初中虛擬機(jī)器人社團(tuán)項目合作學(xué)習(xí)范式研究

摘 要：機(jī)器人的發(fā)明、研究及應(yīng)用實(shí)踐是以科學(xué)研究和社會生產(chǎn)為需求的，進(jìn)入教育是其領(lǐng)域的擴(kuò)大與發(fā)展。我國開展機(jī)器人教育雖已有十多年時間，但總體來說還處于起步階段。如何在條件、資源、教育環(huán)境受限的情況下，使機(jī)器人教育走進(jìn)中小學(xué)教育并體現(xiàn)其潛在的教育價值？利用虛擬機(jī)器人開展機(jī)器人教學(xué)活動，對實(shí)物機(jī)器人進(jìn)行仿真，既可以降低成本又可以提高效率，不失為一條新的思路。隨著虛擬技術(shù)的發(fā)展和信息技術(shù)教育課程與教材改革的深入，通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)將虛擬機(jī)器人引入中小學(xué)校的信息技術(shù)教學(xué)是切實(shí)可行之路。它不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)信息技術(shù)的興趣和動機(jī)，豐富學(xué)生課余生活，而且可以讓學(xué)生學(xué)到一些機(jī)器人知識，也可以在一定程度上解決實(shí)物機(jī)器人教育存在的一些問題。擬就學(xué)校開設(shè)虛擬機(jī)器人社團(tuán)對學(xué)生的影響作一次嘗試性探討。通過文獻(xiàn)研究、實(shí)踐研究和比較研究來說明虛擬機(jī)器人在中學(xué)教學(xué)中的教學(xué)模式，希望能對中學(xué)開展虛擬機(jī)器人教學(xué)提供一些參考和借鑒，以期推動中小學(xué)機(jī)器人教育。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人教育；虛擬機(jī)器人；社團(tuán)；合作學(xué)習(xí)；研究

一、機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

1.機(jī)器人教育的價值及影響

機(jī)器人教育的核心基礎(chǔ)是人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域以人性化、智能化的形式加以利用。由于人工智能技術(shù)是信息技術(shù)發(fā)展的一次重大飛躍，因此信息技術(shù)教育必將走向機(jī)器人教育。我國頒布的義務(wù)教育階段信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)和《國家九年義務(wù)教育課程綜合實(shí)踐活動指導(dǎo)綱要》中，機(jī)器人設(shè)計和制作被列入信息技術(shù)課程選修內(nèi)容。由此可見，機(jī)器人教育已經(jīng)納入了中小學(xué)信息技術(shù)教育內(nèi)容中。此外，全國各地的機(jī)器人比賽蓬勃開展，比賽內(nèi)容不斷完善，參加的人數(shù)不斷增多，規(guī)模不斷擴(kuò)大，影響力也在逐步提高。從技術(shù)的綜合性、先進(jìn)性、自主體驗和興趣激發(fā)等方面學(xué)生都能有極大的收獲進(jìn)而實(shí)現(xiàn)極大的教育價值。

2.虛擬技術(shù)的發(fā)展及在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR，又譯作靈境、幻真）是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般。

目前，虛擬技術(shù)在大眾教育、軍事、醫(yī)學(xué)、航空，旅游等各行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，利用虛擬技術(shù)可以建立各種虛擬實(shí)驗室，虛擬環(huán)境。隨著虛擬技術(shù)逐漸成熟，虛擬技術(shù)逐漸普及化，大眾化。虛擬技術(shù)以其強(qiáng)大的交互性、隨意性、安全性等人性化特性，必將對教育領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。虛擬機(jī)器人作為虛擬領(lǐng)域的一部分也得到了快速發(fā)展。

3.實(shí)物機(jī)器人存在的問題

各國的機(jī)器人競賽開展得如火如荼，機(jī)器人的教育價值也逐漸得到認(rèn)可。雖然我國開展機(jī)器人教育已經(jīng)有十多年，但進(jìn)展緩慢，仍游離于基礎(chǔ)教育教學(xué)之外，通過分析可發(fā)現(xiàn)其主要原因是經(jīng)費(fèi)問題，學(xué)校沒有財力購買大量的實(shí)物機(jī)器人用于教學(xué)。雖然有學(xué)校購買了實(shí)物機(jī)器人，但數(shù)量有限，只是用于參加比賽的學(xué)生。實(shí)物機(jī)器人的價格、后期的升級、維護(hù)、場地、工作環(huán)境等都制約著實(shí)物機(jī)器人進(jìn)入學(xué)校教學(xué)。

