虛擬技術(shù)在信息技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用分析

福建省三明市永安市西門小學(xué) 鄒運鐘

一、虛擬機(jī)器人與小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)結(jié)合的意義

隨著《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》的正式發(fā)布，中小學(xué)信息技術(shù)課程越來越重視人工智能知識的普及教育、創(chuàng)新研究。中小學(xué)教材都有不少人工智能方面的教學(xué)內(nèi)容，這部分知識需要利用便捷的人工智能設(shè)備開展教學(xué)，而大量采購人工智能設(shè)備，包括硬件的維護(hù)，需要大量的資金支持，因而可以采購部分人工智能教學(xué)資源包，活動體驗時，每一個小組分一套人工智能設(shè)備，再配合虛擬機(jī)器人軟件進(jìn)行教學(xué)。每位學(xué)生先用軟件搭建機(jī)器人，規(guī)劃好機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，編制好機(jī)器人的程序，測試成功后再進(jìn)行實體機(jī)器人的組裝和程序調(diào)試。相比每個人都進(jìn)行實體搭建，可以減少資金投入，也節(jié)省了大量檢查、準(zhǔn)備整理器材的工作，提高了信息技術(shù)課堂教學(xué)的效率。

虛擬機(jī)器人是利用虛擬軟件按照用戶需要直觀地選擇、搭建機(jī)器人，虛擬出的機(jī)器人可以在顯示屏中直觀地顯示出來，該機(jī)器人可以加載用戶預(yù)先編制的程序，按照編制的程序運行，生動模擬出機(jī)器人活動的過程。因此，虛擬機(jī)器人特別適合運用于信息技術(shù)教育教學(xué)中的編程教育、機(jī)器人探究活動。例如，設(shè)計一個循跡機(jī)器人，在設(shè)計好了適合通過指定路線的機(jī)器人小車后，可以在機(jī)器人前端兩側(cè)安裝兩個灰度傳感器，利用While 循環(huán)和If 條件判斷編制出機(jī)器人程序，先在虛擬軟件中測試機(jī)器人運行情況，測試成功后，經(jīng)小組討論后將最優(yōu)化的程序下載到真實的機(jī)器人中進(jìn)行實踐探究。這個探究過程減少了噴繪場地紙的過程，避免了過度頻繁使用機(jī)器人設(shè)備，即節(jié)省了資金的投入，又避免了機(jī)器人設(shè)備高負(fù)荷運行而損壞。

目前，各種虛擬機(jī)器人仿真系統(tǒng)、虛擬機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺正被廣泛運用于機(jī)器人教育活動中。隨著虛擬機(jī)器人技術(shù)越來越成熟，它已成為機(jī)器人教育、競賽活動中不受設(shè)備、場地局限的一種延伸，使普及機(jī)器人教育變得更便捷、更有效。

二、利用VR 虛擬技術(shù)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

在學(xué)校沒有設(shè)備、現(xiàn)場環(huán)境的情況下，虛擬機(jī)器人雖然能便捷地讓學(xué)生參與機(jī)器人活動，但是長期面對電腦，沒有經(jīng)常親自動手，缺乏多角度直視的經(jīng)歷，學(xué)生的參與欲望會逐漸降低，慢慢就會厭倦這種學(xué)習(xí)方式。利用VR 虛擬現(xiàn)實技術(shù)就可以解決這個問題。如果能采用新穎的科技手段，讓學(xué)生身臨其境地回歸真實場景，學(xué)生的興趣更容易被調(diào)動起來。

信息技術(shù)課程的教學(xué)中，教師不僅要在課上關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)特點，也要及時與學(xué)生交流互動，以便全面掌握學(xué)生的個性特點，進(jìn)而采用適合學(xué)生學(xué)習(xí)的教學(xué)方式。教師可將現(xiàn)實的機(jī)器人教學(xué)與虛擬機(jī)器人教學(xué)穿插進(jìn)行，并配合VR 虛擬技術(shù)作為教學(xué)的延伸。不管是現(xiàn)場的機(jī)器人教學(xué)還是虛擬機(jī)器人教學(xué)，教師都要盡可能地為學(xué)生創(chuàng)設(shè)直觀形象的教學(xué)場景，讓學(xué)生能有沉浸于科學(xué)研究和探索的欲望，這樣才能使學(xué)生的學(xué)習(xí)活動更加積極、主動。

