仿真虚拟机器人软件在小学程序设计教学中的作用

王上飞

程序设计是中小学信息技术教育的重要内容之一。基础教育阶段的程序设计教学主要是培养学生学习程序设计的兴趣，培养学生用程序设计的思想去分析问题、解决问题的能力。近年来，仿真虚拟机器人软件不断发展，其在原来实体机器人编程平台的基础上，加入了用计算机模拟的机器人、场景及机器人行为活动的功能模块，使人们在仿真虚拟平台上可直观地看到机器人程序的执行效果。

易时代3D仿真虚拟机器人软件是由广州市教育信息中心规划设计，广州市财政投资，委托广东南方数码科技有限公司开发的集机器人教学、实验和竞赛管理于一体的虚拟机器人教育平台，供广州市所有中小学校免费使用。该软件具有较强的趣味性、互动性、竞技性和娱乐性。笔者以广州市易时代3D仿真虚拟机器人软件为例，谈谈仿真虚拟机器人软件在小学信息技术程序设计教学中的作用。

一、仿真虚拟机器人软件能提高小学生学习程序设计的兴趣

兴趣是影响教学活动的主要因素。人们一旦对某一事物产生浓厚的兴趣，就会主动地去求知，去探索，去实践。一般程序设计内容比较抽象，由于小学生的思维特点是以直观形象思维为主，并逐步向抽象逻辑思维过渡。所以，小学生往往在学习传统的程序设计时感到枯燥、难懂，大大降低学习的兴趣。

图1 图形化编程界面

图2 五角星路径效果

仿真虚拟机器人软件采用的是图形化编程界面和直观的流程图编程(如图1所示)，学生不再是对着一些乏味的字母和符号。学生还可以利用仿真系统的仿真功能即时看到编程的效果(如图2所示)。同时，仿真虚拟机器人软件采用了生活化的情景主题任务，如2009年以“虚拟灭火”为主题，2010年以“虚拟火炬传递”为主题，2012年则以“虚拟校车”为主题，为程序设计的学习增添了趣味性。因此，仿真虚拟机器人软件比起传统的程序设计语言能够大大提高小学生学习程序设计的兴趣。

二、仿真虚拟机器人软件有助于结构化程序设计思想的学习

学习程序设计最重要的是学习算法和结构化程序设计的思想。尤其是小学生，小学生学习程序设计重点应放在理解程序设计的基本概念和基本结构上，应重算法轻语法，注重运用算法思维和结构化程序的思想去分析问题、解决问题。在使用仿真虚拟机器人的程序设计教学中，仿真虚拟机器人软件能够为程序设计教学营造良好的程序实践环境，学生在设计程序后，能从虚拟机器人的行为中得到即时反馈，学生再根据这些反馈修改程序。这样，学生就经历了一个“思考—实践—再思考—再实践”的反复的人机交互过程，直到目标程序的实现。仿真虚拟机器人软件在此过程中能够帮助学生理解并形成程序设计的思想。

以机器人简单巡线为例，在仿真虚拟环境下，机器人需要沿着白色引导线行走。实现方式是在机器人的前方左右各放一个光电传感器，通过判断光感的光值来决定执行相应程序，沿着白线行走。学生需要先分析机器人巡线时会出现几种情况，再运用算法思维解决，最后通过编写程序实现。如图3所示，车巡线时会出现4种情况，如果车右边的光感器返回大于0的值，则右边传感器检测到白线，在这种情况下有两种可能性，一是车子方向向左偏了，二是车子到了十字路口，如何区分这两种情况呢？我们可以通过第二个光电传感器的数据来判断。如果第二个传感器返回大于0的值，说明车两边都压线，来到十字路口了，则可以决定车是直走还是转弯。如果第二个传感器返回的是小于0的值，说明车左偏，则需要对车向右偏转校正角度后再执行直走程序。

