利用虛擬技術(shù)開展機(jī)器人課程教學(xué)的實(shí)踐與思考

何新華

【摘 要】機(jī)器人課程已逐步走進(jìn)中小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中，大部分學(xué)校主要以社團(tuán)形式開展機(jī)器人課程教學(xué)，而信息科技教材中機(jī)器人相關(guān)的內(nèi)容很多都難以執(zhí)行。如何讓更多的學(xué)生在機(jī)器人教學(xué)中受益，是每位信息科技教師及機(jī)器人教師應(yīng)該探索的點(diǎn)。借助“虛擬機(jī)器人”平臺(tái)開展日常教學(xué)，執(zhí)行課程計(jì)劃，是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的有效嘗試。

【關(guān)鍵詞】虛擬技術(shù) 機(jī)器人課程 人工智能

一、問題的由來

2000年，機(jī)器人課程進(jìn)入北京景山學(xué)校信息技術(shù)課程中，隨后，全國一些經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)也開發(fā)了相應(yīng)的機(jī)器人校本課程并進(jìn)行實(shí)踐與探索。雖然江蘇早已將機(jī)器人內(nèi)容編入信息科技教材，但在部分區(qū)域終因機(jī)器人設(shè)備無法落實(shí)等問題難以真正實(shí)施。

《教育信息化“十三五”規(guī)劃》要求推進(jìn)人工智能在中小學(xué)的普及，通過作品創(chuàng)作、編程設(shè)計(jì)、動(dòng)手實(shí)施，提高學(xué)生的編程能力和計(jì)算思維能力，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，發(fā)展學(xué)生的實(shí)踐能力與可持續(xù)學(xué)習(xí)能力。很多學(xué)校相繼建立“創(chuàng)客空間” “人工智能教室”，并將創(chuàng)客課程、機(jī)器人課程及人工智能課程引入課表。黨的二十大報(bào)告強(qiáng)調(diào)“教育、科技、人才”對(duì)現(xiàn)代化國家的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性支撐，這更為以機(jī)器人、編程等為代表的科技教育注入了強(qiáng)有力的動(dòng)力。這些都為學(xué)校機(jī)器人教學(xué)提供了新的思路，機(jī)器人教學(xué)也正朝著這個(gè)方向在不斷地進(jìn)步。但中小學(xué)機(jī)器人教育的普及率仍然很低，往往只局限于個(gè)別班的校本選修或課后服務(wù)，因此機(jī)器人教學(xué)在整個(gè)學(xué)校課程體系中面臨著不可避免的窘境。

（一）經(jīng)費(fèi)預(yù)算不足，設(shè)備過于昂貴

目前中小學(xué)所選用的機(jī)器人器材，主要是樂高、中鳴等廠商出品，機(jī)器人設(shè)備成本高，使眾多學(xué)校望而卻步，即使開設(shè)機(jī)器人課程，也只有少數(shù)學(xué)生能夠體驗(yàn)，無法讓每一個(gè)感興趣的學(xué)生都能真正接觸。

（二）師資全面匱乏，教師有心無力

雖然有些學(xué)校有開設(shè)機(jī)器人課程的意向，但苦于師資匱乏，只能選擇以課后服務(wù)或選修課的形式與校外培訓(xùn)機(jī)構(gòu)合作，而某些機(jī)構(gòu)為了引流，實(shí)現(xiàn)利益最大化，只選擇相對(duì)簡單的、低成本的內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)，學(xué)校教師也接觸不到真正的機(jī)器人技術(shù)層面的知識(shí)，致使學(xué)校的機(jī)器人教學(xué)水平整體不高。

（三）大班整班教學(xué)，教學(xué)效率低下

由于機(jī)器人教學(xué)涉及搭建、編程等多個(gè)環(huán)節(jié)，40分鐘根本無法保證每個(gè)（組）學(xué)生都能完成學(xué)習(xí)任務(wù)，教學(xué)效率低下，且教具的整理、課間的銜接、作品的保留等問題也一直困擾著中小學(xué)信息科技教師。

