Robosim虛擬機(jī)器人平臺(tái)教學(xué)資源庫的應(yīng)用研究
——以七年級(jí)機(jī)器人社團(tuán)課程“智能農(nóng)業(yè)”教學(xué)為例

閔芳芳

虛擬機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)是線上人工智能教育與競賽的主渠道，具有成本低、在線項(xiàng)目化課程資源豐富、高度仿真等優(yōu)勢(shì)。Robosim虛擬機(jī)器人平臺(tái)相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器人教學(xué)而言，提供了真實(shí)的社會(huì)生活情境，有助于項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的發(fā)生。平臺(tái)能夠不受經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)、空間和時(shí)間的限制，給疫情防控背景下的教學(xué)帶來了新活力，同時(shí)也給教師提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，需要教師不斷創(chuàng)新教學(xué)方式、優(yōu)化教學(xué)過程、關(guān)注核心素養(yǎng)的落地，以此促進(jìn)教育教學(xué)變革，推動(dòng)教育高質(zhì)量發(fā)展。

一、創(chuàng)新教學(xué)方式

（一）強(qiáng)調(diào)意義建構(gòu)而非教學(xué)目標(biāo)

傳統(tǒng)機(jī)器人教學(xué)是圍繞教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行的，需要教師緊扣教學(xué)目標(biāo)選擇合適的教學(xué)方式，設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)的教學(xué)過程。在虛擬機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)環(huán)境中，由于平臺(tái)提供了真實(shí)的情境資源、詳細(xì)的任務(wù)流程以及即時(shí)的學(xué)習(xí)反饋，教學(xué)設(shè)計(jì)往往是考慮如何圍繞真實(shí)的情境引導(dǎo)學(xué)生對(duì)現(xiàn)實(shí)社會(huì)生活進(jìn)行意義建構(gòu)，而不是從分析教學(xué)目標(biāo)開始。以平臺(tái)資源庫提供的“智能農(nóng)業(yè)”項(xiàng)目前期準(zhǔn)備活動(dòng)為例，教師展示智慧農(nóng)業(yè)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用情境后，學(xué)生根據(jù)情境先思考一個(gè)項(xiàng)目由哪幾個(gè)部分組成，這些部分對(duì)應(yīng)需要的團(tuán)隊(duì)成員定位以及他們?cè)谥腔坜r(nóng)業(yè)的社會(huì)作業(yè)中承擔(dān)的角色。學(xué)生在思考的過程中也會(huì)結(jié)合自身特長分析自己適合什么角色（比如項(xiàng)目經(jīng)理、算法工程師、機(jī)器人工程師等），從而進(jìn)行社會(huì)分工意義建構(gòu)。另外，前期準(zhǔn)備活動(dòng)可以初步增加小組的默契程度，為后續(xù)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

（二）強(qiáng)調(diào)“學(xué)”而非“教”

傳統(tǒng)機(jī)器人教學(xué)對(duì)硬件搭建和編程技術(shù)要求較高，教師需要在整個(gè)教學(xué)過程中不斷講解機(jī)械基礎(chǔ)和編程知識(shí)、演示操作方法，學(xué)生離開教師的傳授就難以繼續(xù)學(xué)習(xí)。利用虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)則解決了這一難題。比如在“智慧農(nóng)業(yè)”項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案階段，學(xué)生通過教學(xué)平臺(tái)的使用方法說明就能夠快速獲取機(jī)器人學(xué)習(xí)的方法；通過自主閱讀《智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)指南》，可以詳細(xì)了解智慧農(nóng)業(yè)的組成部分、項(xiàng)目開發(fā)的基本流程、相應(yīng)的智能技術(shù)以及機(jī)器和程序搭建方法；結(jié)合前期角色分工，與項(xiàng)目經(jīng)理溝通并細(xì)化智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)的各項(xiàng)計(jì)劃，為分計(jì)劃實(shí)施提供條件。在整個(gè)機(jī)器人項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程中，教師作為項(xiàng)目活動(dòng)的組織者、學(xué)習(xí)過程的指導(dǎo)者以及學(xué)生學(xué)習(xí)能力提升的促進(jìn)者，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。

