基于3D仿真平臺(tái)的初中機(jī)器人教學(xué)設(shè)計(jì)

趙義純

摘 要：本文采用實(shí)踐教學(xué)法，以社團(tuán)課程“金字塔之勇敢前進(jìn)機(jī)器人”為例，利用3D仿真平臺(tái)進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)，構(gòu)建出初中機(jī)器人課程的教學(xué)環(huán)境，并在機(jī)器人課堂教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。在教學(xué)過程中，始終以具體的任務(wù)為主體，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)興趣。這為其他教師利用3D仿真平臺(tái)進(jìn)行初中機(jī)器人課程的教學(xué)提供了參考。

關(guān)鍵詞：3D仿真平臺(tái);機(jī)器人教育;教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-0069（2018）05-0071-07

21世紀(jì)以來(lái)，智能機(jī)器人技術(shù)發(fā)展日益加快，其核心技術(shù)水平逐漸成為科技發(fā)展的重要指標(biāo)。培養(yǎng)具備機(jī)器人技術(shù)的高素質(zhì)人才，需要從基礎(chǔ)教育階段抓起，而提高學(xué)生對(duì)機(jī)器人研究現(xiàn)狀的認(rèn)識(shí)及加強(qiáng)其對(duì)相關(guān)技術(shù)與知識(shí)的掌握尤為重要。

一、國(guó)內(nèi)外機(jī)器人研究綜述

（一）機(jī)器人教育理論探討

艾米·江口（Amy Eguchi）提出機(jī)器人青少年世界杯（RoboCupJunior）能夠促進(jìn)STEM教育[1]。德米特里·巴茲萊夫（Dmitry Bazylev）等人介紹了機(jī)器人比賽有助于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)控制理論與計(jì)算機(jī)科學(xué)的興趣[2]。王益以STS（科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)）理念為基礎(chǔ)，探討如何將STS理念融入到中小學(xué)機(jī)器人教育中[3]。趙加興等人闡述合作學(xué)習(xí)理論在機(jī)器人教學(xué)中的應(yīng)用，并從教室布置方案、優(yōu)質(zhì)二人分組方式、“任務(wù)輪換—組內(nèi)互教”三方面進(jìn)行具體闡述[4]。李立玉等人闡述了任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在中小學(xué)機(jī)器人教學(xué)中的應(yīng)用，并提出該方法能培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作與積極探索精神[5]。

（二）機(jī)器人教育的課程研究

林內(nèi)特（J. Linert）等人進(jìn)行機(jī)器人課程教學(xué)，根據(jù)教學(xué)成果提出“成本導(dǎo)向的自動(dòng)化課程”[6]。赤田澤·愛克（Tetsuya Akagi）等人將機(jī)器人競(jìng)賽作為學(xué)生學(xué)習(xí)課程的一部分，并確認(rèn)教學(xué)效果[7]。瑪麗娜·U.貝斯（Marina Umaschi Bers）等人通過建構(gòu)基于機(jī)器人的課程，發(fā)現(xiàn)幼兒園的孩子能夠?qū)W習(xí)計(jì)算機(jī)編程知識(shí)[8]。張新對(duì)中學(xué)校本課程建設(shè)進(jìn)行研究，對(duì)機(jī)器人教育的價(jià)值和發(fā)展前景進(jìn)行闡述[9]。張振堂圍繞機(jī)器人校本課程的課程性質(zhì)、任務(wù)、特點(diǎn)及教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容等方面進(jìn)行介紹[10]。孫媛媛闡述了中小學(xué)機(jī)器人課程的設(shè)計(jì)與開發(fā)理論，并對(duì)機(jī)器人課程的指導(dǎo)綱要進(jìn)行概述[11]。

（三）機(jī)器人教育的技術(shù)與工具研究

沙維爾·蒂羅（Xavier Tillou）等人運(yùn)用機(jī)器人手術(shù)模擬器對(duì)醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)培訓(xùn)并評(píng)估訓(xùn)練效果[12]。馬丁·卡爾（Martin Kalúz）等人提出能模擬交通情況并提出控制方案的教育機(jī)器人，并以實(shí)際案例證明該機(jī)器人模擬器的巨大價(jià)值[13]。張祺等人通過研究機(jī)器人足球比賽，提出直觀有效的比賽決策程序方法，降低了少年兒童參加機(jī)器人足球賽的限制[14]。趙姝穎等人分析了國(guó)內(nèi)外機(jī)器人比賽，探究比賽中傳感器信息融合、機(jī)器人決策系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制等技術(shù)[15]。李龍?zhí)骄拷逃龣C(jī)器人的物理仿真系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出機(jī)器人搭建模塊、圖形化編程模塊和機(jī)器人仿真模塊，并將這些設(shè)計(jì)變成現(xiàn)實(shí)[16]。

