淺談虛擬機器人的校本課程開發

張迪

摘要：隨著科學技術的發展，特別是人工智能與機器人的結合，機器人不再局限于工業應用和研究所內，它已經進入教育領域，是中小學信息技術課程和綜合實踐課程的創新教育平臺，能為信息技術教育帶來新的活力。本文詳述了虛擬機器人的校本課程開發，及其在中小學教育中產生的影響，并提出了虛擬機器人教育發展的未來展望。

關鍵詞：虛擬機器人；校本課程

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2017）13/14-0161-03

機器人是信息技術發展的前沿領域，是一門具有高度綜合滲透性、前瞻未來性、創新實踐性的學科，蘊涵著極其豐富的教育資源。隨著虛擬技術的不斷完善，虛擬機器人技術逐漸出現在教育教學中，特別是在校本課程的開發中發揮了獨特的優勢與魅力。下面，筆者就談談虛擬機器人技術的校本課程開發。

● 初識虛擬機器人

目前，按價格從高到底能找到的機器人有高端實體機器人、低成本實體機器人和虛擬機器人三種。高端實體機器人的價格相對偏高，低成本實體機器人目前還處于發展初期，各種硬件和軟件都不太成熟。因此，為了更好地普及機器人教育，同時減少學校的支出，我們最終選擇了具有實用價值的機器人教育載體——虛擬機器人。虛擬機器人教學不需要機器人硬件，只是在計算機上設計、搭建、制作機器人編程，所以它降低了學生學習機器人的成本，使其能有更多機會學習機器人，受益于機器人教育。

● 虛擬機器人教育走進基礎教育的形式

目前，虛擬機器人教育進入中小學的主要形式是競賽活動。學生能通過競賽培養綜合能力。縱觀各地中小學機器人教育的方式，大致可以分為如下幾種：

一是通過學校、少年宮、少科站等單位吸收機器人愛好者，組成虛擬機器人小組，代表地區參加各類競賽活動。這種形式是虛擬機器人進入中小學教育視野最多也最有效的方法。

二是把虛擬機器人技術學習放入綜合實踐活動課中普及。

三是把虛擬機器人作為信息技術課的內容之一寫入中小學信息技術教育課程，這種形式正在形成期，教材的編寫、課程的常規性開設正在起步。

四是虛擬機器人教育作為研究性課程的形式進入中小學，這種形式的推廣會更有利于培養學生的創新能力。

● 扎實有效地開展學習虛擬機器人校本課程

虛擬機器人教學是一門新興的課程，它的主要任務是培養學生對機器人的興趣，使他們了解和掌握機器人的基本知識和技能，了解技術的發展及其應用對人類生活和科學的深刻影響。虛擬機器人課程屬于綜合實踐活動課范疇，如何組織和開展好課堂教學，需要把握以下幾點。

1.培養學生的主體性

在編程調試的過程中，讓每位學生都參與編程和調試活動，重視學生的主體參與、自我探究、自我發現，注重對學生學習經驗的培養，注重學生體驗、感悟和實踐的過程，注重學生個性的健康發展，以及創新精神、實踐能力、探索能力、研究性學習能力的培養。

2.發揮教師的主導性

在機器人課堂教學活動中，由于課程本身的難度大、靈活性高，所以教師的主導作用是非常重要的。如何把復雜的問題講得通俗易懂，把理論指導變成程序設計，最后引導學生把自己的所得通過實踐展示出來，這需要教師做充分的課前準備和大量的實踐嘗試。

3.培養團隊精神，注重小組合作

在機器人課程的學習過程中，學生的動手能力、編程能力等個體差異比較大，所以在教學中既要兼顧學習好的學生，讓其能更深入地開展學習，又要帶動學習有困難的學生。一般可以將學生分成若干個小組，組建相對固定的學習團隊來開展學習和研究。

4.使用靈活多樣的教學方法

在課堂教學中應根據不同的教學內容和需要，靈活選用講授、項目引導、直觀演示、小組討論等多種方法，避免讓學生在某種固定模式下產生學習疲勞。

5.完善課堂評價方式，讓學生體驗成功的樂趣

在課堂教學過程中，要多方位、多角度地看待每一位學生的學習，少注重結果，多注重學生自主學習、自主探究的過程。教師對學生的每一點進步、每一點成功都及時給予表揚和鼓勵，隨時讓他們在學習的過程中感受著成功的喜悅。這種愉悅的心情也會更加促使他們自主、自愿地投入到學習、探究中。

6.借力IRobotQ3D，打造校本課程

自從接觸了IRobotQ3D軟件以后，校本課程開發之夢逐漸成為現實。IRobotQ3D軟件不僅能提供非常豐富、逼真的場景，還能提供更多的機器人組件，更能基于網絡的互動模式進行設計。作為教師，不僅可以通過IRobotQ3D軟件讓學生感受各種機器人組件，使其有更豐富的體驗，還可以自己設置場景，讓學生以個人或小組為單位完成個性化的練習、比賽任務，這樣，學生就有了更大的發揮、創造空間和平臺。同時，虛擬機器人的校本課程開發還可以延伸到學生的家庭及假期生活，無論學生在哪個地方，只要能上網，他就能登錄服務器，參與到活動中來。

