虛擬機(jī)器人校本課程開發(fā)的實(shí)踐探索

王戈 高馨介

開發(fā)背景

對信息技術(shù)學(xué)科而言，課程的內(nèi)容核心在哪里，培養(yǎng)學(xué)生什么樣的學(xué)科核心能力，是學(xué)術(shù)界一直爭論的問題，這兩個問題關(guān)系到信息技術(shù)學(xué)科的存在地位和發(fā)展。筆者經(jīng)過思考和實(shí)踐研究認(rèn)為：從信息技術(shù)學(xué)科的學(xué)科特點(diǎn)來看，本學(xué)科的內(nèi)容核心是程序算法，本學(xué)科培養(yǎng)的核心能力是信息技術(shù)的應(yīng)用能力和信息技術(shù)的自我更新能力。

對于小學(xué)生和中學(xué)生而言，程序算法比較枯燥，傳統(tǒng)的教學(xué)法很容易讓學(xué)生失去學(xué)習(xí)的興趣。因此程序算法的教學(xué)需要一個載體和工具，而機(jī)器人正是學(xué)生非常感興趣的學(xué)習(xí)載體。機(jī)器人融合了多種先進(jìn)技術(shù)，是中小學(xué)信息技術(shù)課程和綜合實(shí)踐課程的創(chuàng)新教育平臺，為信息技術(shù)教育帶來了新的活力，是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的有力抓手，機(jī)器人校本課程開發(fā)是學(xué)生機(jī)器人學(xué)習(xí)體驗(yàn)的起點(diǎn)。

目前能夠找到的機(jī)器人有三種，價格從高到低分別為：高端實(shí)體機(jī)器人、低成本實(shí)體機(jī)器人、虛擬機(jī)器人。高端實(shí)體機(jī)器人的價格相對偏高；低成本實(shí)體機(jī)器人目前還處于發(fā)展初期，各種硬件和軟件都不太成熟；為了更好地普及機(jī)器人教育，減少學(xué)校的支出成本，最終我們選擇了最廉價但很具有實(shí)用價值的機(jī)器人教育載體——虛擬機(jī)器人。老師們在探討的過程中發(fā)現(xiàn)了一個很好的平臺：中國兒童青少年威盛中國芯HTC計(jì)算機(jī)表演賽（簡稱計(jì)算機(jī)表演賽），其中一個比賽項(xiàng)目是3D仿真機(jī)器人賽，以虛擬機(jī)器人為載體，軟件是免費(fèi)的，可以很好地解決上述問題。

開發(fā)過程

計(jì)算機(jī)表演賽全國組委會邀請專家對北京市朝陽區(qū)中小學(xué)的信息技術(shù)教師進(jìn)行了多次培訓(xùn)（如圖1），在培訓(xùn)的過程中，教師們普遍感到這會是學(xué)生非常感興趣的一種課程，學(xué)生可以自己組裝機(jī)器人，然后通過編寫程序讓它完成一些有趣味的任務(wù)。但是對于缺乏編程基礎(chǔ)的學(xué)生來說這可能有一定的難度，部分老師在剛開始接觸時也感覺通過短期的培訓(xùn)很難迅速掌握這個軟件。后來就以計(jì)算機(jī)表演賽為平臺，逐步在一些學(xué)校開展虛擬機(jī)器人的校本選修課程。例如，第十七中學(xué)的郝秀杰老師、陳經(jīng)綸學(xué)校的劉中臻老師、陳經(jīng)綸學(xué)校帝景分校的范晶老師等都率先在自己的學(xué)校開展了校本課程的研究。利用計(jì)算機(jī)表演賽組委會給出的程序樣例，教師和學(xué)生們共同研究競賽地圖和競賽程序，取得了一些初步的成績，范晶老師指導(dǎo)的參賽選手還獲得了北京賽區(qū)一等獎的好成績。

隨著教師們的教學(xué)實(shí)踐深入開展，大家普遍感覺除了需要對機(jī)器人教學(xué)軟件進(jìn)一步學(xué)習(xí)和挖掘，更需要對虛擬機(jī)器人的校本課程進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，為師生提供一本合適的輔助教材。因此筆者組建了《虛擬機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)踐》教材編寫小組（如下頁圖2），同時在計(jì)算機(jī)表演賽全國組委會的大力支持下，借助浙江省信息技術(shù)教研員魏雄鷹老師、大興一中湯震老師和眾多一線教師的力量，進(jìn)行了教材的綱要編寫。