例如，當(dāng)前部分品牌可以虛擬出許多機(jī)器人運行的場景，如同游戲中的多個關(guān)卡，學(xué)生可在電腦或手機(jī)App 中編制機(jī)器人程序。戴上VR 眼鏡，可以身臨其境般感受到自己進(jìn)入每一個關(guān)節(jié)，看清機(jī)器人運行的每一個細(xì)節(jié)，遇到問題再修改程序。如同玩游戲一般讓學(xué)生成為主角，學(xué)習(xí)的效果就顯著地提高了。VR 虛擬現(xiàn)實技術(shù)讓學(xué)生的學(xué)習(xí)增加了現(xiàn)場感，能把現(xiàn)實無法做到的跨時空場景直接搬到學(xué)生的面前。興趣是激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力的法寶，對于編程學(xué)習(xí)，原先枯燥無味的學(xué)習(xí)過程，因為有了VR+虛擬機(jī)器人技術(shù)而變得更有趣味性、更有現(xiàn)場感。學(xué)生可以通過VR+虛擬機(jī)器人軟件模擬解決現(xiàn)實生活中的具體問題，也可以通過VR+虛擬機(jī)器人技術(shù)自己編制出一款生動的競技游戲。

三、以虛擬機(jī)器人教學(xué)平臺為手段，提高學(xué)生創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力

虛擬機(jī)器人平臺中包含豐富的教學(xué)資源，有視頻教程，有各種3D 資源場景，有豐富的學(xué)生作品資源。學(xué)生可以利用課堂或課外的時間參與到學(xué)習(xí)活動中，跨越時空，不受條件限制就可以進(jìn)行機(jī)器人探索活動。教師可以在平臺中布置每周的學(xué)習(xí)任務(wù)、挑戰(zhàn)任務(wù)，并按時對學(xué)生的活動進(jìn)行評價，考核學(xué)生的結(jié)構(gòu)設(shè)計、程序編制的水平。虛擬機(jī)器人平臺的教學(xué)運用，可多方面考查學(xué)生的邏輯思維能力、創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)態(tài)度等。教師可以將虛擬機(jī)器人作業(yè)水平、任務(wù)完成情況、現(xiàn)場機(jī)器人制作能力，作為選拔參加機(jī)器人競賽隊員的條件。

例如，在完成了虛擬機(jī)器人基礎(chǔ)知識技能的學(xué)習(xí)后，要讓學(xué)生有足夠的時間參與到平臺中學(xué)習(xí)，因為每一個探究任務(wù)僅靠課堂的40 分鐘時間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。機(jī)器人的外觀、設(shè)備的選擇和組裝等，都需要很多時間。為了有效開展虛擬機(jī)器人平臺的教學(xué)，教師要形成有效的教學(xué)模式，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力。首先，利用虛擬機(jī)器人平臺，教師在上課之前先布置一個挑戰(zhàn)任務(wù)，讓學(xué)生在課前充分思考：如何設(shè)計外觀？安排什么傳感器？怎么安裝每一個部件？需要用到怎樣的程序框架？最容易出現(xiàn)的問題是什么？等等。其次，課堂上讓學(xué)生分組討論自己的探究收獲，展示完成情況，找出普遍出現(xiàn)的問題，與學(xué)生一起探討解決。最后，根據(jù)任務(wù)完成的情況，布置創(chuàng)新設(shè)計任務(wù)，促使學(xué)生通過本次所學(xué)知識和技能，挑戰(zhàn)完成一個相似的任務(wù)，激發(fā)學(xué)生舉一反三的能力，同時鞏固所學(xué)的知識和技能。

四、開展模擬實訓(xùn)，加深學(xué)生對信息技術(shù)課程的理解

過去，我國的教育基本是重理論知識而輕實踐培訓(xùn)。信息技術(shù)課程本身就是應(yīng)用型學(xué)科，從初高中學(xué)習(xí)虛擬技術(shù)理論基礎(chǔ)開始，到高校的分析虛擬技術(shù)專業(yè)，各類實驗分析儀器和實踐經(jīng)驗都占據(jù)較大的比重，理論型的教學(xué)難以充分開發(fā)學(xué)生的思維。但是因為虛擬技術(shù)實驗需要用到大量的高精密儀器，投入成本較大，很多高校沒有專業(yè)的實驗室，分析虛擬技術(shù)實驗課程缺乏專業(yè)的實驗設(shè)備，虛擬技術(shù)實訓(xùn)受到限制，導(dǎo)致教師的教學(xué)偏重理論知識，學(xué)生對分析虛擬技術(shù)的理解也只能局限于課程理論知識中，對虛擬技術(shù)實驗缺乏主觀性認(rèn)識。很多實驗類題型根本沒有進(jìn)行全面的了解分析就一筆帶過，造成分析虛擬技術(shù)的理論知識與實踐應(yīng)用得不到有效銜接，無法激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，難以落實學(xué)以致用的教學(xué)核心目標(biāo)。