图3

如果左边的光感器返回不大于0的值，在这种情况下有两种可能性，车子方向向左偏了或者在线上正常行走。如何区分这两种情况，我们需要车右边光感器的数据，如果右边的光感器返回大于0的值，则是右边压线了，也就是车子偏左，我们需要对车向右偏转校正角度后再执行直走程序。如果左右两个光感器返回值都不大于0，则说明车是在线上行走的，执行直走程序。

结构化程序设计的基本结构是顺序结构、选择结构和循环结构。这个虚拟机器人简单巡线的程序主要用到的是循环结构和选择结构，学生只有通过一步一步的逻辑分析，才能充分考虑各种情况，只有在理解这些程序设计的基本结构作用后，才能通过编程实现虚拟机器人巡线程序。因此，学生利用仿真虚拟机器人软件学习程序设计，其图形化的编程界面能帮助学生运用逻辑思维分析问题，其仿真虚拟的环境能形象直观地引导学生用算法思维解决问题，从而有助于培养小学生结构化程序设计的思想。

三、仿真虚拟机器人软件有助于激发学生的创新思维

创新是一个民族进步的动力。《中小学信息技术课程指导纲要(试行)》明确指出：“努力创造条件，积极利用信息技术开展各类学科教学，注重培养学生的创新精神和实践能力。”程序设计学习就是一种培养创新思维的学习。在程序设计中，达到目标任务的编程方法是多样的，学生可以充分发挥创造性，以不同的编程方法去实现。即使是一个简单程序的实现，从分析、设计、调试到最终实现，都是一个创造性的过程。

仿真虚拟机器人软件在创新思维培养的设计上也有所体现。它提供了地图编辑功能、虚拟机器人的编辑功能，使整个程序设计具有开放性。这有助于培养学生的发散思维，激发学生的创新思维。例如2012年广州市易时代3D虚拟机器人竞赛，竞赛的主题是智能校车接送学生，竞赛的内容是使校车(虚拟机器人)在指定时间内从起点行驶到指定的车站接送“学生”，然后送往学校完成整个任务。任务包括：沿道路行驶，躲过道路上的障碍物，到指定(一个或多个)车站接“学生”，回到学校。在教学中，我们可以根据竞赛的内容和规则，利用软件的地图编辑功能编辑出模拟竞赛的地图(如图4所示)，供学生训练。学生看到地图后，首先需要考虑虚拟机器人行走哪条路线才能最快到达终点。

图4

经过分析，可以走的线路有：第一，从第一个路口向右越过第一个路障后转到车站1，然后经过两个路口转向到达车站2，再经过两个路口转向到达废车，越过废车后到达终点。第二，从第一个路口向右越过第一个路障后转到车站1，然后经过两个路口转向到达车站2，再直行一个路口到达路障，越过路障后右转到达终点。第三，直行两个路口到车站2，然后右转两个路口直行一个路口到达车站1，再掉头直行两个路口到达废车，越过废车后到达终点。

由于竞赛规则还允许校车(虚拟机器人)离开白色轨迹线行驶，大大增加了程序设计的开放性，所以在竞赛中，有的学生使用光电传感器和超声波来完成任务，有的学生使用指南针和GPS来完成任务，有的学生还想出了利用倒车的功能提高效率，充分体现了学生的创造性。因此，具有开放性特点的仿真虚拟机器人软件在程序设计教学中能够激发学生的创新思维，让学生创造性地运用程序设计知识去解决问题。

四、结束语

仿真虚拟机器人软件能够引起小学生兴趣，符合小学生认知特点，把仿真虚拟机器人软件应用到小学程序设计教学中，能够提高学生学习程序设计的兴趣，有助于激发学生的创新思维。因此，仿真虚拟机器人软件可成为小学信息技术程序设计教学的新载体。

[1] 张嘉志,王同聚.让机器人走近学生—3D仿真虚拟机器人:普及机器人教育的新途径[J].中小学信息技术教育,2010(6):95-96.

[2] 范利华.借助机器人教学平台培养小学生编程能力[J].研究探索,2011(5):15-19.

[3] 陶兴荣.机器人教育可促进程序设计教学[J].教育与信息化,2011(2):9-11.