（三）強(qiáng)調(diào)問題解決而非知識(shí)技能

傳統(tǒng)機(jī)器人教學(xué)要求學(xué)生熟知機(jī)器的各個(gè)零部件及其作用，掌握機(jī)器從無到有的搭建過程以及工具的應(yīng)用。虛擬機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)融合了人工智能和機(jī)器人技術(shù)相關(guān)的理念，在機(jī)器搭建界面提供了常用的機(jī)器人組合模塊，負(fù)責(zé)搭建的學(xué)生依據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段學(xué)習(xí)掌握的機(jī)器人基本傳動(dòng)原理，用鼠標(biāo)拖拽即可在現(xiàn)有模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡單的搭建操作。算法工程師則根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)理的開發(fā)需求規(guī)格說明書領(lǐng)取任務(wù)，通過對(duì)比任務(wù)和進(jìn)階指南，探究需要具備的知識(shí)與技能，為程序開發(fā)做好準(zhǔn)備。在程序搭建界面中仿真模擬可以得到即時(shí)評(píng)價(jià)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度。在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生通過數(shù)字化學(xué)習(xí)工具挖掘相關(guān)信息，通過同伴交流等多種學(xué)習(xí)行為進(jìn)行問題分解，在數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境下“做中學(xué)”，建構(gòu)知識(shí)并促進(jìn)問題解決。

二、優(yōu)化教學(xué)過程

（一）緊扣情境，基于問題再設(shè)計(jì)

除了“智慧農(nóng)業(yè)”，虛擬機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)還提供了基于當(dāng)下熱點(diǎn)事件而設(shè)計(jì)的“未來基建”“重走長征路”“冬奧盛會(huì)”等情境資源，這些資源均是與學(xué)生的現(xiàn)實(shí)生活和社會(huì)實(shí)際相聯(lián)系的。教師在實(shí)踐中需要緊扣情境，將項(xiàng)目分解為一個(gè)個(gè)可執(zhí)行、易操作、相關(guān)聯(lián)的核心問題，再基于這些核心問題對(duì)真實(shí)性資源進(jìn)行再設(shè)計(jì)與利用，其中包括社會(huì)、個(gè)人以及學(xué)科角度的設(shè)計(jì)。就“智慧農(nóng)業(yè)”而言，從社會(huì)生活出發(fā)，進(jìn)行社會(huì)分工合作、未來職業(yè)規(guī)劃等方面的再設(shè)計(jì)；從個(gè)人體驗(yàn)出發(fā)，指向?qū)W生個(gè)體能夠完成的諸如自動(dòng)育苗、播種、澆水、施肥、收割等具體任務(wù)；從學(xué)科知識(shí)出發(fā)，進(jìn)行與學(xué)科相關(guān)聯(lián)的農(nóng)作物生產(chǎn)自動(dòng)化方面的再設(shè)計(jì)。

（二）生生共創(chuàng)，建立學(xué)習(xí)共同體

因?yàn)樘摂M仿真平臺(tái)的學(xué)習(xí)是隨時(shí)發(fā)生的，這就要求建立科學(xué)、高效的學(xué)習(xí)共同體以保障學(xué)習(xí)質(zhì)量。在進(jìn)入實(shí)操之前，如果有學(xué)生事先沒有接觸過Robosim教學(xué)平臺(tái)，可由小組內(nèi)同伴結(jié)合項(xiàng)目目標(biāo)介紹平臺(tái)相關(guān)聯(lián)的具體使用方法，確保學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到相同技能起點(diǎn)；為了完成項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與開發(fā)，小組內(nèi)學(xué)生按照擅長搭建和善于編程的搭配進(jìn)行兩兩組合共同學(xué)習(xí)；不同的角色需要深入學(xué)習(xí)該角色應(yīng)具備的技能，及時(shí)和同伴溝通自己掌握的進(jìn)階技能，完成分工任務(wù)；提前完成任務(wù)的學(xué)生對(duì)個(gè)人和群體學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，并基于問題生成新項(xiàng)目以進(jìn)一步進(jìn)行創(chuàng)意實(shí)踐。在這個(gè)過程中，學(xué)生沿著“為何學(xué)—一起學(xué)—學(xué)起來—學(xué)出來—持續(xù)學(xué)”的進(jìn)階過程，多向交流、共同成長，生生共創(chuàng)學(xué)習(xí)新形態(tài)。