二、開設(shè)虛擬機(jī)器人社團(tuán)的原因

1.概念界定

虛擬機(jī)器人是近年來得到人們重視的一類新興機(jī)器人教育載體，英文簡稱為“Virtual Robot”。目前，還沒有一個統(tǒng)一的定義。根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)上的描述和Michael Somby對機(jī)器人軟件開發(fā)平臺的界定，就相當(dāng)于虛擬機(jī)器人平臺。所謂的“機(jī)器人軟件開發(fā)平臺”指的是用來給多種機(jī)器人開發(fā)程序的軟件包，一般包括下列內(nèi)容（1）統(tǒng)一的編程環(huán)境；（2）統(tǒng)一的編譯執(zhí)行環(huán)境；（3）可重用的組建庫；（4）完備的調(diào)試仿真環(huán)境；（5）對多種機(jī)器人硬件設(shè)備的“驅(qū)動”程序支持；（6）通用的常用功能控制組件。

2.實(shí)物機(jī)器人現(xiàn)狀

機(jī)器人技術(shù)融合了機(jī)械原理、電子傳感器、計算機(jī)軟硬件及人工智能等眾多先進(jìn)技術(shù)，為學(xué)生能力、素質(zhì)的培養(yǎng)承載著新的使命。機(jī)器人教育在教學(xué)中體現(xiàn)了以下幾個方面的作用：

（1）讓學(xué)生了解機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，理解機(jī)器人的概念和工作方式。

（2）讓學(xué)生了解機(jī)器人各個傳感器的功能，學(xué)習(xí)編寫簡單的機(jī)器人控制程序，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

（3）通過機(jī)器人競賽和完成各項任務(wù)，使學(xué)生在搭建機(jī)器人和編制程序的過程中培養(yǎng)動手能力、協(xié)作能力和創(chuàng)造能力，有目的地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

（4）迎接機(jī)器人時代的到來。機(jī)器人的廣泛應(yīng)用將極大促進(jìn)社會生產(chǎn)力的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。開展機(jī)器人教育，有助于使我們在機(jī)器人時代走向世界前列。

實(shí)物機(jī)器人已經(jīng)成為呼聲很高的創(chuàng)新教育平臺，并且正在走向基礎(chǔ)教育。機(jī)器人教育在國內(nèi)尚處在起步階段，把實(shí)物機(jī)器人作為課程，在現(xiàn)階段遇到了諸多方面的制約：

（1）實(shí)物機(jī)器人產(chǎn)品缺乏規(guī)范性。國內(nèi)外機(jī)器人制造商開發(fā)的實(shí)物機(jī)器人品牌十分繁雜，且自成體系，互不兼容，開放度較低。

（2）實(shí)物機(jī)器人價格高，場地有嚴(yán)格要求，而學(xué)校資金嚴(yán)重缺乏，也沒有相應(yīng)的場地作為實(shí)物機(jī)器人的教學(xué)場地，配套組件及設(shè)施不夠，給普及增加了難度。

（3）機(jī)器人教學(xué)所使用的“教材”質(zhì)量不高，大多屬于“產(chǎn)品說明”或“用戶指南”等，缺少課程與教學(xué)專家的參與和指導(dǎo)，每個學(xué)校要獨(dú)立開發(fā)各自的校本教材，難度較高。

（4）師資隊伍的良莠不齊。

3.虛擬機(jī)器人在線仿真平臺

iRobotQ 3D機(jī)器人在線仿真平臺的出現(xiàn)，解決了學(xué)校開展機(jī)器人教學(xué)的一個最重要問題，即資金和場地問題。iRobotQ 3D機(jī)器人在線仿真平臺是全球首款基于網(wǎng)絡(luò)互動模式設(shè)計，以強(qiáng)大物理引擎作為技術(shù)支撐，以機(jī)器人為載體的科技創(chuàng)新平臺。它對資金、環(huán)境的要求不高，只要有網(wǎng)絡(luò)的地方都可以使用。平臺通過先進(jìn)的3D虛擬技術(shù)對機(jī)器人應(yīng)用的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行高度的3D模擬，實(shí)物機(jī)器人所擁有的功能都可以在該平臺實(shí)現(xiàn)。

國外機(jī)器人教學(xué)實(shí)驗證明，機(jī)器人競賽不僅活動主題有趣，

更重要的是其問題解決方案是開放性的，學(xué)生可以用不同的方法完成同一個目標(biāo)，虛擬機(jī)器人擁有實(shí)物機(jī)器人的絕大部分功能，而且擁有實(shí)物機(jī)器人所不具備的零件永不磨損的優(yōu)勢，因而虛擬機(jī)器人教學(xué)活動能激發(fā)學(xué)生充分發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的開放性思維。在機(jī)器人教學(xué)中，學(xué)生主要是通過動手實(shí)踐獲取知識。他們就像真正的工程師一樣，針對項目主題進(jìn)行研究、策劃、設(shè)計、組裝和測試。他們以小組為單位，使用積木、傳感器、馬達(dá)等組件設(shè)計自己的機(jī)器人，并為機(jī)器人編寫程序，讓它完成自己想讓它做的事情。學(xué)生通過主動探索、動手實(shí)踐，親身體驗了抽象的理論知識如何變成了觸手可及的答案，享受成功的興奮。在活動中，學(xué)生不僅可以學(xué)到有關(guān)機(jī)械、電子、計算機(jī)等技術(shù)知識，還可以培養(yǎng)多方面的能力和素養(yǎng)，如與人溝通合作的能力，合理利用時間的能力，毅力與自信心的樹立等。

