基于計算思維培養(yǎng)的3D仿真虛擬機器人在初中編程教學中的應用

《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》明確提出倡導真實性學習的教學理念，同時建議在設(shè)計課程結(jié)構(gòu)時，應充分考慮學生的學習發(fā)展規(guī)律，構(gòu)建一個包含數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡(luò)、信息處理、信息安全以及人工智能等核心要素的系統(tǒng)化框架。初中編程教學作為鍛煉學生計算思維的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應強化學生的實踐操作和創(chuàng)新能力。為夯實學生的信息素養(yǎng)與人工智能理論基礎(chǔ)，初中信息科技課堂應當融入3D仿真虛擬機器人的教學內(nèi)容。這種創(chuàng)新的教學方式能夠使學生擺脫實體機器人的物理限制，突破空間的局限，在虛擬環(huán)境中完成各種程序任務(wù)。

一、開展虛擬機器人教學活動的優(yōu)勢

虛擬機器人是近年來嶄露頭角的機器人教育工具，也被稱為軟件機器人。它僅憑一臺計算機便能實現(xiàn)機器人的組裝、編程和調(diào)試全過程。以3D One AI虛擬機器人平臺為例，該平臺主要由三部分構(gòu)成：一是用于編輯虛擬場景的地圖平臺，二是集模型設(shè)計與編程于一體的平臺，三是用于模擬機器人運行的仿真平臺?！爸腔圻\輸”項目將使用人工智能三維仿真軟件3D One AI，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)完成后農(nóng)產(chǎn)品會配送到各個樓宇中，實現(xiàn)一個基于人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的物流配送系統(tǒng)，能夠通過圖像識別包裹信息，自動匹配物流資源，改進配送路徑，提高物流配送的效率和正確性。該系統(tǒng)采用中國芯作為核心處理單元，確保數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理過程的穩(wěn)定性和可靠性。與傳統(tǒng)的實體機器人教學相比，虛擬機器人教學具有以下優(yōu)勢：首先，它降低了硬件故障的風險，使學生無需擔心實體機器人可能出現(xiàn)的硬件問題，從而更專注于理解機器人在程序控制下的運作機制。其次，虛擬機器人教學通過直觀形象的軟件界面，使算法和程序變得易于理解，有助于培養(yǎng)學生的數(shù)字素養(yǎng)和創(chuàng)新思維能力。最后，虛擬機器人軟件提供豐富的構(gòu)建組件和任務(wù)元素，為學生創(chuàng)造個性化、創(chuàng)新性的機器人設(shè)計提供了堅實基礎(chǔ)，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

二、虛擬機器人教學實踐案例

下面以3D One AI平臺“智慧運輸”項目中的《灰度空間》一課為例，本節(jié)課主要運用任務(wù)驅(qū)動法，以掌握“灰度傳感器”的關(guān)鍵技術(shù)原理、使用場景與用途為主要學習目標。通過了解“巡線機器人”的應用場景，讓學生能夠識別“電子件”模塊化編程中關(guān)于“灰度傳感器”相關(guān)工具的使用，能夠拆解、分析并理解“智慧社區(qū)”場景關(guān)于“灰度傳感器”部分的編程內(nèi)容。本課的教學過程如下：

教學環(huán)節(jié)一：情境導入

教師活動：以南方電網(wǎng)智能巡檢機器人為例，巡檢機器人可以對變電站進行智能化、全方位、無死角的巡視，以確保變電站內(nèi)的安全。師：那同學們思考一下巡檢機器人是如何實現(xiàn)自動巡邏的呢？用到了哪個傳感器呢？進一步引出本節(jié)課的重點：灰度傳感器。學生活動：觀察思考。設(shè)計意圖：通過實例展示和概念介紹，激發(fā)學生的學習興趣，并為他們后續(xù)的學習提供背景知識。

