郭增耀

近年來，3D虛擬機(jī)器人逐漸興起。所謂的虛擬機(jī)器人是指架設(shè)一臺服務(wù)器，學(xué)生通過電腦客戶端接入，登錄一個虛擬的3D仿真平臺。在這個平臺中，有許多的場景任務(wù)，如汽車總動員、野外生存、漫游金字塔、迷宮滅火等，學(xué)生在這個虛擬的平臺中通過機(jī)器人的搭建和程序的設(shè)計來完成這些任務(wù)。由于不需要購買實(shí)體機(jī)器人和實(shí)際的場景，所以虛擬機(jī)器人對資金和場地的要求就相對低了很多，只需要一臺聯(lián)網(wǎng)的普通PC機(jī)作為服務(wù)器，就能接入學(xué)校機(jī)房的計算機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

筆者所在學(xué)校把IRobotQ3D虛擬機(jī)器人作為信息技術(shù)拓展性課程開設(shè)已有三年時間，從零起步，探索前進(jìn)，積累了一些教學(xué)經(jīng)驗。下面，筆者就結(jié)合自己的教學(xué)實(shí)際，從以下四個方面來談?wù)勅绾斡行У亻_展虛擬機(jī)器人拓展性課程，以期拋磚引玉，供大家參考。

● 對象選擇，符合規(guī)律

皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展論曾提到，不同年齡階段的學(xué)生在思維方式以及接受能力上都是有所區(qū)別的，所以我們在設(shè)計教學(xué)過程時需要遵循學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律。低年級學(xué)生的思維主要是以形象思維為主，他們所接受的概念、知識大多是具象的并能直接感知的，而高年級學(xué)生能掌握一些相對抽象的概念，進(jìn)行一些邏輯性的思考。由于虛擬機(jī)器人課程的學(xué)習(xí)需要較強(qiáng)的抽象邏輯思維能力，所以筆者把授課對象設(shè)定為三至六年級學(xué)生。

在前期的試探性教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)四至六年級學(xué)生對虛擬機(jī)器人課程基本內(nèi)容的學(xué)習(xí)是容易上手的，而三年級學(xué)生中則出現(xiàn)了部分學(xué)習(xí)有困難的學(xué)生，如軟件的賬號注冊、界面切換、3D視角的操作等都成為學(xué)習(xí)的障礙，但這些問題可以通過教師的詳細(xì)講解和強(qiáng)化教學(xué)加以改善。而在編程部分，三年級的學(xué)生幾乎只能接受較為簡單的程序，如直行、轉(zhuǎn)彎等，而相對復(fù)雜的，需要設(shè)計、調(diào)試的程序，他們都存在難以消化的情況。相比較而言，四年級至六年級的學(xué)生在這方面表現(xiàn)得要好很多，且呈現(xiàn)出年級越高，表現(xiàn)越好的現(xiàn)象。

因此筆者認(rèn)為，將三至六年級的學(xué)生設(shè)置為該拓展性課程的教學(xué)對象是基本合理的，但在具體的教學(xué)內(nèi)容上應(yīng)該有所區(qū)分。

● 內(nèi)容設(shè)計，循序漸進(jìn)

1.不同年級，不同要求

針對不同年級段的教學(xué)對象，在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計上也應(yīng)該循序漸進(jìn)，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。經(jīng)過摸索，筆者確立了各個年級段相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容。

三年級：掌握賬號的注冊和登錄，熟悉軟件各塊界面的功能，了解機(jī)器人搭建和程序編寫的基本方法，完成一些簡單任務(wù)，如前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎等。

四年級：在三年級的基礎(chǔ)上增加傳感器的使用內(nèi)容，完成一些簡單的智能化任務(wù)，如循跡踢球等。

五、六年級：主要以綜合性任務(wù)教學(xué)為主，如汽車總動員、野外生存等。其中，六年級相較于五年級在程序的先進(jìn)性上更進(jìn)一步，如增加變量和子程序的應(yīng)用。