三、虛擬機(jī)器人社團(tuán)項目合作學(xué)習(xí)范式

新一輪課程改革的重點(diǎn)之一，就是要讓學(xué)生的學(xué)習(xí)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的變化，逐漸改變以教師為中心、課堂為中心和以書本為中心的局面，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力的發(fā)展。小組合作學(xué)習(xí)成為當(dāng)代深受關(guān)注和歡迎的教學(xué)理論與策略，它能有效培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，適應(yīng)國家培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

本人在虛擬機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行了一些小組合作學(xué)習(xí)的探索，下面從小組合作學(xué)習(xí)來談?wù)勛约旱恼J(rèn)識。

所謂小組合作學(xué)習(xí)是以班級授課為前導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以小組活動為基本教學(xué)形式，系統(tǒng)利用教學(xué)動態(tài)因素之間的互動來促進(jìn)學(xué)習(xí)，共同達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的活動。

在小組合作學(xué)習(xí)的過程中逐步培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。具體表現(xiàn)在以下幾個階段中。

1.明確目標(biāo)：為培養(yǎng)自主創(chuàng)新能力做好鋪墊

由于學(xué)生各具不同的性格、知識、思想，所以他們會以各自不同的表達(dá)方式去處理各種不同種類的信息。因此，教學(xué)過程中，教師首先要了解學(xué)生通過什么途徑可以學(xué)得更快、更好，再決定如何利用學(xué)生優(yōu)勢帶動發(fā)展其他有待發(fā)展的潛能。因此，教師需采用多元途徑進(jìn)行個性化的教育。除個別化教學(xué)外，教師還應(yīng)組合不同性格類型和水平的學(xué)生進(jìn)行小組活動，利用他們互補(bǔ)的潛能，通過多元虛擬的教育途徑進(jìn)行合作學(xué)習(xí)。

我的虛擬機(jī)器人社團(tuán)總共20位學(xué)生，在教師的指導(dǎo)下，以小組合作的形式，把學(xué)生分成5個小組。每個小組由4名不同能力、性別、性格、文化背景的學(xué)生組成。在合作學(xué)習(xí)之前，師生從心理、思想、內(nèi)容等方面都要有明確的目標(biāo)，為激發(fā)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識和熱情鋪平道路。

教師要為學(xué)生培養(yǎng)自主創(chuàng)新能力鋪路搭橋。一方面給學(xué)生提出合作學(xué)習(xí)中培養(yǎng)自主創(chuàng)新能力的明確要求。即學(xué)習(xí)的內(nèi)容和目標(biāo)是什么，怎樣完成任務(wù)，評價的標(biāo)準(zhǔn)是什么；另一方面，通過設(shè)計具有挑戰(zhàn)性的問題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用已有知識和經(jīng)驗解決問題，促進(jìn)學(xué)習(xí)的遷移、自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

例如，我在社團(tuán)課中給學(xué)生制訂了關(guān)于“汽車總動員”項目學(xué)習(xí)的相關(guān)內(nèi)容（如下表）。

項目學(xué)習(xí)計劃表

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項目學(xué)習(xí)評價量規(guī)

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項目活動記錄表

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項目評價表

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學(xué)生根據(jù)教師制訂的項目學(xué)習(xí)計劃，每個小組再制訂自己小組的項目實(shí)施計劃，并把項目進(jìn)行分解，分配給小組的每位同學(xué)。

2.合作探究：培養(yǎng)自主創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)

每個小組成員明確了學(xué)習(xí)任務(wù)之后，根據(jù)分工進(jìn)入合作探究階段，由于虛擬機(jī)器人是對現(xiàn)實(shí)的一個仿真，學(xué)生在進(jìn)行機(jī)器人的搭建和編程過程中就要充分考慮到馬達(dá)的性能、車輪的摩擦系數(shù)、軸距對車子的影響、速度的快慢等各種物理因素，促使學(xué)生要靈活運(yùn)用科學(xué)知識及生活常識。每個學(xué)生知識掌握不同，生活經(jīng)歷不同，對項目實(shí)施過程中的理解也不同，這樣，每個學(xué)生就會根據(jù)自己的理解進(jìn)行互相交流、討論，甚至爭辯，在這一過程中，教師進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，小組成員間經(jīng)過多次的磨合，逐漸形成小組的學(xué)習(xí)成果。在討論過程中，讓學(xué)有余力的學(xué)生充分發(fā)揮自己的潛能，并帶動學(xué)習(xí)有一定困難的學(xué)生多思考、多發(fā)言，保證他們達(dá)到基本要求；同時，教師要在巡視時，針對學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的各種問題及時指導(dǎo)，幫助學(xué)生提高分析問題的技巧與能力。這一合作過程，既是類似科學(xué)研究的體驗過程，更是提升學(xué)生自主創(chuàng)新能力的過程。

