IRobotQ3D虛擬機器人課堂教學(xué)的實踐與探索

馬瑞麗

隨著智能技術(shù)的發(fā)展，機器人教育走進課堂，給信息技術(shù)基礎(chǔ)教育帶來了新的活力。為了創(chuàng)新中小學(xué)信息技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式，我們將機器人教育與IRobotQ3D結(jié)合起來，對其進行了一些有益的嘗試和探索。同時，我校也被定為小學(xué)六年級開展“LOGO語言”“虛擬仿真機器人”及“實物機器人”整合教學(xué)實驗的實驗學(xué)校。

● 任務(wù)設(shè)計，以生為本，突破難點，先分后合

任務(wù)設(shè)計要始終堅持以學(xué)生為本，盡可能做到符合學(xué)生的認知規(guī)律，考慮到他們的知識經(jīng)驗、生活實際和情感需求。在虛擬機器人課堂教學(xué)中，教師應(yīng)先分析教學(xué)目標和教學(xué)要求，然后將其巧妙地融入任務(wù)設(shè)計之中，并系統(tǒng)地進行規(guī)劃，分步驟地組合，采用循序漸進的策略，突破學(xué)習(xí)難點，分解學(xué)習(xí)任務(wù)。這樣久而久之，學(xué)生就能逐步掌握攻破學(xué)習(xí)難點的科學(xué)方法，有利于提高學(xué)生邏輯思維能力、規(guī)劃能力及分析問題和解決問題的能力。

例如，在進行輪式車形機器人的搭建任務(wù)中，如果讓學(xué)生直接完成，還是存在一定的困難。于是，我根據(jù)學(xué)生的認知規(guī)律，將大任務(wù)分解成若干小任務(wù)，如先完成一個右驅(qū)觀察裝置的搭建，并將它創(chuàng)建成模板等。然后采用同桌分工合作的辦法，讓其分別負責(zé)機器人另一個右驅(qū)動裝置的構(gòu)建和輔助輪裝置的構(gòu)建。這樣從簡單到復(fù)雜，從局部到整體，最終完成整個輪式車形機器人的搭建。這樣做可以將難點分散破解，比直接完成綜合性任務(wù)更為有效。同時，學(xué)生因成功完成前面的任務(wù)而享受到成功的喜悅，會更加努力地完成后面的任務(wù)。

● 創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生興趣

教學(xué)任務(wù)要具有情境性，我認為其中主要包括兩層含義：一是任務(wù)情境的創(chuàng)設(shè)，要與學(xué)生的生活、學(xué)習(xí)緊密結(jié)合才有意義，要能起到調(diào)動學(xué)生主動積極思考與探究的作用；二是任務(wù)情境的創(chuàng)設(shè)，要完整易懂，生動具體，形象逼真，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過完成任務(wù)而獲取一個有價值和有意義的成果。

例如，在“安全出站”任務(wù)中，我是這樣創(chuàng)設(shè)情境的：教師先出示由IRobotQ3D提供的名為“安全出站”的仿真場地，場景是一個公交車站，要求汽車機器人從起始位置沿箭頭所示方向駛出，先到達藍色檢修臺上進行檢修，完成檢修后駛出紅色出站口。然后提示任務(wù)：假如你是一名公交車司機，打算怎樣駕駛你的公交車駛出站口呢？這樣從學(xué)生的現(xiàn)實生活出發(fā)，在任務(wù)設(shè)計時創(chuàng)設(shè)生活化的情境，能讓學(xué)生積極思考、參與、討論，一起進行任務(wù)分析，從而說出用自然語言表示的算法設(shè)計，自然而然過渡到LOGO語言編程。最后教師可以及時引申到仿真平臺編程的算法設(shè)計和程序設(shè)計。學(xué)生通過體驗與實踐，懂得不僅要搭建簡單高效的機器人，還要編制有效的程序來解決任務(wù)中方方面面的問題，增強了對虛擬機器人的理解與感悟，激發(fā)了學(xué)習(xí)機器人的熱情。

● 貼近生活，聯(lián)系實際，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)地分析和解決問題的能力

在虛擬機器人教學(xué)中，設(shè)計教學(xué)任務(wù)時應(yīng)回歸現(xiàn)實，突出任務(wù)的科學(xué)性，同時引導(dǎo)學(xué)生把信息技術(shù)作為獲取信息、探索問題、協(xié)作解決問題的認知工具，在探索中掌握其他學(xué)科和信息技術(shù)的知識，在潛移默化中培養(yǎng)他們科學(xué)地分析問題和解決問題的能力。