教學環(huán)節(jié)二：任務(wù)驅(qū)動，學習新知

教師活動：任務(wù)一：巡檢小車解析。工作原理：單灰度傳感器小車。 一個白色高亮發(fā)光二極管與一個光敏電阻配合工作，實現(xiàn)了灰度值的測試功能。發(fā)光二極管發(fā)出的光線在照射到不同灰度的地面時，反射回來的光線強度各異。光敏電阻能夠接收這些反射光，并根據(jù)其強度變化而調(diào)整自身的阻值。由于不同灰度導致的反射光強度差異，光敏電阻的阻值也會相應變化，從而實現(xiàn)了對灰度值的準確測量。這一設(shè)計原理使得我們可以有效地利用光敏電阻與發(fā)光二極管的配合，實現(xiàn)灰度值的精確測試（思考：雙灰度傳感器的工作原理）。任務(wù)二：“尋路”工具應用解析。邏輯運算符：“和”“或”。本課主要涉及到兩種邏輯運算符：①和運算符（amp;）：只有當兩個條件都為真時，結(jié)果才為真。例如，在Python中，xgt;0 and ygt;0只有當x和y都大于0時，結(jié)果才為True。②或運算符（|）：只要至少有一個條件為真，結(jié)果就為真。例如，xgt;0 or ygt;0，只要x或y中有一個大于0，結(jié)果就為True。學生活動："" 1.按照教師的指導，進行灰度傳感器的安裝、調(diào)試和編程環(huán)境的配置，并記錄遇到的問題和解決方法。 2.分組進行實踐操作，練習灰度傳感器的基礎(chǔ)操作，完成應用案例實踐，并在討論中分享自己的經(jīng)驗和問題。3.分組進行灰度傳感器的基礎(chǔ)操作練習和應用案例實踐。在實踐過程中，學生會記錄實驗數(shù)據(jù)、分析實驗結(jié)果，并撰寫實踐報告。設(shè)計意圖：在進行程序設(shè)計之前，先進行任務(wù)分析，可以讓學生明確程序設(shè)計的目的，理清楚編程思路。

教學環(huán)節(jié)三：專項訓練

學生學習編寫程序，并進行仿真訓練。

小車的行駛狀態(tài)可以分為四種情況：①小車的起始位置為位置1，使用灰度2進行巡線，灰度2在白色位置，需要靠近黑線，小車右轉(zhuǎn)；②小車右轉(zhuǎn)直到灰度2檢測到黑線，小車需要遠離黑線，小車左轉(zhuǎn)；③小車左轉(zhuǎn)直到灰度檢測到白色，小車繼續(xù)靠近黑線，小車右轉(zhuǎn)；④小車重復循環(huán)，實現(xiàn)沿黑線前進。學生活動：1.小組合作，搭建機器人；2.學生分小組完成程序編寫，并進行程序仿真和調(diào)試。設(shè)計意圖：1.讓每個學生都能學會編程；2.小組合作搭建和測試，培養(yǎng)學生的合作精神。教學環(huán)節(jié)：交流展示，總結(jié)提升。

三、虛擬機器人教學效果與分析

現(xiàn)隨機抽取學校八年級的10位同學開展一個學期的虛擬機器人教學研究，研究發(fā)現(xiàn)大部分學生從無到有，能掌握編程的思維與方法；少部分學生能基本掌握編程基礎(chǔ)；極少部分學生未能完全掌握編程的內(nèi)容。綜上所述，在學習虛擬機器人課程之前，學生可能對機器人的了解僅限于一些基本概念或表面知識。但通過學習虛擬機器人課程，他們將接觸到更多關(guān)于機器人技術(shù)、編程語言、算法等方面的知識，從而大大擴展了他們的知識儲備。隨著學習的深入，學生將逐漸掌握更多高級技能，如機器人路徑規(guī)劃、運動控制等，這些過程將鍛煉他們的編程能力、問題解決能力和邏輯思維能力。

【注：本文系深圳市教育科學“十四五”規(guī)劃2023年度人工智能專項課題“基于VR技術(shù)的初中人工智能校本課程的開發(fā)與實踐研究”（課題立項號：rgzn23013），廣東省教育科學規(guī)劃2025年度中小學教師教育科研能力提升計劃項目“基于一核三階五維的科技拔尖創(chuàng)新人才初中培養(yǎng)模式的探索與實踐”（課題立項號：2025YQJK0198）階段性成果】

責任編輯 邱 麗