二、擺脫機(jī)器人教學(xué)窘境的途徑

機(jī)器人教學(xué)重在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，提高學(xué)生的計(jì)算思維能力、工程操作能力及合作探究能力，從而幫助學(xué)生塑造健全人格。如何擺脫上述窘境，有效實(shí)施機(jī)器人教學(xué)，讓每個(gè)學(xué)生都能參與機(jī)器人學(xué)習(xí)，成了我們共同追求的目標(biāo)。

（一）采用以Arduino為代表的開源機(jī)器人

以Arduino為代表的開源機(jī)器人逐漸成為很多學(xué)校機(jī)器人裝備的主流，蘇科版信息科技教材中“xDing”機(jī)器人就是最具代表性的例子，除此以外，用掌控板、行空板、樹莓派對(duì)等主控板配上拓展板、傳感器、結(jié)構(gòu)件等，就是一個(gè)簡單的機(jī)器人，由于是一個(gè)封裝好的機(jī)器人，平時(shí)上課只需要添加合適的傳感器即可。如此，機(jī)器人的投入就小了好多，有時(shí)候甚至只要一套器材（一支隊(duì)伍）的費(fèi)用就可以裝備一個(gè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。

（二）采用虛擬平臺(tái)的機(jī)器人技術(shù)

開源機(jī)器人雖然價(jià)格便宜，但根據(jù)筆者所在學(xué)校使用的開源器材來講，經(jīng)過一學(xué)期的使用，主控板和傳感器的故障率還是相當(dāng)高的，特別是一些焊接接口很容易松動(dòng)，造成有時(shí)不能正常使用，因此筆者也一直在尋找可以進(jìn)行機(jī)器人整班教學(xué)的途徑，直到2020年11月中國科協(xié)推出虛擬機(jī)器人在線體驗(yàn)活動(dòng)。帶領(lǐng)學(xué)生參加這次比賽后，筆者找到了一種在信息科技課程中實(shí)施機(jī)器人教學(xué)的全新思路。

在中國科協(xié)的推動(dòng)下，現(xiàn)在國內(nèi)各大主流廠商都有不同的虛擬機(jī)器人平臺(tái)，如中鳴RoboSim虛擬機(jī)器人、鯨魚虛擬機(jī)器人、TGE虛擬機(jī)器人等，這些平臺(tái)的發(fā)展可圈可點(diǎn)，虛擬機(jī)器人的比賽和課程都已趨于成熟。

三、虛擬機(jī)器人課程實(shí)施的實(shí)踐與思考

（一）關(guān)注學(xué)生差異，從普及到創(chuàng)新

學(xué)生的發(fā)展存在著巨大的差異，根據(jù)學(xué)生的接受能力和現(xiàn)有水平，可以將虛擬機(jī)器人教學(xué)劃分為以下三個(gè)層次并進(jìn)行相應(yīng)的課程實(shí)施（如圖1）。

1.普及

利用五、六年級(jí)信息科技課程進(jìn)行整班教學(xué)。家長只需通過手機(jī)注冊免費(fèi)的賬號(hào)，學(xué)生即可在普通機(jī)房學(xué)習(xí)虛擬機(jī)器人課程，通過所見即所得的搭建界面、基于Scratch圖形化的編程、流暢且多角度的模擬運(yùn)行，學(xué)生對(duì)虛擬機(jī)器人及虛擬機(jī)器人編程產(chǎn)生濃厚的興趣，從而學(xué)習(xí)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、傳感器檢測、機(jī)器人巡線等基礎(chǔ)機(jī)器人知識(shí)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)虛擬機(jī)器人相關(guān)知識(shí)的興趣，開拓學(xué)生的眼界。

2.提升

利用學(xué)校課后服務(wù)或自由課程時(shí)間，將對(duì)虛擬機(jī)器人感興趣的學(xué)生集中組織起來，對(duì)這一內(nèi)容進(jìn)行深入研究和學(xué)習(xí)，筆者在2021年就曾利用虛擬機(jī)器人平臺(tái)上了一節(jié)溧陽市市級(jí)公開課“機(jī)器人走迷宮”，學(xué)生搭建了形態(tài)各異的機(jī)器人，編寫了不同思路的程序，能力得到有效提升。

