基于3D仿真平臺的初中機器人教學設計

趙義純

摘 要：本文采用實踐教學法，以社團課程“金字塔之勇敢前進機器人”為例，利用3D仿真平臺進行了教學設計，構建出初中機器人課程的教學環境，并在機器人課堂教學實踐的基礎上，進行了系統的評價。在教學過程中，始終以具體的任務為主體，充分激發學生的學習積極性和學習興趣。這為其他教師利用3D仿真平臺進行初中機器人課程的教學提供了參考。

關鍵詞：3D仿真平臺;機器人教育;教學設計

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：2096-0069（2018）05-0071-07

21世紀以來，智能機器人技術發展日益加快，其核心技術水平逐漸成為科技發展的重要指標。培養具備機器人技術的高素質人才，需要從基礎教育階段抓起，而提高學生對機器人研究現狀的認識及加強其對相關技術與知識的掌握尤為重要。

一、國內外機器人研究綜述

（一）機器人教育理論探討

艾米·江口（Amy Eguchi）提出機器人青少年世界杯（RoboCupJunior）能夠促進STEM教育[1]。德米特里·巴茲萊夫（Dmitry Bazylev）等人介紹了機器人比賽有助于培養學生對控制理論與計算機科學的興趣[2]。王益以STS（科學、技術與社會）理念為基礎，探討如何將STS理念融入到中小學機器人教育中[3]。趙加興等人闡述合作學習理論在機器人教學中的應用，并從教室布置方案、優質二人分組方式、“任務輪換—組內互教”三方面進行具體闡述[4]。李立玉等人闡述了任務驅動教學法在中小學機器人教學中的應用，并提出該方法能培養學生團結協作與積極探索精神[5]。

（二）機器人教育的課程研究

林內特（J. Linert）等人進行機器人課程教學，根據教學成果提出“成本導向的自動化課程”[6]。赤田澤·愛克（Tetsuya Akagi）等人將機器人競賽作為學生學習課程的一部分，并確認教學效果[7]?，旣惸取.貝斯（Marina Umaschi Bers）等人通過建構基于機器人的課程，發現幼兒園的孩子能夠學習計算機編程知識[8]。張新對中學校本課程建設進行研究，對機器人教育的價值和發展前景進行闡述[9]。張振堂圍繞機器人校本課程的課程性質、任務、特點及教學目標、內容等方面進行介紹[10]。孫媛媛闡述了中小學機器人課程的設計與開發理論，并對機器人課程的指導綱要進行概述[11]。

（三）機器人教育的技術與工具研究

沙維爾·蒂羅（Xavier Tillou）等人運用機器人手術模擬器對醫生進行手術培訓并評估訓練效果[12]。馬丁·卡爾（Martin Kalúz）等人提出能模擬交通情況并提出控制方案的教育機器人，并以實際案例證明該機器人模擬器的巨大價值[13]。張祺等人通過研究機器人足球比賽，提出直觀有效的比賽決策程序方法，降低了少年兒童參加機器人足球賽的限制[14]。趙姝穎等人分析了國內外機器人比賽，探究比賽中傳感器信息融合、機器人決策系統和運動控制等技術[15]。李龍探究教育機器人的物理仿真系統，設計出機器人搭建模塊、圖形化編程模塊和機器人仿真模塊，并將這些設計變成現實[16]。

（四）機器人教育的教學設計研究

蒂莫·奧克森（Timo Oksanen）等人提出機器人比賽的教學目標[17]。迪利克·卡拉霍卡（Dilek

Karahoca）等人在課程研究中得出，在機器人課程中，學生的學習能力和解決問題的能力得到提高[18]。李鳴華針對中小學的機器人教育課程進行教學設計探究，對教學設計中的學習需要、教學目標、內容、策略等方面進行詳細的闡釋[19]。王娟構建出STEM視野下的ADDIE模型，并設計出機器人教學活動的具體案例[20]。張秀杰以中小學機器人教育的教學設計為主題，具體分析機器人教育課程以及課堂教學環節[21]。

通過對國內外機器人教育的文獻研究，發現機器人教育在課堂教學中具有重大價值和意義。

二、3D仿真平臺教學應用的可行性分析

3D仿真平臺從功能上來說是一款虛擬機器人軟件平臺。本研究采用的是IROBOTQ 3D仿真平臺，它是國內領先的基于網絡的機器人教育和創新實踐平臺。該平臺通過虛擬現實（VR）技術和三維建模技術，將機器人教育的各個環節進行高度的三維立體仿真。平臺中擁有豐富的智能組件庫和簡單易學的行為設計系統，能夠較好地幫助學生了解和學習機器人的相關知識與技能。

（一） 從教學設施的角度分析

筆者以重慶市H中學為例，它屬于重慶市重點中學，它的三個計算機教室配備有較為先進的計算機設備，安裝有3D仿真平臺、Photoshop軟件、C++編輯軟件等多種軟件。良好的軟件和硬件設施不僅利于教學活動順利開展，還利于學生獲得更好的學習效果。

