基于虛擬機器人平臺的項目化學習設計 ——以“未來基建”項目為例

閔芳芳

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課程標準》）倡導創新教學方式，以真實問題或項目驅動，引導學生經歷原理運用過程、計算思維過程和數字化工具應用過程，建構知識，提升問題解決能力，尤其強調要創設真實情境，引入多元化數字資源，提高學生的學習參與度。機器人項目化學習常被用來作為學生思維與能力提升的途徑之一，但選擇機器人教學或參加機器人賽項常需學校購買昂貴的器材，加上新冠疫情持續三年以來導致了多項國家、省市級線下機器人賽事延期或停辦，在這樣的雙重背景下，市面上涌現出了多種基于仿真技術的虛擬機器人平臺，它們不受時空限制，且能使學校低成本接入，給學生提供機器人學習和風采展示的機會，在創設真實情境、提供多元數字資源以及激發學生學習興趣方面均頗具優勢，解決了機器人教育普及、推廣難的問題。下面，筆者就以“未來基建”項目為例展示基于虛擬機器人平臺的項目化學習過程。

● 虛擬機器人平臺與項目化學習

1.虛擬機器人平臺

為STEM教育開發的虛擬機器人教育軟件，不僅支持在線交互協作，有利于學生創客思維開發、促進學生邏輯思維發展，更有排行等趣味競賽功能，可以全面激發學生的學習興趣，提高他們學習的積極性。學生在軟件平臺上能夠自由進行機器人三維模型搭建并隨時在線保存搭建文件，同時，平臺為不同比賽主題提供的訓練場地最大限度模擬了現實環境，教師也可通過Python、圖形化編程等方式實現機器人在虛擬場景中的教學實踐。

2.與項目化學習的關聯

項目化學習區別于傳統知識本位的學習方式，是通過引導學生在現實社會情境中對真實問題不斷探討，歷經發現問題、分析問題、解決問題等過程，促進學生核心素養落地的一種學習方式。

在問題情境方面，虛擬機器人平臺不受傳統教室空間的限制，極大程度地模擬了現實世界的問題和挑戰，基于問題解決的開放學習環境使得學生在探究、體驗外部世界的過程中不斷發現新的問題，激發學習熱情。

在學習支持方面，學生能夠通過在線資源自主探究、求解問題，實現從“以講授為中心”到“以學習者為中心”的方式轉變，圍繞對真實問題不斷探究求解而進行有意義的學習。

在學習與項目評價方面，平臺可以同步跟蹤學生的學習進程并對學習成果進行評分。精細復雜的編程任務不僅能夠檢測學生即時學習效果，還能組合其他任務讓學生算法求解、系統設計、任務分解等深層次能力得到提升，形成可遷移的思維方式。

在項目成果展示方面，虛擬機器人平臺提供了豐富的在線活動，活動期間學生能夠不限次數進行超能演練并累計積分，每月進行一次超能實戰并將成果計入總積分，同時按總分進行排名，極大程度激發了學生的學習興趣和熱情。

● “未來基建”項目化學習實踐

1.情境導入，確定任務

未來基建是隨著物聯網、大數據等新型智能技術發展而產生的新發展理念下的新型基礎設施建筑，包括人工智能、5G基站建設等七大領域，涉及交通、能源等多諸多產業鏈。在“未來基建”項目活動中，任務場景為一個虛擬仿真的城市，由道路、任務模型及裝飾物組成。學生首先對未來基建項目進行考察，鏈接到每一位學生都是未來建造的主人翁，接著在規定的時間內使用仿真軟件搭建機器人并編寫程序以完成未來基建項目，圍繞項目形成系統設計、規劃、完成獨立任務和組合任務（包括出發、智能管理、建設5G通信等3個獨立任務和民生工程、極速運輸、產業升級、現代交通、新能源工程等5個組合任務，如下表）的策略，以升級建設未來城市。

