程序進行優化后，程序指令如圖7所示。

● S+W式機器人校本項目的實施

筆者通過不斷的實踐探索與反思改進，初步構建了上述四種比較適合小學生學習的S+W式機器人學習項目形式。在實際教學中，教師可根據學生情況、項目內容和情境任務來選擇其中的一種或兩種來組合實施，而非對一個任務情境使用所有的形式。

基于S+W式機器人校本項目設計的《自動蹺蹺板》一課，筆者選擇了以S→S+W為主，S→W為輔的兩種形式結合使用來實施教學。

學習目標：認識傾斜傳感器、馬達、齒輪、滑輪等WeDo零件，掌握WeDo控制器、傳感器與計算機的連接方法。掌握Scratch中循環結構、分支結構、變量的運用，能夠編寫程序控制WeDo的控制器；體驗S+W式機器人項目學習的樂趣，激發創造力。

情境任務：小朋友都玩過蹺蹺板吧！如果想讓蹺蹺板的兩端一直平穩地上下運動，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來設計一款自動蹺蹺板，用控制器來控制蹺蹺板的運動方向。

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

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

實施方式：教師提供相關資料、任務單和微課，四位學生組成學習小組，自主選擇學習方式。學生或根據任務單探究，或看微課了解知識，也可以根據資料搭建模型、編寫程序、調試運行。教師走進各小組進行個別化指導，組織學生交流分享，完成的小組可以繼續探索其他控制蹺蹺板運動的方法。如上頁圖8～圖10所呈現的就是一個小組在“自動蹺蹺板”S+W項目中的學習成果。

● S+W式機器人校本項目的價值

S+W式機器人校本項目為培養學生的多方面能力開辟了一個新型的學習內容與學習環境，學生在參與項目學習過程中，提高了自主學習、模型搭建、邏輯思維、合作交流等多方面能力，激發了學習興趣和探索精神。

1.由實悟虛，喚起發現思維

學生可以把在實際生活中觀察到的各種有趣現象、實際問題用數字作品表達出來，不斷地拓展思維。另一方面，在任務情境中若以口頭或虛擬的形式展示任務，學生對任務的理解就可能有所欠缺，而通過觀看實體機器人的運動展示，能更好地理解任務，把握要點。

2.由虛到實，引發邏輯思維

在機器人項目的任務分析過程中，需要探究如何把虛擬與現實中每個對象的動作、事件進行分割，梳理出各個對象之間的邏輯關系。以往學生經常會顧此失彼、思維混亂，現在由虛到實層層遞進，很自然地解決了邏輯不清的問題。例如，在設計風扇時，學生先在Scratch中編寫程序實現用遙控器控制虛擬風扇運轉，理解了虛擬風扇要用變量來控制旋轉角度后，再將此理解遷移到實體風扇需要用變量來控制馬達的能量值，則很順利地實現了控制虛擬和現實風扇同步運轉。

3.虛實結合，激發創意思維

S+W式機器人校本項目中由于提供了虛擬與現實多維度的對象，學生可以在更大程度上發揮創造力。虛擬中的多樣角色和現實中的靈巧拼搭被學生用于嘗試新的想法，實現新的作品，學習變得更有意義。例如，在教學《神奇的風扇》時，有位學生完成任務后，將程序設計變換成為可切換的兩種模式（如圖11）。先設計了一個角色用于控制“自動”和“手動”，再將該角色設置為兩個造型“Sensor”和“Manual”并作為判斷條件（如圖12），選擇是用遙控器控制風扇運動，還是用距離傳感器控制風扇的運動，創意無極限。

4.虛實互補，發展計算思維

學生通過對任務的分析與規劃，梳理虛擬與現實對象之間的邏輯關系，再通過模型的搭建、程序的編寫與調試，逐步實現了從具體形象思維向抽象邏輯思維的發展，像科學家一樣邊探究邊實踐，逐步形成用計算機解決問題的思維習慣。例如，如何實現同時用距離傳感器的值控制實體風扇和虛擬風扇的運轉？這就要先解決如何將距離傳感器的值轉換為實體風扇的馬達能量和虛擬風扇的旋轉角度，也就是一個變量要通過計算公式滿足不同對象的應用，這比單獨針對虛擬或現實中的一個對象編程難度要大一些。

● S+W式機器人校本項目的感悟

Scratch與WeDo的融合，可以讓學生快速地學會編程，喜歡編程，能夠了解傳感器的用法，了解機器人的工作原理。筆者深深體會到，在S+W式機器人校本項目的設計與實施過程中，要注意以下幾個方面。首先，要充分了解學生的年齡特點和興趣愛好。從學生熟悉的事件、益智的游戲、親身的經歷出發，力求做到學以致用，讓學生在玩中學，在學中悟。其次，要讓學生充分參與到項目活動中。教師提供充足的探究時間，放手讓學生自己去發現、思考、交流、創作。例如，在“自動蹺蹺板”項目中，蹺蹺板與動力馬達之間的減速問題。這個問題若直接由教師演示，學生可能當時懂了，但在應用時，可能就會出現問題。而學生自主進行探究，在發現齒輪的個數與速度之間的關系，明白減速、加速原理后，則在處理任何齒輪相關問題時，都能迅速解決。最后，要提供充分的展示空間。學生的創造力需要展示交流，應不斷地激發他們的成就感，推動他們進一步探究學習的熱情。

S+W式機器人校本項目實現了機器人虛擬與現實的相互融合，實現了學生的思維與創造的同步提升。在參與項目學習的過程中，學生養成了獨立思考、相互交流、團結合作、勇于探究等良好的學習習慣，他們習慣于自主地修改程序、改進模型，探索不同的解決方案，像科學家一樣思考問題、實踐驗證、探索新知。學生們在該項目學習中所表現出來的快樂體驗與無限潛力，也激勵著筆者在機器人項目上不斷研究與實踐。