● 虛擬機器人技術在中小學教育中產生的影響

虛擬機器人是進行信息技術教育的有效載體，機器人教育旨在培養學生的創新精神和綜合實踐能力。隨著我國基礎教育信息化的發展，機器人教育正越來越被人們所關注。近幾年，許多中小學都開始利用機器人教育來促進信息技術教育，培養學生的動手能力。機器人逐漸成為青少年能力、素質培養的智能平臺。

1.促進教育方式的變革

在機器人教育中，課堂以學生為中心，教師作為指導者提供學習材料和建議。學生必須自己去學習知識，構建知識體系，提出解決方案，從而有效培養了動手能力、創新思維能力。

2.有效激發學習興趣、動機

“寓教于樂”是我們教育追求的目標，也是教育游戲成為當前研究熱點的一個原因，所以學習興趣是學生學習成功的重要因素。機器人教育可以通過比賽的形式，來激發學生學習機器人的興趣，使其得到周圍環境的認可和贊賞，進而激發他們的斗志和拼博精神。

3.擴大知識面，轉換思維方式，培養空間思維能力與大局意識

在對機器人的學習過程中，學生通過對搭建機器人過程中的實際問題的解決，可以學到模擬電路、力學等方面知識，這不但促進了物理學科、計算機學科等教學，還擴大、加深了學生的科學知識；通過為機器人編寫程序，學生不但學到了計算機編程語言、算法等顯性知識，還學到了科學而高效的思維方式，邏輯判斷思維、系統思維等隱性知識。借助虛擬機器人完成夢想的過程，必將經歷提出問題、分析問題、解決問題的過程，而這個過程中，學生會不斷地反思自己的工作，一次次提升自己觀察、思考問題的角度和高度。機器人的搭建不僅是對學生空間思維能力的訓練，更是對學生的大局觀和綜合分析問題能力的訓練。

4.培養學生的團隊協作能力

機器人教育大多以小組形式開始，機器人的學習、競賽實際上是一個團體學習的過程。它需要學習者團結協作，包容小組其他成員的缺點和不足，能夠與他人進行有效的溝通與交流。學習者在實踐鍛煉中提高自己的團隊協作能力，這種方式比普通的教育方式、方法更加有效。

5.培養學生的創新能力

創新已經成為社會進步的原動力，而虛擬機器人技術具有科技含量高、創新性強的特點。在虛擬機器人校本課程開發的過程中，學生可以根據自己的想法，隨意動手完成機器人的拼裝工作。在學生將自己心中的機器人變為現實的過程中，教師應鼓勵學生勇于探索，應使用與眾不同的方法、思路，全力支持學生有創意的想法或做法，這樣能鍛煉學生的創新能力，培養和激發他們的創新精神，提高他們的綜合素質。

6.培養學生的應變能力

由于虛擬機器人的運行會受場景、時間等因素的影響，所以制作機器人時要考慮很多因素。例如，在虛擬機器人（足球、滅火燈）的制作環節，競賽要求選手根據實際情況，不斷搭建、編程、調試，完成規定的競賽項目，具備應變能力和處理突發事件的能力，這就要求教師在平時訓練中要注重培養學生的應變能力。

7.培養學生嚴謹的學習習慣與邏輯思維能力

從機器人的搭建，到讓機器人完成既定任務，是一個漫長的過程。要讓設計的機器人完成任務，程序必不可少，而設計者的想法與策略是否合理，機器人的行動就是最好的檢驗。在程序的編寫過程中，即使是最微小的語法錯誤，也會影響到機器人的正常運轉，所以完成程序的編寫及調試的過程，是對學生邏輯思維能力及嚴謹的學習習慣進行訓練的最佳機會。經過編程洗禮的學生，在學習及日后的工作、生活中必將擁有更嚴謹的學習思維習慣。

● 虛擬機器人教育發展未來展望

虛擬機器人教育有如下一些特點：①在設計和搭建虛擬機器人的過程中，不僅要動腦，更重要的是要動手。②在控制機器人實現各項任務的過程中，不僅要運用物理學中的力學、聲學、光學、電磁學、運動學等基礎知識，而且還要運用機械學中的齒輪傳動、帶條傳動、連桿傳動等聯動原理知識。③在操作機器人完成工作的過程中，要運用電腦編程知識。④對已經搭建好、能夠正常工作的機器人的形體進行審美選擇，既保持個性形體，也要運用美學方面的知識。⑤比賽過程中的團隊合作，要求參賽隊員之間的相互合作、隊與隊之間的友誼合作等，要運用社會公德和約定俗成的文化知識。因此，虛擬機器人教育必將受到青少年學生、家長、教育機構以及當今社會的歡迎。由于我國的虛擬機器人教育才剛剛起步，所以筆者希望它能得到社會各界有識之士的支持和關注，特別是希望有識的教育決策者、教育領導者和教育工作者能夠抓住這一教育改革創新的先機，推進我國素質教育的可操作性實踐發展，將信息技術教育推進到一個新的高度。

目前，中小學虛擬機器人教育活動已從原來僅限于在科技站、少年宮里進行，發展到學校，走進了課堂。虛擬機器人大賽能讓中小學生較早地接觸到科技新知識，從而接受動手、動腦等方面能力的訓練。相信隨著中小學虛擬機器人教育實踐的不斷開展，機器人教育條件的不斷成熟，我國的中小學虛擬機器人教育必將迎來一個快速發展期。