（二） 從教學成本的角度分析

下表為3D仿真平臺的價格體系：

重慶市H中學所采用的是60個用戶的機房版，進行機器人教育教學時，教師到機房授課，能充分滿足使用需求。這一版本的3D仿真平臺價格為15000元，在滿足教學要求的基礎上能夠降低教學成本。

（三）從教學模式的角度分析

教師通過3D仿真平臺進行教學，有利于學生學習機器人知識，掌握相關技能。在教學過程中，教師不再是傳統意義上課程內容與學科知識的傳授者，更是學生學習的指導者與輔助者。學生通過3D仿真平臺可以采取自主學習或小組合作探究的方式來分析和解決問題。在學習過程中，學生是學習的主體，是學習的主動參與者。因此，3D仿真平臺的教學應用符合現在提倡的“教師為主導，學生為主體”的教學模式。

（四）從機器人教育自身特點的角度分析

機器人教育有如下特點：為學生發揮想象力提供平臺;教學方法多樣化;評價方式多元化;具有明顯的學科交叉性;具有很強的實踐操作屬性;容易提高學生的學習興趣。綜上所述，筆者認為使用3D仿真平臺進行機器人的教學基本符合機器人教育的特點。

三、教學設計

（一）學情分析

在重慶市H中學有很多社團，本次課程設計屬于“虛擬機器人”社團課程。教學對象是初中二年級學生，這些參加“虛擬機器人”社團的學生，已經具備一定的虛擬機器人知識基礎。因而在給社團班級上課時，需要對課程內容有很好的把握，并且課程要有一定的難度。

（二）教學內容分析

本節課的教學內容有：灰度傳感器的安裝與使用，距離傳感器的安裝與使用及海拔傳感器的安裝與使用;“金字塔之勇敢前進機器人”的搭建，“金字塔之勇敢前進機器人”的程序編寫，“金字塔之勇敢前進機器人”運動方式的探究。

（三）教學目標分析

知識與技能目標：學生能夠掌握灰度傳感器、距離傳感器和海拔傳感器的安裝和使用;能夠熟練操作“金字塔之勇敢前進機器人”的搭建，理解“金字塔之勇敢前進機器人”的程序編寫。

過程與方法目標：理解“金字塔之勇敢前進機器人”的任務完成過程，體驗和熟悉探究學習和合作學習過程，并掌握探究學習與合作學習方法。

情感態度與價值觀目標：培養學生科學的探究精神和團隊合作精神。

（四）教學過程

（五）板書設計

四.教學設計應用評價

（一）教學目標與教學內容評價

在教學目標設計中，筆者采用的是三維目標設計，通過教學實踐，筆者發現大部分學生能夠達到教學目標的要求，但還是有一小部分學生的學習效果有一定差距，尤其是在程序編寫環節有較大差距。

在教學內容的設計中，筆者設計了5節具體的教學內容，這5節教學內容都以具體的任務為主體，充分體現了任務驅動的教學方法。整體上而言，教學內容的設計基本符合學生的認知特點及學習能力，對于學生掌握機器人相關知識有較大幫助。

（二）教學策略設計評價

在教學策略的設計中，不僅包括了對教學任務的要求，同時體現出對于教學方法的選擇。在本研究中，筆者共設計了4種教學策略，在教學實踐中，以協作學習策略與自主學習策略為主，以練習策略與展示策略為輔。通過不同教學策略的融合使用，從而達到提高學生學習效果的目的。

（三）教學方法設計評價

在教學方法的設計中，筆者主要設計了任務驅動法、講授法與討論法。根據初中機器人教育的課程特點及實踐效果來看，筆者設計的教學方法產生了較好的效果。

筆者采用多元化的評價方式對學生的學習效果進行評價，能夠更真實地反映學生的學習情況與學習狀態。在教學過程中，教師需要積極引導學生去思考，讓學生去發現問題和解決問題，而不只是知識的傳授者。這樣能夠充分地調動學生的學習積極性和參與性。 在教學過程中，運用小組合作的教學方法能夠增強學生的集體榮譽感和團隊的合作精神，有利于學生對相關知識的掌握。對于學生的學習成果要及時給予評價。學生對于小組合作完成的成果比較重視，他們期待教師和其他同學給予一定的評價。如果及時給予評價，將能夠對學生的學習產生積極的效果。

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Instructional Design of Junior Middle School Robot Based on the 3D Simulation Platform

ZHAO Yichun

（Xincheng Campus of Jiangsu Huaiyin Middle School，Huaian，Jiangsu，China 223001）

Abstract： Adopting the practice-based teaching approach，and taking the community course "Pyramid：A Boldly-Moving-Forward Robot" as an example，this paper carries out an instructional design by using a 3D simulation platform.It constructs a teaching environment for the junior high school robot course，and based on the robot classroom teaching practice，it conducts a systematic evaluation on the course.In the teaching process，specific tasks are always the main body，which fully stimulates students enthusiasm and interest in learning.This provides a reference for other teachers to use the 3D simulation platform to teach the robot course in junior high schools.

Key words： 3D simulation platform;robot education;instructional design