（四）機(jī)器人教育的教學(xué)設(shè)計(jì)研究

蒂莫·奧克森（Timo Oksanen）等人提出機(jī)器人比賽的教學(xué)目標(biāo)[17]。迪利克·卡拉霍卡（Dilek

Karahoca）等人在課程研究中得出，在機(jī)器人課程中，學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和解決問題的能力得到提高[18]。李鳴華針對(duì)中小學(xué)的機(jī)器人教育課程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)探究，對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)中的學(xué)習(xí)需要、教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容、策略等方面進(jìn)行詳細(xì)的闡釋[19]。王娟構(gòu)建出STEM視野下的ADDIE模型，并設(shè)計(jì)出機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)的具體案例[20]。張秀杰以中小學(xué)機(jī)器人教育的教學(xué)設(shè)計(jì)為主題，具體分析機(jī)器人教育課程以及課堂教學(xué)環(huán)節(jié)[21]。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外機(jī)器人教育的文獻(xiàn)研究，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人教育在課堂教學(xué)中具有重大價(jià)值和意義。

二、3D仿真平臺(tái)教學(xué)應(yīng)用的可行性分析

3D仿真平臺(tái)從功能上來(lái)說是一款虛擬機(jī)器人軟件平臺(tái)。本研究采用的是IROBOTQ 3D仿真平臺(tái)，它是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人教育和創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)。該平臺(tái)通過虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)和三維建模技術(shù)，將機(jī)器人教育的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行高度的三維立體仿真。平臺(tái)中擁有豐富的智能組件庫(kù)和簡(jiǎn)單易學(xué)的行為設(shè)計(jì)系統(tǒng)，能夠較好地幫助學(xué)生了解和學(xué)習(xí)機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)與技能。

（一） 從教學(xué)設(shè)施的角度分析

筆者以重慶市H中學(xué)為例，它屬于重慶市重點(diǎn)中學(xué)，它的三個(gè)計(jì)算機(jī)教室配備有較為先進(jìn)的計(jì)算機(jī)設(shè)備，安裝有3D仿真平臺(tái)、Photoshop軟件、C++編輯軟件等多種軟件。良好的軟件和硬件設(shè)施不僅利于教學(xué)活動(dòng)順利開展，還利于學(xué)生獲得更好的學(xué)習(xí)效果。

（二） 從教學(xué)成本的角度分析

下表為3D仿真平臺(tái)的價(jià)格體系：

重慶市H中學(xué)所采用的是60個(gè)用戶的機(jī)房版，進(jìn)行機(jī)器人教育教學(xué)時(shí)，教師到機(jī)房授課，能充分滿足使用需求。這一版本的3D仿真平臺(tái)價(jià)格為15000元，在滿足教學(xué)要求的基礎(chǔ)上能夠降低教學(xué)成本。

（三）從教學(xué)模式的角度分析

教師通過3D仿真平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人知識(shí)，掌握相關(guān)技能。在教學(xué)過程中，教師不再是傳統(tǒng)意義上課程內(nèi)容與學(xué)科知識(shí)的傳授者，更是學(xué)生學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者與輔助者。學(xué)生通過3D仿真平臺(tái)可以采取自主學(xué)習(xí)或小組合作探究的方式來(lái)分析和解決問題。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，是學(xué)習(xí)的主動(dòng)參與者。因此，3D仿真平臺(tái)的教學(xué)應(yīng)用符合現(xiàn)在提倡的“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的教學(xué)模式。

（四）從機(jī)器人教育自身特點(diǎn)的角度分析

機(jī)器人教育有如下特點(diǎn)：為學(xué)生發(fā)揮想象力提供平臺(tái);教學(xué)方法多樣化;評(píng)價(jià)方式多元化;具有明顯的學(xué)科交叉性;具有很強(qiáng)的實(shí)踐操作屬性;容易提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。綜上所述，筆者認(rèn)為使用3D仿真平臺(tái)進(jìn)行機(jī)器人的教學(xué)基本符合機(jī)器人教育的特點(diǎn)。

三、教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）學(xué)情分析

在重慶市H中學(xué)有很多社團(tuán)，本次課程設(shè)計(jì)屬于“虛擬機(jī)器人”社團(tuán)課程。教學(xué)對(duì)象是初中二年級(jí)學(xué)生，這些參加“虛擬機(jī)器人”社團(tuán)的學(xué)生，已經(jīng)具備一定的虛擬機(jī)器人知識(shí)基礎(chǔ)。因而在給社團(tuán)班級(jí)上課時(shí)，需要對(duì)課程內(nèi)容有很好的把握，并且課程要有一定的難度。