2.綜合任務(wù)，先零后整

IRobotQ3D虛擬機(jī)器人中的一些綜合性任務(wù)涉及的知識點(diǎn)較廣，所以往往需要好幾節(jié)課才能完成。如果教師在設(shè)計教學(xué)的時候，直接把整個綜合性任務(wù)進(jìn)行講解，并讓學(xué)生來完成，時間肯定是不夠的，容易挫傷學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

對于這種綜合性任務(wù)的教學(xué)，筆者認(rèn)為應(yīng)在精心分析教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)任務(wù)之后，進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，將綜合性的任務(wù)分解成一個個有機(jī)的片段任務(wù)，先零后整，循序漸進(jìn)，在突破子任務(wù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行整合，最終完成整體任務(wù)目標(biāo)。

例如，在IRobotQ3D虛擬機(jī)器人的場景中有一個汽車總動員的任務(wù)，其中小學(xué)組的任務(wù)是要求在規(guī)定時間內(nèi)讓機(jī)器人跑完整條賽道（如圖1），沿途還有很多得分物，需要機(jī)器人碰觸得分物來得分，有的得分物是在直角路段，需要機(jī)器人碰觸后進(jìn)行直角轉(zhuǎn)彎；在快速過彎路段要求機(jī)器人在指定時間內(nèi)完成過彎，最后還要通過飛車來完成整個場景任務(wù)。

在仔細(xì)分析完整個任務(wù)要求之后，筆者將這個任務(wù)分解成了若干個子任務(wù)：①走中間任務(wù)。②取得分任務(wù)。③直角轉(zhuǎn)彎任務(wù)。④飛車任務(wù)。學(xué)生先完成走中間的任務(wù)，然后再逐步完成其他子任務(wù)，反映到編程中就是根據(jù)任務(wù)要求編寫一個個子程序，再根據(jù)場景路段進(jìn)行合理調(diào)用（如圖2）。

部分子任務(wù)的完成與否不會影響到整個任務(wù)的成功，只是在得分上會有所差別。例如，學(xué)生只用走中間的子程序一路跑到終點(diǎn)也能完成任務(wù)，但是得分會比較低。而在走中間的基礎(chǔ)上增加取得分的子程序，就能通過獲取賽道上的得分物來加分。所以通過對這樣的任務(wù)進(jìn)行分解設(shè)計和調(diào)用，可以讓每一位學(xué)生體驗成功，同時還留有進(jìn)步的空間，使得他們動力持久，熱情高漲。

● 虛實(shí)結(jié)合，回歸科學(xué)

雖然IRobotQ3D虛擬機(jī)器人是在一個虛擬環(huán)境下進(jìn)行的機(jī)器人的相關(guān)教學(xué)，但由于其引入了物理引擎，所以在機(jī)器人運(yùn)動過程中會受到重量、慣性、摩擦力等因素的影響。然而，學(xué)生往往會忽略這些因素，在機(jī)器人搭建或者程序設(shè)計的時候太過于理想化。這就需要教師進(jìn)行引導(dǎo)，讓學(xué)生把虛擬世界和實(shí)際生活相結(jié)合，形成更加科學(xué)的思維方式。

例如，在前進(jìn)訓(xùn)練任務(wù)中，學(xué)生掌握小車筆直前進(jìn)的要點(diǎn)就是將四個輪子的電機(jī)速度設(shè)置為一致的。但在實(shí)際仿真過程中會發(fā)現(xiàn)，明明已經(jīng)將四個輪子的電機(jī)速度設(shè)為一致，小車卻會跑偏，學(xué)生百思不得其解（如圖3）。

其實(shí)，產(chǎn)生這個問題的主要原因是學(xué)生選擇的是摩擦力較小的輪子，抓地力不夠，小車一開起來，輪子就會打滑并跑偏。但是在虛擬環(huán)境下，學(xué)生很難考慮到這一點(diǎn)。 在這種情況下，筆者會適時地進(jìn)行引導(dǎo)，給學(xué)生播放事先準(zhǔn)備好的視頻。視頻中是實(shí)際生活中的汽車在冰天雪地里打滑側(cè)移的畫面，這個現(xiàn)實(shí)的例子能給學(xué)生一個直觀的演示，教師再結(jié)合科學(xué)課中摩擦力的知識給學(xué)生進(jìn)行相關(guān)講解，學(xué)生就會明白當(dāng)輪子和地面的摩擦力不夠時，車子就會出現(xiàn)一些不可控的情況。因此，我們需要在搭建機(jī)器人的時候選擇摩擦力較大的輪胎來排除這個潛在的不穩(wěn)定因素，保證程序運(yùn)行結(jié)果的穩(wěn)定。

