淺談虛擬機(jī)器人的校本課程開(kāi)發(fā)

張迪

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是人工智能與機(jī)器人的結(jié)合，機(jī)器人不再局限于工業(yè)應(yīng)用和研究所內(nèi)，它已經(jīng)進(jìn)入教育領(lǐng)域，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(tái)，能為信息技術(shù)教育帶來(lái)新的活力。本文詳述了虛擬機(jī)器人的校本課程開(kāi)發(fā)，及其在中小學(xué)教育中產(chǎn)生的影響，并提出了虛擬機(jī)器人教育發(fā)展的未來(lái)展望。

關(guān)鍵詞：虛擬機(jī)器人；校本課程

中圖分類(lèi)號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2017）13/14-0161-03

機(jī)器人是信息技術(shù)發(fā)展的前沿領(lǐng)域，是一門(mén)具有高度綜合滲透性、前瞻未來(lái)性、創(chuàng)新實(shí)踐性的學(xué)科，蘊(yùn)涵著極其豐富的教育資源。隨著虛擬技術(shù)的不斷完善，虛擬機(jī)器人技術(shù)逐漸出現(xiàn)在教育教學(xué)中，特別是在校本課程的開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與魅力。下面，筆者就談?wù)勌摂M機(jī)器人技術(shù)的校本課程開(kāi)發(fā)。

● 初識(shí)虛擬機(jī)器人

目前，按價(jià)格從高到底能找到的機(jī)器人有高端實(shí)體機(jī)器人、低成本實(shí)體機(jī)器人和虛擬機(jī)器人三種。高端實(shí)體機(jī)器人的價(jià)格相對(duì)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。因此，為了更好地普及機(jī)器人教育，同時(shí)減少學(xué)校的支出，我們最終選擇了具有實(shí)用價(jià)值的機(jī)器人教育載體——虛擬機(jī)器人。虛擬機(jī)器人教學(xué)不需要機(jī)器人硬件，只是在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)、搭建、制作機(jī)器人編程，所以它降低了學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人的成本，使其能有更多機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)機(jī)器人，受益于機(jī)器人教育。

● 虛擬機(jī)器人教育走進(jìn)基礎(chǔ)教育的形式

目前，虛擬機(jī)器人教育進(jìn)入中小學(xué)的主要形式是競(jìng)賽活動(dòng)。學(xué)生能通過(guò)競(jìng)賽培養(yǎng)綜合能力。縱觀各地中小學(xué)機(jī)器人教育的方式，大致可以分為如下幾種：

一是通過(guò)學(xué)校、少年宮、少科站等單位吸收機(jī)器人愛(ài)好者，組成虛擬機(jī)器人小組，代表地區(qū)參加各類(lèi)競(jìng)賽活動(dòng)。這種形式是虛擬機(jī)器人進(jìn)入中小學(xué)教育視野最多也最有效的方法。

二是把虛擬機(jī)器人技術(shù)學(xué)習(xí)放入綜合實(shí)踐活動(dòng)課中普及。

三是把虛擬機(jī)器人作為信息技術(shù)課的內(nèi)容之一寫(xiě)入中小學(xué)信息技術(shù)教育課程，這種形式正在形成期，教材的編寫(xiě)、課程的常規(guī)性開(kāi)設(shè)正在起步。

四是虛擬機(jī)器人教育作為研究性課程的形式進(jìn)入中小學(xué)，這種形式的推廣會(huì)更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

● 扎實(shí)有效地開(kāi)展學(xué)習(xí)虛擬機(jī)器人校本課程

虛擬機(jī)器人教學(xué)是一門(mén)新興的課程，它的主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)器人的興趣，使他們了解和掌握機(jī)器人的基本知識(shí)和技能，了解技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用對(duì)人類(lèi)生活和科學(xué)的深刻影響。虛擬機(jī)器人課程屬于綜合實(shí)踐活動(dòng)課范疇，如何組織和開(kāi)展好課堂教學(xué)，需要把握以下幾點(diǎn)。

