行走在信息技术拓展性课程道路上的虚拟机器人

郭增耀

近年来，3D虚拟机器人逐渐兴起。所谓的虚拟机器人是指架设一台服务器，学生通过电脑客户端接入，登录一个虚拟的3D仿真平台。在这个平台中，有许多的场景任务，如汽车总动员、野外生存、漫游金字塔、迷宫灭火等，学生在这个虚拟的平台中通过机器人的搭建和程序的设计来完成这些任务。由于不需要购买实体机器人和实际的场景，所以虚拟机器人对资金和场地的要求就相对低了很多，只需要一台联网的普通PC机作为服务器，就能接入学校机房的计算机进行学习。

笔者所在学校把IRobotQ3D虚拟机器人作为信息技术拓展性课程开设已有三年时间，从零起步，探索前进，积累了一些教学经验。下面，笔者就结合自己的教学实际，从以下四个方面来谈谈如何有效地开展虚拟机器人拓展性课程，以期抛砖引玉，供大家参考。

● 对象选择，符合规律

皮亚杰的认知发展论曾提到，不同年龄阶段的学生在思维方式以及接受能力上都是有所区别的，所以我们在设计教学过程时需要遵循学生的认知发展规律。低年级学生的思维主要是以形象思维为主，他们所接受的概念、知识大多是具象的并能直接感知的，而高年级学生能掌握一些相对抽象的概念，进行一些逻辑性的思考。由于虚拟机器人课程的学习需要较强的抽象逻辑思维能力，所以笔者把授课对象设定为三至六年级学生。

在前期的试探性教学过程中，笔者发现四至六年级学生对虚拟机器人课程基本内容的学习是容易上手的，而三年级学生中则出现了部分学习有困难的学生，如软件的账号注册、界面切换、3D视角的操作等都成为学习的障碍，但这些问题可以通过教师的详细讲解和强化教学加以改善。而在编程部分，三年级的学生几乎只能接受较为简单的程序，如直行、转弯等，而相对复杂的，需要设计、调试的程序，他们都存在难以消化的情况。相比较而言，四年级至六年级的学生在这方面表现得要好很多，且呈现出年级越高，表现越好的现象。

因此笔者认为，将三至六年级的学生设置为该拓展性课程的教学对象是基本合理的，但在具体的教学内容上应该有所区分。

● 内容设计，循序渐进

1.不同年级，不同要求

针对不同年级段的教学对象，在教学内容的设计上也应该循序渐进，符合学生的认知规律。经过摸索，笔者确立了各个年级段相应的教学内容。

三年级：掌握账号的注册和登录，熟悉软件各块界面的功能，了解机器人搭建和程序编写的基本方法，完成一些简单任务，如前进、转弯等。

四年级：在三年级的基础上增加传感器的使用内容，完成一些简单的智能化任务，如循迹踢球等。

五、六年级：主要以综合性任务教学为主，如汽车总动员、野外生存等。其中，六年级相较于五年级在程序的先进性上更进一步，如增加变量和子程序的应用。

2.综合任务，先零后整

IRobotQ3D虚拟机器人中的一些综合性任务涉及的知识点较广，所以往往需要好几节课才能完成。如果教师在设计教学的时候，直接把整个综合性任务进行讲解，并让学生来完成，时间肯定是不够的，容易挫伤学生学习的积极性。

对于这种综合性任务的教学，笔者认为应在精心分析教学目标和教学任务之后，进行系统规划，将综合性的任务分解成一个个有机的片段任务，先零后整，循序渐进，在突破子任务的基础上进行整合，最终完成整体任务目标。

例如，在IRobotQ3D虚拟机器人的场景中有一个汽车总动员的任务，其中小学组的任务是要求在规定时间内让机器人跑完整条赛道（如图1），沿途还有很多得分物，需要机器人碰触得分物来得分，有的得分物是在直角路段，需要机器人碰触后进行直角转弯；在快速过弯路段要求机器人在指定时间内完成过弯，最后还要通过飞车来完成整个场景任务。

在仔细分析完整个任务要求之后，笔者将这个任务分解成了若干个子任务：①走中间任务。②取得分任务。③直角转弯任务。④飞车任务。学生先完成走中间的任务，然后再逐步完成其他子任务，反映到编程中就是根据任务要求编写一个个子程序，再根据场景路段进行合理调用（如图2）。

部分子任务的完成与否不会影響到整个任务的成功，只是在得分上会有所差别。例如，学生只用走中间的子程序一路跑到终点也能完成任务，但是得分会比较低。而在走中间的基础上增加取得分的子程序，就能通过获取赛道上的得分物来加分。所以通过对这样的任务进行分解设计和调用，可以让每一位学生体验成功，同时还留有进步的空间，使得他们动力持久，热情高涨。