3.創(chuàng)新

在2022世界機(jī)器人大賽錦標(biāo)賽（北京）中，筆者所在學(xué)校共有三名學(xué)生參加虛擬機(jī)器人賽項(xiàng)，并全都取得了佳績，究其原因還是與選拔機(jī)制有關(guān)。筆者挑選出的這些學(xué)生不但興趣濃厚，極具研究特長，而且樂于探究并富有團(tuán)隊(duì)意識(shí)，通過對(duì)比例巡線、AI巡線、任務(wù)完成等進(jìn)行有效探究，比如對(duì)“時(shí)空橋傳輸”任務(wù)進(jìn)行了大量探究，最后利用多手臂聯(lián)動(dòng)來完成任務(wù)，創(chuàng)造力和創(chuàng)新性得到進(jìn)一步提高，對(duì)機(jī)器人的工作原理及編程思想有了更深刻的認(rèn)識(shí)。

（二）進(jìn)行項(xiàng)目學(xué)習(xí)，啟迪多重思維

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》將“跨學(xué)科主題”作為信息科技課程內(nèi)容的重要組成部分，倡導(dǎo)真實(shí)性學(xué)習(xí)。機(jī)器人課程是集“科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)”于一體的STEAM課程，不光用于比賽，更多地可以用于跨學(xué)科學(xué)習(xí)。以項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的方式組織教學(xué)，對(duì)于開拓學(xué)生的思維品質(zhì)、改變學(xué)生的思維方式具有積極的意義。下面筆者以全國青少年虛擬機(jī)器人在線體驗(yàn)活動(dòng)為例，談一談怎么在虛擬機(jī)器人教學(xué)中組織項(xiàng)目化學(xué)習(xí)以及跨學(xué)科學(xué)習(xí)。

1.確定項(xiàng)目主題

虛擬機(jī)器人體驗(yàn)活動(dòng)由自主設(shè)計(jì)的機(jī)器人、各種形態(tài)的道路（草地、小溪、土路）、各種突發(fā)事件（大灰狼、隧道、蟒蛇、碎石）等各種虛擬元素組成。教師可以把它當(dāng)作一個(gè)大項(xiàng)目分解成多個(gè)小項(xiàng)目再設(shè)計(jì)成課程加以實(shí)施，學(xué)生的首要任務(wù)就是自主設(shè)計(jì)機(jī)器人小車，安裝各種傳感器用于道路行走、路口識(shí)別、任務(wù)識(shí)別，并編寫執(zhí)行程序，模擬機(jī)器人行走、避障等任務(wù)。這些任務(wù)就是教師需要帶領(lǐng)學(xué)生研究的主題，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣自選主題，也可以全部參與。

2.小組合作共建

選擇了自己想研究的主題，學(xué)生還需要掌握搭建虛擬機(jī)器人的技巧，如積木與積木、積木與傳感器之間如何連接，如何將積木和傳感器轉(zhuǎn)到合適的角度，如何選擇合適的傳感器，程序該如何編寫等。有的只需教師將合適的資源分發(fā)給學(xué)生，通過小組合作學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生自主探究。在這個(gè)學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生首先要去發(fā)現(xiàn)相關(guān)問題，然后通過學(xué)習(xí)教師分發(fā)的資源、小組合作、尋求幫助等多種方式去解決遇到的問題。在整個(gè)探究過程中，學(xué)生都是在主動(dòng)地學(xué)習(xí)，而不是被動(dòng)地接受，學(xué)生在解決問題的過程中，不但學(xué)會(huì)了如何去搭建機(jī)器人、用程序控制機(jī)器人，更多地學(xué)會(huì)了如何去和學(xué)習(xí)伙伴溝通合作、共同進(jìn)步。這就是項(xiàng)目化學(xué)習(xí)最大的收獲。