1.培養(yǎng)學(xué)生的主體性

在編程調(diào)試的過(guò)程中，讓每位學(xué)生都參與編程和調(diào)試活動(dòng)，重視學(xué)生的主體參與、自我探究、自我發(fā)現(xiàn)，注重對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的培養(yǎng)，注重學(xué)生體驗(yàn)、感悟和實(shí)踐的過(guò)程，注重學(xué)生個(gè)性的健康發(fā)展，以及創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力、探索能力、研究性學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

2.發(fā)揮教師的主導(dǎo)性

在機(jī)器人課堂教學(xué)活動(dòng)中，由于課程本身的難度大、靈活性高，所以教師的主導(dǎo)作用是非常重要的。如何把復(fù)雜的問(wèn)題講得通俗易懂，把理論指導(dǎo)變成程序設(shè)計(jì)，最后引導(dǎo)學(xué)生把自己的所得通過(guò)實(shí)踐展示出來(lái)，這需要教師做充分的課前準(zhǔn)備和大量的實(shí)踐嘗試。

3.培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神，注重小組合作

在機(jī)器人課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生的動(dòng)手能力、編程能力等個(gè)體差異比較大，所以在教學(xué)中既要兼顧學(xué)習(xí)好的學(xué)生，讓其能更深入地開(kāi)展學(xué)習(xí)，又要帶動(dòng)學(xué)習(xí)有困難的學(xué)生。一般可以將學(xué)生分成若干個(gè)小組，組建相對(duì)固定的學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)來(lái)開(kāi)展學(xué)習(xí)和研究。

4.使用靈活多樣的教學(xué)方法

在課堂教學(xué)中應(yīng)根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容和需要，靈活選用講授、項(xiàng)目引導(dǎo)、直觀演示、小組討論等多種方法，避免讓學(xué)生在某種固定模式下產(chǎn)生學(xué)習(xí)疲勞。

5.完善課堂評(píng)價(jià)方式，讓學(xué)生體驗(yàn)成功的樂(lè)趣

在課堂教學(xué)過(guò)程中，要多方位、多角度地看待每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)，少注重結(jié)果，多注重學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主探究的過(guò)程。教師對(duì)學(xué)生的每一點(diǎn)進(jìn)步、每一點(diǎn)成功都及時(shí)給予表?yè)P(yáng)和鼓勵(lì)，隨時(shí)讓他們?cè)趯W(xué)習(xí)的過(guò)程中感受著成功的喜悅。這種愉悅的心情也會(huì)更加促使他們自主、自愿地投入到學(xué)習(xí)、探究中。

6.借力IRobotQ3D，打造校本課程

自從接觸了IRobotQ3D軟件以后，校本課程開(kāi)發(fā)之夢(mèng)逐漸成為現(xiàn)實(shí)。IRobotQ3D軟件不僅能提供非常豐富、逼真的場(chǎng)景，還能提供更多的機(jī)器人組件，更能基于網(wǎng)絡(luò)的互動(dòng)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。作為教師，不僅可以通過(guò)IRobotQ3D軟件讓學(xué)生感受各種機(jī)器人組件，使其有更豐富的體驗(yàn)，還可以自己設(shè)置場(chǎng)景，讓學(xué)生以個(gè)人或小組為單位完成個(gè)性化的練習(xí)、比賽任務(wù)，這樣，學(xué)生就有了更大的發(fā)揮、創(chuàng)造空間和平臺(tái)。同時(shí)，虛擬機(jī)器人的校本課程開(kāi)發(fā)還可以延伸到學(xué)生的家庭及假期生活，無(wú)論學(xué)生在哪個(gè)地方，只要能上網(wǎng)，他就能登錄服務(wù)器，參與到活動(dòng)中來(lái)。