2.制訂計劃，搭建機器

學生根據項目建設決定執行任務的流程，包括明晰完成各個子任務的先后順序，以及每個子任務所需要的功能器件。在未來城市內的不同區域共設置13類任務模型，它們之間由黑色的主干道連接，各個任務模型對應需要完成組合任務或獨立任務。在機器人搭建界面使用積木、馬達和傳感器組裝機器人（如下圖）。需要注意的是，機器人搭建要遵守相應的規則：一個項目中只能搭建1臺機器人且機器人只能使用1個控制器、只允許有兩個著地的驅動輪、在執行任務的過程中只允許使用AI視覺模塊進行輔助運動。在搭建好機器后，學生需要依照計劃清單羅列完成各個子任務的時間、任務順序、任務對應的學科知識準備、活動探究步驟，分析可能會遇到的困難及改進策略，并預估最終的項目成果和展示形式，形成結構化、序列化的項目化學習實施方案。

3.程序編寫，執行任務

使用圖形化編程方式為機器人編寫程序，按住鼠標左鍵拖拽即可將模塊拖至編程區，靠近模塊后松開鼠標即可自動拼接起來，模塊中的數值也可按照需求進行修改，如設置馬達速度不僅要修改速度數值，還要選擇相應的M1和M2端口。機器人在預編程序的控制下從隨機指定的啟動區出發，前往場地中心的智能管理中心開啟任務，并根據任務順序及任務內容前往對應的任務區域完成動作，直至完成所有任務。在組合任務中，機器人每次只能獲取一個種類的物品，且中途不得穿插其他任務，否則任務失敗。其中，當獲取民生工程任務后，需前往農場為居民區獲取安心食品，并收集居民區產生的垃圾分類投放至環衛中心;當獲取急速運輸任務后，需分別前往醫院及倉儲中心完成極速救援和極速配送任務;當獲取產業升級任務后，需首先完成特高壓輸電任務，再前往智能工廠完成智能制造任務;當獲取智能交通任務后，需首先完成跨海大橋建設，再使城際高速列車在跨海大橋上通行;當獲取新能源工程任務后，需在完成潮汐發電站建設后，完成充電樁的設置。在按照任務計劃搭建好機器人程序后，進入仿真模擬界面，測試機器人的運行效果，并執行任務。

4.點撥引導，改進完善

仿真模擬環境中能夠隨機產生摩擦力，真實還原現實環境，具有物理模擬效果，這就使得學生需要在真實問題中運用科學思維和方法持續探究，不斷調整程序，甚至機器人結構。每次在機器人開始仿真運行程序后，在數據面板上可以觀察到機器人馬達和傳感器當前的檢測數據，借助仿真用時和當前仿真所獲得的任務分數能夠跟蹤任務進展。在這個環節，教師面臨的挑戰是引導學生分析問題，基于已有知識形成問題鏈，促進學生主動思考和問題求解。此外，項目化學習中問題解決的方案并不唯一，教師要學會傾聽學生的想法，尊重他們的興趣，而不是要求他們按照既定的方案開展探究活動。當學生提出有問題時，除了通過在線資源進行自助學習，還可以向全班學生拋出問題，鼓勵學生之間提出建議，容納他們的奇思妙想，體現真實問題的導向，師生共同完善項目。

5.評估檢測，拓展反思

什么是好的項目成果？在“未來基建”項目實施的過程中，學生均使用了不同的研究方案，就成果而言，應緊扣項目目標的達成以及核心問題是否解決進行評定，可以有多種方式。例如“機器人搭建問題”，沒有明確的參考方案，但是學生搭建需要考慮幾個核心問題，包括完成任務用的擺臂的長短、機器人的重心位置等，這些都是解決獨立任務和組合任務的保障問題，直接影響最終的項目得分。當然，僅僅依靠最終的得分來評定是不夠的，《課程標準》強調素養導向的多元評價，堅持過程性評價與終結性評價相結合。應強調項目化學習過程中的能力轉化，如團隊協作能力、自主學習能力，包括程序內部的算法也是算法思維的體現。當然，一個項目的結束并不是學習的終點，基于項目的反思改進有助于產生新的問題、生成新項目進行持續性研究。

參考文獻：

中華人民共和國教育部.教育部關于印發義務教育課程方案和課程標準（2022年版）的通知[EB/OL]http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/202204/t20220420_619921.html.

基金項目：江蘇省教育科學“十四五”規劃2021年度課題“基于虛擬現實技術沉浸式實驗教學創新的研究”（項目編號D/2021/02/477）、江蘇省教育科學“十四五”規劃2021年度課題“基于計算思維的小學智能機器人校本課程建設研究”（項目編號D/2021/02/687）。