例如，在“安全出站”任務(wù)中，學(xué)生在完成任務(wù)時發(fā)現(xiàn)，從起始位置向前直接駛往直角彎道時，車子反而會跑偏，甚至?xí)嶔?。如果將小車轉(zhuǎn)彎角度設(shè)置成90度直角，也會改變行駛方向。于是，我引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合現(xiàn)實生活中的汽車運動，來思考小車發(fā)生這種情況的原因。學(xué)生通過討論提出解決方案：根據(jù)現(xiàn)實生活中的情況，由于小車在行駛過程中會受實際環(huán)境的影響，如自身慣性等，所以需要給出0.5秒的等待時間，讓機器人電動機改變運動方向，這樣就不會出現(xiàn)顛簸和偏離的情況了。同時，還可以將科學(xué)課中摩擦力方面的知識遷移過來，得出在仿真環(huán)境中“RT”命令的參數(shù)值不一定是90度，應(yīng)根據(jù)實際路況及機器人驅(qū)動器性能等因素，進行適當?shù)男拚?。這樣通過模擬逼真的現(xiàn)實物理運動，強化了現(xiàn)實生活中很多不可忽視的因素，突出了科學(xué)性，大大加強了機器人教學(xué)與其他學(xué)科的知識整合，促進了學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的形成。

● 虛實結(jié)合，促生實踐，提升學(xué)生綜合能力和素養(yǎng)

虛擬機器人教學(xué)，可以幫助學(xué)生通過編制程序控制機器人在虛擬環(huán)境中的運動，來學(xué)習(xí)科學(xué)而高效的思維方式，從而提高邏輯思維能力、規(guī)劃能力。然而，機器人仿真畢竟是在計算機上構(gòu)建虛擬機器人和虛擬環(huán)境，編寫虛擬機器人的程序，這會使機器人運動過于理想化，學(xué)生與仿真機器人頻繁接觸，也會忽視仿真世界與客觀世界的聯(lián)系。這樣的話，不但難以達到仿真機器人的教學(xué)目的，而且不利于學(xué)生思維嚴謹性和周密性的培養(yǎng)，也不利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的形成。

因此，我在課堂教學(xué)過程中堅持運用“虛實結(jié)合”的方法，開展實體機器人教學(xué)，來培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。根據(jù)機器人的教學(xué)特點，我把每一單元的任務(wù)都分解為四個步驟：任務(wù)分析、搭建機器人、設(shè)計程序、調(diào)試修改機器人結(jié)構(gòu)或程序。對于每一個機器人項目，都要仔細分析其所要達到的要求、可以利用哪些傳感器、機器人的結(jié)構(gòu)要如何設(shè)計等，然后根據(jù)設(shè)想搭建好機器人，編制程序并下載運行。這一般要經(jīng)過多次的調(diào)試修改才能取得成功。這樣，學(xué)生通過主動探索、動手實踐，親身體驗了如何將抽象的理論變成觸手可及的答案的過程，培養(yǎng)了多方面的能力和素養(yǎng)。

● 以生為本，重視學(xué)生操作，關(guān)注學(xué)生個體差異

課堂上，教師在精心設(shè)計的情境激發(fā)出學(xué)生的探索欲后，不但要帶領(lǐng)學(xué)生分析情境中需要解決的問題，討論解決問題的方法，還要在學(xué)生的操作過程中，不斷巡視，及時發(fā)現(xiàn)問題。因為許多問題只有在學(xué)生親自操作后才能發(fā)現(xiàn)，甚至對教師已經(jīng)講解過的許多內(nèi)容，學(xué)生在操作過程中，依然會出現(xiàn)問題，此時教師的適時指導(dǎo)就顯得尤為重要。在信息技術(shù)課堂上，學(xué)生的個體差異尤為明顯，如不同學(xué)生對機器人的認知程度不一樣，另外，學(xué)生個體之間也存在一定的差異，如男生女生動手能力的差異、性格的差異、邏輯思維能力的差異等，這些都直接決定學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。

例如，實體機器人教學(xué)涉及機械結(jié)構(gòu)方面的知識及動手組裝，如果學(xué)生對這方面理解不夠深刻，加上時間倉促，就會影響教學(xué)效果，導(dǎo)致部分學(xué)生畏難而退，失去學(xué)習(xí)的興趣。因此，教師在巡視中要及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生操作中的問題，個別問題個別輔導(dǎo)，具有共性的問題適時地介入并在全班進行講解，更重要的是要及時發(fā)現(xiàn)有問題卻不敢提問的學(xué)生，幫助他們解決問題。同時，在設(shè)計任務(wù)時應(yīng)以學(xué)生為本，設(shè)計適合不同層次的學(xué)生的任務(wù)，這樣不僅能調(diào)動學(xué)生積極參與的熱情，還能滿足他們強烈的求知欲望。

總之，虛擬機器人教學(xué)既有明顯的程序特征，又有典型的應(yīng)用特點。教師不僅要根據(jù)教學(xué)目標設(shè)計有效的教學(xué)任務(wù)，還要深入研究學(xué)生的身心發(fā)展特點，因材施教，使他們能通過對虛擬機器人的學(xué)習(xí)，真正發(fā)展與提升創(chuàng)新思維、動手實踐能力等，為其今后的學(xué)習(xí)、工作、生活打下良好的基礎(chǔ)。