● 虛擬機(jī)器人技術(shù)在中小學(xué)教育中產(chǎn)生的影響

虛擬機(jī)器人是進(jìn)行信息技術(shù)教育的有效載體，機(jī)器人教育旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和綜合實(shí)踐能力。隨著我國(guó)基礎(chǔ)教育信息化的發(fā)展，機(jī)器人教育正越來(lái)越被人們所關(guān)注。近幾年，許多中小學(xué)都開(kāi)始利用機(jī)器人教育來(lái)促進(jìn)信息技術(shù)教育，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。機(jī)器人逐漸成為青少年能力、素質(zhì)培養(yǎng)的智能平臺(tái)。

1.促進(jìn)教育方式的變革

在機(jī)器人教育中，課堂以學(xué)生為中心，教師作為指導(dǎo)者提供學(xué)習(xí)材料和建議。學(xué)生必須自己去學(xué)習(xí)知識(shí)，構(gòu)建知識(shí)體系，提出解決方案，從而有效培養(yǎng)了動(dòng)手能力、創(chuàng)新思維能力。

2.有效激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、動(dòng)機(jī)

“寓教于樂(lè)”是我們教育追求的目標(biāo)，也是教育游戲成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)的一個(gè)原因，所以學(xué)習(xí)興趣是學(xué)生學(xué)習(xí)成功的重要因素。機(jī)器人教育可以通過(guò)比賽的形式，來(lái)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人的興趣，使其得到周?chē)h(huán)境的認(rèn)可和贊賞，進(jìn)而激發(fā)他們的斗志和拼博精神。

3.擴(kuò)大知識(shí)面，轉(zhuǎn)換思維方式，培養(yǎng)空間思維能力與大局意識(shí)

在對(duì)機(jī)器人的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)對(duì)搭建機(jī)器人過(guò)程中的實(shí)際問(wèn)題的解決，可以學(xué)到模擬電路、力學(xué)等方面知識(shí)，這不但促進(jìn)了物理學(xué)科、計(jì)算機(jī)學(xué)科等教學(xué)，還擴(kuò)大、加深了學(xué)生的科學(xué)知識(shí)；通過(guò)為機(jī)器人編寫(xiě)程序，學(xué)生不但學(xué)到了計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言、算法等顯性知識(shí)，還學(xué)到了科學(xué)而高效的思維方式，邏輯判斷思維、系統(tǒng)思維等隱性知識(shí)。借助虛擬機(jī)器人完成夢(mèng)想的過(guò)程，必將經(jīng)歷提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程，而這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生會(huì)不斷地反思自己的工作，一次次提升自己觀察、思考問(wèn)題的角度和高度。機(jī)器人的搭建不僅是對(duì)學(xué)生空間思維能力的訓(xùn)練，更是對(duì)學(xué)生的大局觀和綜合分析問(wèn)題能力的訓(xùn)練。

4.培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力

機(jī)器人教育大多以小組形式開(kāi)始，機(jī)器人的學(xué)習(xí)、競(jìng)賽實(shí)際上是一個(gè)團(tuán)體學(xué)習(xí)的過(guò)程。它需要學(xué)習(xí)者團(tuán)結(jié)協(xié)作，包容小組其他成員的缺點(diǎn)和不足，能夠與他人進(jìn)行有效的溝通與交流。學(xué)習(xí)者在實(shí)踐鍛煉中提高自己的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，這種方式比普通的教育方式、方法更加有效。

5.培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

創(chuàng)新已經(jīng)成為社會(huì)進(jìn)步的原動(dòng)力，而虛擬機(jī)器人技術(shù)具有科技含量高、創(chuàng)新性強(qiáng)的特點(diǎn)。在虛擬機(jī)器人校本課程開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，學(xué)生可以根據(jù)自己的想法，隨意動(dòng)手完成機(jī)器人的拼裝工作。在學(xué)生將自己心中的機(jī)器人變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的過(guò)程中，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生勇于探索，應(yīng)使用與眾不同的方法、思路，全力支持學(xué)生有創(chuàng)意的想法或做法，這樣能鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)和激發(fā)他們的創(chuàng)新精神，提高他們的綜合素質(zhì)。