在各位教師按時完成各章節(jié)編寫后，主編進(jìn)行了認(rèn)真審閱，同時邀請相關(guān)專家把關(guān)，形成初步的電子稿教材。北京市朝陽區(qū)選定了約十所實(shí)驗(yàn)校，對電子稿教材進(jìn)行試用，通過一個學(xué)期的試用，實(shí)驗(yàn)校教師對教材提出了不少改進(jìn)意見。編寫組針對教師的改進(jìn)意見進(jìn)行認(rèn)真研討，并制定了改寫方案。

在各位教師的努力下，在各位專家的指導(dǎo)下，本書最終成形（如圖3），并在北京市朝陽區(qū)作為選修教材供各學(xué)校使用，各學(xué)?？梢栽诖私滩幕A(chǔ)上，根據(jù)本校的學(xué)生特點(diǎn)和學(xué)校文化，進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)。目前已有近二十所學(xué)校使用本選修教材開設(shè)虛擬機(jī)器人校本課程。

同時，為了更好地發(fā)揮首都的教育優(yōu)勢，促進(jìn)教育均衡，把我們的教育成果輻射到更多的地區(qū)，計(jì)算機(jī)表演賽全國組委會又將本書以公益的形式捐贈到全國各賽區(qū)進(jìn)行使用。高家園中學(xué)的穆穎老師作為教材編寫組成員還在全區(qū)范圍內(nèi)講了一節(jié)《虛擬機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)踐》的公開課（如圖4），受到了教師們的好評。

開發(fā)意義

作為北京市“區(qū)級信息技術(shù)選修教材開發(fā)與應(yīng)用研究”課題和“威盛中國芯HTC成長數(shù)字營”創(chuàng)新課堂項(xiàng)目的階段性成果，虛擬機(jī)器人校本課程的開發(fā)實(shí)踐研究有著不一般的意義：它將傳統(tǒng)的實(shí)體機(jī)器人虛擬化，擺脫了實(shí)體機(jī)器人硬件材質(zhì)和場地環(huán)境的限制，減少了學(xué)校投入。它面對的是全體學(xué)生，是真正的進(jìn)入課堂的機(jī)器人教育，而非以前只以比賽為目標(biāo)的小眾教育，體現(xiàn)了全員性，并為以后的實(shí)體機(jī)器人教育打下了良好的基礎(chǔ)，為新一輪課程改革提供了契機(jī)，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力提供了有效支持。

《虛擬機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)踐》校本課程以計(jì)算機(jī)表演賽中應(yīng)用的3D仿真機(jī)器人軟件進(jìn)行教學(xué)示范，系統(tǒng)地介紹了虛擬機(jī)器人的設(shè)計(jì)、搭建與仿真運(yùn)行。內(nèi)容安排由淺入深，在講解機(jī)器人的安裝、基本移動方法、沿基本形狀移動、沿軌跡行走、障礙檢測等操作方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合落地扇滅火、迷宮問題、圖書館查資料、暢游神州、火星尋寶等任務(wù)，循序漸進(jìn)地幫助學(xué)生掌握基本知識，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，既可以作為中小學(xué)信息技術(shù)相關(guān)課程的有效補(bǔ)充，也可以作為計(jì)算機(jī)表演賽的輔導(dǎo)選修課。

該課程既考慮到新課標(biāo)的要求，又兼顧課程內(nèi)容在講解邏輯上的合理性，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律安排內(nèi)容。創(chuàng)新性地嘗試學(xué)習(xí)流程的重新構(gòu)建，先對每章知識點(diǎn)的內(nèi)容進(jìn)行互動猜想，再進(jìn)行講解。增強(qiáng)閱讀體驗(yàn)，使學(xué)習(xí)過程變得有趣。注重解決問題的思路分析，任務(wù)設(shè)計(jì)力求從解決實(shí)際問題出發(fā)，讓學(xué)生親歷處理信息的過程，培養(yǎng)他們的學(xué)習(xí)能力和綜合實(shí)踐能力。為更好地適應(yīng)不同地區(qū)和不同學(xué)校的教學(xué)差異，課程考慮到不同層次的學(xué)生需求，對學(xué)習(xí)任務(wù)和練習(xí)題目的難度進(jìn)行了精心的安排。虛擬機(jī)器人校本課程的開發(fā)對信息技術(shù)教育起到了重要的推動作用，也指明了機(jī)器人教學(xué)的發(fā)展方向。