（二）教學(xué)內(nèi)容分析

本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容有：灰度傳感器的安裝與使用，距離傳感器的安裝與使用及海拔傳感器的安裝與使用;“金字塔之勇敢前進(jìn)機(jī)器人”的搭建，“金字塔之勇敢前進(jìn)機(jī)器人”的程序編寫，“金字塔之勇敢前進(jìn)機(jī)器人”運(yùn)動(dòng)方式的探究。

（三）教學(xué)目標(biāo)分析

知識(shí)與技能目標(biāo)：學(xué)生能夠掌握灰度傳感器、距離傳感器和海拔傳感器的安裝和使用;能夠熟練操作“金字塔之勇敢前進(jìn)機(jī)器人”的搭建，理解“金字塔之勇敢前進(jìn)機(jī)器人”的程序編寫。

過程與方法目標(biāo)：理解“金字塔之勇敢前進(jìn)機(jī)器人”的任務(wù)完成過程，體驗(yàn)和熟悉探究學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)過程，并掌握探究學(xué)習(xí)與合作學(xué)習(xí)方法。

情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的探究精神和團(tuán)隊(duì)合作精神。

（四）教學(xué)過程

（五）板書設(shè)計(jì)

四.教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)用評(píng)價(jià)

（一）教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容評(píng)價(jià)

在教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)中，筆者采用的是三維目標(biāo)設(shè)計(jì)，通過教學(xué)實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生能夠達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的要求，但還是有一小部分學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有一定差距，尤其是在程序編寫環(huán)節(jié)有較大差距。

在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)中，筆者設(shè)計(jì)了5節(jié)具體的教學(xué)內(nèi)容，這5節(jié)教學(xué)內(nèi)容都以具體的任務(wù)為主體，充分體現(xiàn)了任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法。整體上而言，教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)基本符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)及學(xué)習(xí)能力，對(duì)于學(xué)生掌握機(jī)器人相關(guān)知識(shí)有較大幫助。

（二）教學(xué)策略設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

在教學(xué)策略的設(shè)計(jì)中，不僅包括了對(duì)教學(xué)任務(wù)的要求，同時(shí)體現(xiàn)出對(duì)于教學(xué)方法的選擇。在本研究中，筆者共設(shè)計(jì)了4種教學(xué)策略，在教學(xué)實(shí)踐中，以協(xié)作學(xué)習(xí)策略與自主學(xué)習(xí)策略為主，以練習(xí)策略與展示策略為輔。通過不同教學(xué)策略的融合使用，從而達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果的目的。

（三）教學(xué)方法設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

在教學(xué)方法的設(shè)計(jì)中，筆者主要設(shè)計(jì)了任務(wù)驅(qū)動(dòng)法、講授法與討論法。根據(jù)初中機(jī)器人教育的課程特點(diǎn)及實(shí)踐效果來(lái)看，筆者設(shè)計(jì)的教學(xué)方法產(chǎn)生了較好的效果。

筆者采用多元化的評(píng)價(jià)方式對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，能夠更真實(shí)地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況與學(xué)習(xí)狀態(tài)。在教學(xué)過程中，教師需要積極引導(dǎo)學(xué)生去思考，讓學(xué)生去發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，而不只是知識(shí)的傳授者。這樣能夠充分地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和參與性。 在教學(xué)過程中，運(yùn)用小組合作的教學(xué)方法能夠增強(qiáng)學(xué)生的集體榮譽(yù)感和團(tuán)隊(duì)的合作精神，有利于學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握。對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)成果要及時(shí)給予評(píng)價(jià)。學(xué)生對(duì)于小組合作完成的成果比較重視，他們期待教師和其他同學(xué)給予一定的評(píng)價(jià)。如果及時(shí)給予評(píng)價(jià)，將能夠?qū)W(xué)生的學(xué)習(xí)產(chǎn)生積極的效果。

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Instructional Design of Junior Middle School Robot Based on the 3D Simulation Platform

ZHAO Yichun

（Xincheng Campus of Jiangsu Huaiyin Middle School，Huaian，Jiangsu，China 223001）

Abstract： Adopting the practice-based teaching approach，and taking the community course "Pyramid：A Boldly-Moving-Forward Robot" as an example，this paper carries out an instructional design by using a 3D simulation platform.It constructs a teaching environment for the junior high school robot course，and based on the robot classroom teaching practice，it conducts a systematic evaluation on the course.In the teaching process，specific tasks are always the main body，which fully stimulates students enthusiasm and interest in learning.This provides a reference for other teachers to use the 3D simulation platform to teach the robot course in junior high schools.

Key words： 3D simulation platform;robot education;instructional design