例如，在“汽車總動員”這個項目任務(wù)中，在實(shí)施汽車的搭建這個小任務(wù)時，我給學(xué)生以下提示和問題，讓學(xué)生根據(jù)這些問題去尋找合理的答案。

（1）整條道路由普通道路路面、能量補(bǔ)充站路面、快速過彎路面、飛車路面，這些路面的顏色值都不相同，如何讓汽車知道行駛在什么路面上（使用什么傳感器來判斷）？

（2）道路兩邊都有柵欄，能否在汽車行駛過程中合理利用這些柵欄？如果能利用柵欄，那應(yīng)該使用什么傳感器？

（3）道路上有得分物，怎樣讓汽車判斷得分物在哪（應(yīng)該使用什么傳感器）？

（4）汽車使用什么樣的馬達(dá)和輪子比較好？

我把上述幾個問題交給各小組長，由各小組長再具體分解，分配到每個組員，學(xué)生依據(jù)一些有待研究的問題，自己去思考，自己去體驗。在合作中，學(xué)生有了探索與創(chuàng)造的機(jī)會，學(xué)生的學(xué)習(xí)活動更具有自覺、能動、創(chuàng)新的特征，學(xué)生在合作學(xué)習(xí)、解決問題的過程中，學(xué)習(xí)按照一定規(guī)則開展討論，明確表達(dá)自己的觀點(diǎn)，與他人進(jìn)行交流，學(xué)會傾聽別人的想法，修正自己的觀點(diǎn)，激發(fā)新的靈感，在共同參與中，主動地獲取知識、應(yīng)用知識、解決問題。通過與同伴共同努力來整理資料、分析處理和尋求問題的答案或結(jié)論，最終形成小組的汽車搭建方案。

3.成果交流：培養(yǎng)自主創(chuàng)新能力的收獲階段

合作學(xué)習(xí)后，由小組長代表全組學(xué)生對自己小組的汽車搭建方案進(jìn)行展示，并對選用的部件進(jìn)行詳細(xì)介紹，即為什么要選用這些裝置，這些裝置的作用。展示完畢，由其他各組成員對其進(jìn)行點(diǎn)評，并對該組進(jìn)行評分。同時，組內(nèi)每個成員對自己的表現(xiàn)進(jìn)行自我評分，并對小組其他成員進(jìn)行評分。最后，教師對各組進(jìn)行評價，指出各組的優(yōu)勢和不足之處供學(xué)生參考。

虛擬機(jī)器人本身就提供了給學(xué)生的充分想象空間，再加以使用小組合作學(xué)習(xí)，充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、創(chuàng)意性，學(xué)會與他人進(jìn)行交流，學(xué)會傾聽別人的想法，修正自己的觀點(diǎn)，激發(fā)出新的靈感。合作中的傾聽、分享、交流、互助與反思，擴(kuò)展了生生之間、師生之間的溝通網(wǎng)絡(luò)，從而在教學(xué)中構(gòu)建了立體動態(tài)的溝通途徑。成果交流中學(xué)生之間會有比較鑒別，會互相取長補(bǔ)短、優(yōu)勢互補(bǔ)，提高了學(xué)生的自評和他評能力，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步動手探索機(jī)器人奧秘的能力。拓展了學(xué)生個性化思維，鍛煉了學(xué)生的多向思維能力與創(chuàng)新精神，也展示了學(xué)生的創(chuàng)新能力，滿足學(xué)生對歸屬感和自尊感的需要。

通過半年來的實(shí)踐，根據(jù)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對信息技術(shù)的愛好有明顯的提高，這些社團(tuán)的成員玩電腦游戲的少了，利用課余時間進(jìn)行開發(fā)虛擬機(jī)器發(fā)的學(xué)生多了，原先家長是不允許孩子在家使用電腦的，現(xiàn)在多數(shù)家長已經(jīng)同意學(xué)生玩虛擬機(jī)器人2個小

時。在小組合作學(xué)習(xí)的實(shí)踐過程中使學(xué)生受益匪淺，每個學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中都多了一份責(zé)任與自信，虛擬機(jī)器人強(qiáng)大的便利性和對學(xué)生的創(chuàng)造要求，使學(xué)生學(xué)習(xí)后創(chuàng)新能力有所提高。

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（作者單位 浙江省杭州市袁浦中學(xué)）

編輯 司 楠