● 虚实结合，回归科学

虽然IRobotQ3D虚拟机器人是在一个虚拟环境下进行的机器人的相关教学，但由于其引入了物理引擎，所以在机器人运动过程中会受到重量、惯性、摩擦力等因素的影响。然而，学生往往会忽略这些因素，在机器人搭建或者程序设计的时候太过于理想化。这就需要教师进行引导，让学生把虚拟世界和实际生活相结合，形成更加科学的思维方式。

例如，在前进训练任务中，学生掌握小车笔直前进的要点就是将四个轮子的电机速度设置为一致的。但在实际仿真过程中会发现，明明已经将四个轮子的电机速度设为一致，小车却会跑偏，学生百思不得其解（如图3）。

其实，产生这个问题的主要原因是学生选择的是摩擦力较小的轮子，抓地力不够，小车一开起来，轮子就会打滑并跑偏。但是在虚拟环境下，学生很难考虑到这一点。 在这种情况下，笔者会适时地进行引导，给学生播放事先准备好的视频。视频中是实际生活中的汽车在冰天雪地里打滑侧移的画面，这个现实的例子能给学生一个直观的演示，教师再结合科学课中摩擦力的知识给学生进行相关讲解，学生就会明白当轮子和地面的摩擦力不够时，车子就会出现一些不可控的情况。因此，我们需要在搭建机器人的时候选择摩擦力较大的轮胎来排除这个潜在的不稳定因素，保证程序运行结果的稳定。

这样，通过虚拟和现实的联系，强化了很多在虚拟机器人教学中无法直观但又实际存在的不可忽视的因素，突出了科学性，大大加强了机器人教学与其他学科的知识整合，有效促进了学生科学素养的形成。

● 过程评价，鼓励创新

IRobotQ3D虚拟机器人的教学过程中，很多内容都是以任务达成的形式进行的，具有很明确的目标。那这是否意味着学生评价是以胜负论英雄呢？答案是否定的。笔者认为虚拟机器人教学的最终目的是培养学生的逻辑思维能力，激发他们的想象力和创造力，所以学生评价更应该关注过程，而不是结果。

例如，在金字塔登顶夺宝场景任务中，要求机器人翻越一条长长的阶梯，到达金字塔的顶部去碰触位于塔顶的宝石。通常的解决思路是搭建一辆能够爬阶梯的车子，然后沿着阶梯一步一步往上爬，最终到金字塔顶完成任务（如图4）。这样的解决思路可能需要用到较多的传感器，如海拔高度传感器、接触传感器等，还需要对机器人的结构进行多次的调整修改，特别是四个手臂的安装以及伺服电机转动的数据调试。这样，一个任务一般需要学生花费2～3节课的时间来完成。

一次课堂上，笔者在巡视过程中，发现有位学生在捣鼓一个机器人控制器，这个控制器上没有安装任何的轮子、手臂、电机、传感器等。于是，在其身后默默观察了一会儿，发现这位学生只是在这个控制器底部加了个弹射装置（如图5），原来他是想把这个控制器直接弹到金字塔的顶端。这是不走寻常路啊，但可能由于該生对弹射装置还不是很熟悉，所以虽然经过多次试验，但他最终还是没能将控制器准确弹射到塔顶来完成任务。

随后，笔者把该生的解决方案投影到屏幕上，展示给全班学生，并对他的创新思路进行了鼓励和表扬。笔者还带领全班学生一起对这个解决方案进行了改进和讲解，在很短的时间内完成了这个我们曾经觉得很复杂的任务。

经过这次事件后，学生在虚拟机器人的学习中不再墨守成规，各种奇思怪想层出不穷，不管是可行的还是不可行的，笔者都会加以鼓励，并通过各种分析帮助学生形成更加科学的创新思维，提升他们的能力。

综上所述，虚拟机器人作为学校的信息技术拓展性课程，正在走向趋于成熟的道路，只要我们本着“以生为本，学为中心”的教学理念，用心设计课堂教学，注重对学生能力的培养，就能让拓展课堂迸发出更精彩的火花！

参考文献：

[1]何子恢.以学生为中心的信息技术课堂教学策略初探[J].中国科教创新导刊，2010（08）.

[2]简子洋.3D仿真虚拟机器人课堂教学策略研究[J].中国现代教育装备，2012（18）.

[3]熊国全.仿真机器人课堂教学的实践与探索[J].中国信息技术教育，2008（10）.