這樣，通過虛擬和現(xiàn)實(shí)的聯(lián)系，強(qiáng)化了很多在虛擬機(jī)器人教學(xué)中無法直觀但又實(shí)際存在的不可忽視的因素，突出了科學(xué)性，大大加強(qiáng)了機(jī)器人教學(xué)與其他學(xué)科的知識整合，有效促進(jìn)了學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的形成。

● 過程評價，鼓勵創(chuàng)新

IRobotQ3D虛擬機(jī)器人的教學(xué)過程中，很多內(nèi)容都是以任務(wù)達(dá)成的形式進(jìn)行的，具有很明確的目標(biāo)。那這是否意味著學(xué)生評價是以勝負(fù)論英雄呢？答案是否定的。筆者認(rèn)為虛擬機(jī)器人教學(xué)的最終目的是培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，激發(fā)他們的想象力和創(chuàng)造力，所以學(xué)生評價更應(yīng)該關(guān)注過程，而不是結(jié)果。

例如，在金字塔登頂奪寶場景任務(wù)中，要求機(jī)器人翻越一條長長的階梯，到達(dá)金字塔的頂部去碰觸位于塔頂?shù)膶毷?。通常的解決思路是搭建一輛能夠爬階梯的車子，然后沿著階梯一步一步往上爬，最終到金字塔頂完成任務(wù)（如圖4）。這樣的解決思路可能需要用到較多的傳感器，如海拔高度傳感器、接觸傳感器等，還需要對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次的調(diào)整修改，特別是四個手臂的安裝以及伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動的數(shù)據(jù)調(diào)試。這樣，一個任務(wù)一般需要學(xué)生花費(fèi)2～3節(jié)課的時間來完成。

一次課堂上，筆者在巡視過程中，發(fā)現(xiàn)有位學(xué)生在搗鼓一個機(jī)器人控制器，這個控制器上沒有安裝任何的輪子、手臂、電機(jī)、傳感器等。于是，在其身后默默觀察了一會兒，發(fā)現(xiàn)這位學(xué)生只是在這個控制器底部加了個彈射裝置（如圖5），原來他是想把這個控制器直接彈到金字塔的頂端。這是不走尋常路啊，但可能由于該生對彈射裝置還不是很熟悉，所以雖然經(jīng)過多次試驗，但他最終還是沒能將控制器準(zhǔn)確彈射到塔頂來完成任務(wù)。

隨后，筆者把該生的解決方案投影到屏幕上，展示給全班學(xué)生，并對他的創(chuàng)新思路進(jìn)行了鼓勵和表揚(yáng)。筆者還帶領(lǐng)全班學(xué)生一起對這個解決方案進(jìn)行了改進(jìn)和講解，在很短的時間內(nèi)完成了這個我們曾經(jīng)覺得很復(fù)雜的任務(wù)。

經(jīng)過這次事件后，學(xué)生在虛擬機(jī)器人的學(xué)習(xí)中不再墨守成規(guī)，各種奇思怪想層出不窮，不管是可行的還是不可行的，筆者都會加以鼓勵，并通過各種分析幫助學(xué)生形成更加科學(xué)的創(chuàng)新思維，提升他們的能力。

綜上所述，虛擬機(jī)器人作為學(xué)校的信息技術(shù)拓展性課程，正在走向趨于成熟的道路，只要我們本著“以生為本，學(xué)為中心”的教學(xué)理念，用心設(shè)計課堂教學(xué)，注重對學(xué)生能力的培養(yǎng)，就能讓拓展課堂迸發(fā)出更精彩的火花！

參考文獻(xiàn)：

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