6.培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)變能力

由于虛擬機(jī)器人的運(yùn)行會(huì)受場(chǎng)景、時(shí)間等因素的影響，所以制作機(jī)器人時(shí)要考慮很多因素。例如，在虛擬機(jī)器人（足球、滅火燈）的制作環(huán)節(jié)，競(jìng)賽要求選手根據(jù)實(shí)際情況，不斷搭建、編程、調(diào)試，完成規(guī)定的競(jìng)賽項(xiàng)目，具備應(yīng)變能力和處理突發(fā)事件的能力，這就要求教師在平時(shí)訓(xùn)練中要注重培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)變能力。

7.培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)習(xí)慣與邏輯思維能力

從機(jī)器人的搭建，到讓機(jī)器人完成既定任務(wù)，是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。要讓設(shè)計(jì)的機(jī)器人完成任務(wù)，程序必不可少，而設(shè)計(jì)者的想法與策略是否合理，機(jī)器人的行動(dòng)就是最好的檢驗(yàn)。在程序的編寫(xiě)過(guò)程中，即使是最微小的語(yǔ)法錯(cuò)誤，也會(huì)影響到機(jī)器人的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，所以完成程序的編寫(xiě)及調(diào)試的過(guò)程，是對(duì)學(xué)生邏輯思維能力及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)習(xí)慣進(jìn)行訓(xùn)練的最佳機(jī)會(huì)。經(jīng)過(guò)編程洗禮的學(xué)生，在學(xué)習(xí)及日后的工作、生活中必將擁有更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)思維習(xí)慣。

● 虛擬機(jī)器人教育發(fā)展未來(lái)展望

虛擬機(jī)器人教育有如下一些特點(diǎn)：①在設(shè)計(jì)和搭建虛擬機(jī)器人的過(guò)程中，不僅要?jiǎng)幽X，更重要的是要?jiǎng)邮?。②在控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)任務(wù)的過(guò)程中，不僅要運(yùn)用物理學(xué)中的力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)，而且還要運(yùn)用機(jī)械學(xué)中的齒輪傳動(dòng)、帶條傳動(dòng)、連桿傳動(dòng)等聯(lián)動(dòng)原理知識(shí)。③在操作機(jī)器人完成工作的過(guò)程中，要運(yùn)用電腦編程知識(shí)。④對(duì)已經(jīng)搭建好、能夠正常工作的機(jī)器人的形體進(jìn)行審美選擇，既保持個(gè)性形體，也要運(yùn)用美學(xué)方面的知識(shí)。⑤比賽過(guò)程中的團(tuán)隊(duì)合作，要求參賽隊(duì)員之間的相互合作、隊(duì)與隊(duì)之間的友誼合作等，要運(yùn)用社會(huì)公德和約定俗成的文化知識(shí)。因此，虛擬機(jī)器人教育必將受到青少年學(xué)生、家長(zhǎng)、教育機(jī)構(gòu)以及當(dāng)今社會(huì)的歡迎。由于我國(guó)的虛擬機(jī)器人教育才剛剛起步，所以筆者希望它能得到社會(huì)各界有識(shí)之士的支持和關(guān)注，特別是希望有識(shí)的教育決策者、教育領(lǐng)導(dǎo)者和教育工作者能夠抓住這一教育改革創(chuàng)新的先機(jī)，推進(jìn)我國(guó)素質(zhì)教育的可操作性實(shí)踐發(fā)展，將信息技術(shù)教育推進(jìn)到一個(gè)新的高度。

目前，中小學(xué)虛擬機(jī)器人教育活動(dòng)已從原來(lái)僅限于在科技站、少年宮里進(jìn)行，發(fā)展到學(xué)校，走進(jìn)了課堂。虛擬機(jī)器人大賽能讓中小學(xué)生較早地接觸到科技新知識(shí)，從而接受動(dòng)手、動(dòng)腦等方面能力的訓(xùn)練。相信隨著中小學(xué)虛擬機(jī)器人教育實(shí)踐的不斷開(kāi)展，機(jī)器人教育條件的不斷成熟，我國(guó)的中小學(xué)虛擬機(jī)器人教育必將迎來(lái)一個(gè)快速發(fā)展期。