在通過編寫程序控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)有學(xué)生發(fā)現(xiàn)，如果選用前驅(qū)車，機(jī)器人停止時(shí)總是會(huì)出現(xiàn)“磕頭”現(xiàn)象，而選用后驅(qū)車后，啟動(dòng)時(shí)又會(huì)出現(xiàn)“翹頭”現(xiàn)象，學(xué)生對(duì)這種情況產(chǎn)生了濃厚的興趣，提出了很多問題：機(jī)器人在運(yùn)行過程中為什么會(huì)“磕頭”或“翹頭”？重量對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)有沒有影響？如何擺脫慣性的影響？前驅(qū)和后驅(qū)機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)各是什么？通過對(duì)這些問題的分析和對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、程序的不斷調(diào)整，學(xué)生不但理解了程序，更通過虛擬化的實(shí)驗(yàn)完成了科學(xué)課中關(guān)于慣性、前后驅(qū)知識(shí)的探究，真正實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科學(xué)習(xí)。

3.實(shí)踐探究明理

上述學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中關(guān)于慣性和前后驅(qū)等問題的探究只是本次項(xiàng)目化學(xué)習(xí)過程中的一小塊，只停留在虛擬機(jī)器人課程的初始階段，尚未指向虛擬機(jī)器人探究的核心。除此之外，學(xué)生還會(huì)產(chǎn)生一系列的問題，通過深度融合前一階段的知識(shí)和問題，經(jīng)歷“聚焦問題—尋求方案—實(shí)施方案”三個(gè)過程，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力得到充分鍛煉。

學(xué)生通過討論，最終將所有問題聚焦如下：（1）什么樣的結(jié)構(gòu)更適合機(jī)器人完成任務(wù)？（2）如何通過AI視覺模塊控制機(jī)器人不脫離道路？（3）如何控制機(jī)器人快速轉(zhuǎn)過路口？（4）如何讓機(jī)器人穿過隧道、繞過石頭、識(shí)別大灰狼、蟒蛇等？（5）怎樣才能尋找到最優(yōu)的解決方案？學(xué)生在解決問題的過程中不斷提升數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)能力等，自主探究、合作學(xué)習(xí)、交流互動(dòng)自然而然就展開了。

4.成果共享延伸

成果共享環(huán)節(jié)是為學(xué)生展示成果搭建支架，幫助學(xué)生交流創(chuàng)作思路，匯報(bào)學(xué)習(xí)成果。還是以“機(jī)器人走迷宮”這節(jié)課為例，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中設(shè)計(jì)了很多方案，有的通過超聲波傳感器檢測判斷前方與墻壁的相應(yīng)距離后轉(zhuǎn)彎、有的用觸碰傳感器碰墻后后退轉(zhuǎn)彎……學(xué)生的每一種方案都值得肯定和鼓勵(lì)，教師只有關(guān)注學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的算法，才能更好地關(guān)注計(jì)算思維的培養(yǎng)。通過在分享、交流、互動(dòng)中學(xué)習(xí)別人方案中的長處，不斷地改進(jìn)自己的方案，并在“發(fā)現(xiàn)—優(yōu)化”的過程中尋求完成虛擬機(jī)器人任務(wù)的“最優(yōu)方案”，學(xué)生在不知不覺中提高了分析問題、解決問題的能力。

四、結(jié)語

以虛擬機(jī)器人為核心的機(jī)器人教學(xué)解決了中小學(xué)機(jī)器人教育器材短缺的問題，在學(xué)習(xí)內(nèi)容上融合了技術(shù)、科學(xué)、物理等各學(xué)科知識(shí)，符合《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》倡導(dǎo)的“跨學(xué)科學(xué)習(xí)”，以項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的方式培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，以信息化的方式去解決問題，從而培養(yǎng)學(xué)生的信息科技核心素養(yǎng)，為國家培養(yǎng)數(shù)字人才。

【參考文獻(xiàn)】

鐘柏昌.中小學(xué)機(jī)器人教育的困境與突圍[J].人民教育，2016（12）.