（三）聚焦實(shí)踐，促進(jìn)思維的訓(xùn)練

基于虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)更加聚焦實(shí)踐，學(xué)生在“搭—編—調(diào)—賽”的過程中進(jìn)行機(jī)器人仿真學(xué)習(xí)和競賽風(fēng)采展示，指向高階思維能力的訓(xùn)練。虛擬機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)的“自由搭建”界面呈現(xiàn)了菜單欄、搜索框、積木區(qū)、工作區(qū)等幾個(gè)區(qū)域，機(jī)器搭建過程中需要使用鼠標(biāo)拖動(dòng)畫面，使用鍵盤旋轉(zhuǎn)積木，不斷調(diào)整傳感器、梁、銷和控制器的連接位置，指向空間判斷思維能力。在菜單欄中從仿真訓(xùn)練場(chǎng)地界面切換到程序編輯界面，學(xué)生可以像搭積木一樣完成程序編輯；設(shè)置機(jī)器人基礎(chǔ)巡線程序時(shí)，利用數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)判斷行走路線和障礙，定義基礎(chǔ)速度和比例系數(shù)以方便調(diào)節(jié)速度，指向決策和算法思維能力。平臺(tái)會(huì)隨機(jī)生成摩擦力，仿真現(xiàn)實(shí)環(huán)境，以至運(yùn)行同樣的程序也會(huì)出現(xiàn)效果不一致的情況，這就需要多次調(diào)整程序細(xì)節(jié)、算法結(jié)構(gòu)甚至機(jī)器結(jié)構(gòu)。此過程指向?qū)W生推理、歸納、邏輯思維能力的發(fā)展。

三、關(guān)注核心素養(yǎng)的落地

（一）信息意識(shí)

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》將信息意識(shí)定義為個(gè)體對(duì)信息的敏感度以及對(duì)信息價(jià)值的判斷力。經(jīng)過系列化智能項(xiàng)目學(xué)習(xí)后，學(xué)生能夠理解新興智能技術(shù)對(duì)社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的重大影響（比如人工智能技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)、基建、家居、重要賽事等方面的重要支撐作用），感受新興智能技術(shù)給日常生活帶來的便利；能夠在了解智能技術(shù)的重要作用基礎(chǔ)上，根據(jù)解決問題的具體需要，主動(dòng)尋找合適的數(shù)字化途徑進(jìn)行信息資源檢索與利用，增強(qiáng)信息意識(shí)。

（二）計(jì)算思維

在實(shí)踐與應(yīng)用中，學(xué)生遇到特定任務(wù)時(shí)能夠進(jìn)行任務(wù)分解（比如將智慧農(nóng)業(yè)任務(wù)拆分為水文監(jiān)測(cè)站、氣象監(jiān)測(cè)站、蔬菜大棚、果園、畜牧場(chǎng)等幾個(gè)子任務(wù)），并思考現(xiàn)在已有的條件是什么，從現(xiàn)有條件到目標(biāo)任務(wù)該如何處理，以此生成處理方案后又要怎樣驗(yàn)證，某種解決方案是不是最高效的……由此逐步迭代，生成最優(yōu)的解決方案。學(xué)生能夠有意識(shí)地總結(jié)解決問題的方法，并將其遷移到求解其他問題和解決現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際問題中去。

（三）數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新

利用線上虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠圍繞智慧農(nóng)業(yè)項(xiàng)目任務(wù)，明確在線虛擬仿真平臺(tái)與線下學(xué)習(xí)的區(qū)別，并鏈接到現(xiàn)實(shí)社會(huì)與生活場(chǎng)景中的農(nóng)業(yè)情境；利用虛擬仿真平臺(tái)及時(shí)獲取智慧農(nóng)業(yè)項(xiàng)目學(xué)習(xí)所需的資源，開展自主學(xué)習(xí)；在教師的指導(dǎo)下，運(yùn)用合適的智能技術(shù)進(jìn)行農(nóng)業(yè)作品創(chuàng)作；在創(chuàng)作的過程中，能夠合理選擇資源，與團(tuán)隊(duì)成員協(xié)作進(jìn)行方案規(guī)劃、步驟描述、可行性分析、模擬仿真、評(píng)價(jià)驗(yàn)證等探究活動(dòng)，感受數(shù)字化平臺(tái)和資源在合作學(xué)習(xí)、個(gè)性化創(chuàng)作、作品展示、分享匯報(bào)、精準(zhǔn)評(píng)價(jià)等方面的重要性，養(yǎng)成數(shù)字技術(shù)應(yīng)用的好習(xí)慣。

（四）信息社會(huì)責(zé)任

在虛擬平臺(tái)的應(yīng)用中，大部分學(xué)生能夠養(yǎng)成辨別信息、及時(shí)保存數(shù)據(jù)的良好習(xí)慣；在體驗(yàn)虛擬應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，能夠合理、適度地與虛擬世界進(jìn)行互動(dòng)，明確新興智能技術(shù)帶來的倫理和安全挑戰(zhàn)，隨時(shí)做好個(gè)人隱私保護(hù)工作。不僅如此，學(xué)生還能夠科學(xué)分析各種數(shù)字化信息的價(jià)值，選擇合適的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新想法，養(yǎng)成用符合數(shù)字時(shí)代的思維方式去思考和處理信息、在信息社會(huì)中學(xué)習(xí)和生活的良好習(xí)慣，打通現(xiàn)實(shí)空間與虛擬空間的界限。