而虛擬仿真系統(tǒng)依托計算機(jī)軟件的強大合成功能，通過信息技術(shù)構(gòu)建完善的仿真實訓(xùn)系統(tǒng)，通過模擬實驗操作步驟，讓分析虛擬技術(shù)的理論知識都能通過虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)展現(xiàn)處理，配合教師對信息技術(shù)課程進(jìn)行分步解析，能更全面地展現(xiàn)實驗過程中的虛擬技術(shù)反應(yīng)變化規(guī)律，給學(xué)生帶來真實的視覺沖擊，使其加深對實驗的印象，充分與理論知識相融合，深入理解消化知識點。而且虛擬軟件合成的實驗教學(xué)視頻富含趣味性，3D 動畫的視覺效果能夠打造輕松、趣味的學(xué)習(xí)氛圍，讓學(xué)生對分析虛擬技術(shù)保持積極的探究興趣，全面開發(fā)學(xué)生的潛力，切實提高教學(xué)效率。

五、重視虛擬技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中的安全防護(hù)對策

當(dāng)前，在應(yīng)用虛擬技術(shù)時，身份識別技術(shù)是較為普遍的一種信息安全保護(hù)方式。虛擬技術(shù)身份識別是目前對于虛擬技術(shù)信息防護(hù)的重要手段之一，主要通過計算機(jī)的機(jī)器指令來加以識別和確認(rèn)，能夠有效避免網(wǎng)絡(luò)黑客以及非法人員對于計算機(jī)信息的破壞與獲取。要想有效保證虛擬技術(shù)信息安全，首先需重視虛擬技術(shù)環(huán)境的安全管理。在大數(shù)據(jù)時代，對應(yīng)的總是各種各樣的數(shù)據(jù)之間的某種相關(guān)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展越來越進(jìn)步的背景下，數(shù)據(jù)信息的安全成為重大問題。因此，網(wǎng)絡(luò)安全性、合理水平的升級、相關(guān)工作人員的數(shù)據(jù)、整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理等都有必要調(diào)整。隨著互聯(lián)網(wǎng)時代的不斷發(fā)展，信息的公開性越來越高。對用戶來說，在帶來便利信息的同時，也可能帶來病毒的危害。目前，大數(shù)據(jù)被廣泛運用，對應(yīng)的是越來越多的課題，在將來的開發(fā)進(jìn)程中，研究人員有必要結(jié)合計算機(jī)技術(shù)的革新進(jìn)步，滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)時代的數(shù)據(jù)處理實際需要，真正提高信息數(shù)據(jù)的安全性和有效性。計算機(jī)信息處理是具有先進(jìn)內(nèi)容的最新技術(shù)，學(xué)校應(yīng)引進(jìn)專業(yè)的技術(shù)人才，從而更好地完成計算機(jī)信息防護(hù)的工作。

總而言之，信息化2.0 時代的教師，特別是信息技術(shù)教師，要自覺學(xué)習(xí)最前沿的信息技術(shù)知識和技能，充分提高自己的信息素養(yǎng)，掌握最新的教學(xué)手段，充分提高課堂教學(xué)效率。虛擬機(jī)器人、VR 虛擬現(xiàn)實技術(shù)只是當(dāng)前信息技術(shù)教學(xué)中技術(shù)比較成熟、比較適用的手段。從2017 年《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》正式發(fā)布以來，人工智能技術(shù)已經(jīng)正式進(jìn)入智能交通、信息服務(wù)、生產(chǎn)一線、教育等領(lǐng)域。信息技術(shù)教師需要深入地學(xué)習(xí)、研究人工智能與教學(xué)的融合技術(shù)，把人工智能的技術(shù)充分運用于教學(xué)，為學(xué)生提供一種高效、全新的學(xué)習(xí)場景，讓學(xué)生更輕松、更高效地完成學(xué)習(xí)任務(wù)，形成人工智能時代的信息素養(yǎng)，為國家培養(yǎng)出更具創(chuàng)新能力的人才。