基于3D仿真平台的初中机器人教学设计

赵义纯

摘 要：本文采用实践教学法，以社团课程“金字塔之勇敢前进机器人”为例，利用3D仿真平台进行了教学设计，构建出初中机器人课程的教学环境，并在机器人课堂教学实践的基础上，进行了系统的评价。在教学过程中，始终以具体的任务为主体，充分激发学生的学习积极性和学习兴趣。这为其他教师利用3D仿真平台进行初中机器人课程的教学提供了参考。

关键词：3D仿真平台;机器人教育;教学设计

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：2096-0069（2018）05-0071-07

21世纪以来，智能机器人技术发展日益加快，其核心技术水平逐渐成为科技发展的重要指标。培养具备机器人技术的高素质人才，需要从基础教育阶段抓起，而提高学生对机器人研究现状的认识及加强其对相关技术与知识的掌握尤为重要。

一、国内外机器人研究综述

（一）机器人教育理论探讨

艾米·江口（Amy Eguchi）提出机器人青少年世界杯（RoboCupJunior）能够促进STEM教育[1]。德米特里·巴兹莱夫（Dmitry Bazylev）等人介绍了机器人比赛有助于培养学生对控制理论与计算机科学的兴趣[2]。王益以STS（科学、技术与社会）理念为基础，探讨如何将STS理念融入到中小学机器人教育中[3]。赵加兴等人阐述合作学习理论在机器人教学中的应用，并从教室布置方案、优质二人分组方式、“任务轮换—组内互教”三方面进行具体阐述[4]。李立玉等人阐述了任务驱动教学法在中小学机器人教学中的应用，并提出该方法能培养学生团结协作与积极探索精神[5]。

（二）机器人教育的课程研究

林内特（J. Linert）等人进行机器人课程教学，根据教学成果提出“成本导向的自动化课程”[6]。赤田泽·爱克（Tetsuya Akagi）等人将机器人竞赛作为学生学习课程的一部分，并确认教学效果[7]。玛丽娜·U.贝斯（Marina Umaschi Bers）等人通过建构基于机器人的课程，发现幼儿园的孩子能够学习计算机编程知识[8]。张新对中学校本课程建设进行研究，对机器人教育的价值和发展前景进行阐述[9]。张振堂围绕机器人校本课程的课程性质、任务、特点及教学目标、内容等方面进行介绍[10]。孙媛媛阐述了中小学机器人课程的设计与开发理论，并对机器人课程的指导纲要进行概述[11]。

（三）机器人教育的技术与工具研究

沙维尔·蒂罗（Xavier Tillou）等人运用机器人手术模拟器对医生进行手术培训并评估训练效果[12]。马丁·卡尔（Martin Kalúz）等人提出能模拟交通情况并提出控制方案的教育机器人，并以实际案例证明该机器人模拟器的巨大价值[13]。张祺等人通过研究机器人足球比赛，提出直观有效的比赛决策程序方法，降低了少年儿童参加机器人足球赛的限制[14]。赵姝颖等人分析了国内外机器人比赛，探究比賽中传感器信息融合、机器人决策系统和运动控制等技术[15]。李龙探究教育机器人的物理仿真系统，设计出机器人搭建模块、图形化编程模块和机器人仿真模块，并将这些设计变成现实[16]。

（四）机器人教育的教学设计研究

蒂莫·奥克森（Timo Oksanen）等人提出机器人比赛的教学目标[17]。迪利克·卡拉霍卡（Dilek

Karahoca）等人在课程研究中得出，在机器人课程中，学生的学习能力和解决问题的能力得到提高[18]。李鸣华针对中小学的机器人教育课程进行教学设计探究，对教学设计中的学习需要、教学目标、内容、策略等方面进行详细的阐释[19]。王娟构建出STEM视野下的ADDIE模型，并设计出机器人教学活动的具体案例[20]。张秀杰以中小学机器人教育的教学设计为主题，具体分析机器人教育课程以及课堂教学环节[21]。

通过对国内外机器人教育的文献研究，发现机器人教育在课堂教学中具有重大价值和意义。

二、3D仿真平台教学应用的可行性分析

3D仿真平台从功能上来说是一款虚拟机器人软件平台。本研究采用的是IROBOTQ 3D仿真平台，它是国内领先的基于网络的机器人教育和创新实践平台。该平台通过虚拟现实（VR）技术和三维建模技术，将机器人教育的各个环节进行高度的三维立体仿真。平台中拥有丰富的智能组件库和简单易学的行为设计系统，能够较好地帮助学生了解和学习机器人的相关知识与技能。

（一） 从教学设施的角度分析

笔者以重庆市H中学为例，它属于重庆市重点中学，它的三个计算机教室配备有较为先进的计算机设备，安装有3D仿真平台、Photoshop软件、C++编辑软件等多种软件。良好的软件和硬件设施不仅利于教学活动顺利开展，还利于学生获得更好的学习效果。

（二） 从教学成本的角度分析

下表为3D仿真平台的价格体系：

重庆市H中学所采用的是60个用户的机房版，进行机器人教育教学时，教师到机房授课，能充分满足使用需求。这一版本的3D仿真平台价格为15000元，在满足教学要求的基础上能够降低教学成本。

（三）从教学模式的角度分析

教师通过3D仿真平台进行教学，有利于学生学习机器人知识，掌握相关技能。在教学过程中，教师不再是传统意义上课程内容与学科知识的传授者，更是学生学习的指导者与辅助者。学生通过3D仿真平台可以采取自主学习或小组合作探究的方式来分析和解决问题。在学习过程中，学生是学习的主体，是学习的主动参与者。因此，3D仿真平台的教学应用符合现在提倡的“教师为主导，学生为主体”的教学模式。

（四）从机器人教育自身特点的角度分析

机器人教育有如下特点：为学生发挥想象力提供平台;教学方法多样化;评价方式多元化;具有明显的学科交叉性;具有很强的实践操作属性;容易提高学生的学习兴趣。综上所述，笔者认为使用3D仿真平台进行机器人的教学基本符合机器人教育的特点。

三、教学设计

（一）学情分析

在重庆市H中学有很多社团，本次课程设计属于“虚拟机器人”社团课程。教学对象是初中二年级学生，这些参加“虚拟机器人”社团的学生，已经具备一定的虚拟机器人知识基础。因而在给社团班级上课时，需要对课程内容有很好的把握，并且课程要有一定的难度。

（二）教学内容分析

本节课的教学内容有：灰度传感器的安装与使用，距离传感器的安装与使用及海拔传感器的安装与使用;“金字塔之勇敢前进机器人”的搭建，“金字塔之勇敢前进机器人”的程序编写，“金字塔之勇敢前进机器人”运动方式的探究。

（三）教学目标分析

知识与技能目标：学生能够掌握灰度传感器、距离传感器和海拔传感器的安装和使用;能够熟练操作“金字塔之勇敢前进机器人”的搭建，理解“金字塔之勇敢前进机器人”的程序编写。

过程与方法目标：理解“金字塔之勇敢前进机器人”的任务完成过程，体验和熟悉探究学习和合作学习过程，并掌握探究学习与合作学习方法。

情感态度与价值观目标：培养学生科学的探究精神和团队合作精神。

（四）教学过程

（五）板书设计

四.教学设计应用评价

（一）教学目标与教学内容评价

在教学目标设计中，笔者采用的是三维目标设计，通过教学实践，笔者发现大部分学生能够达到教学目标的要求，但还是有一小部分学生的学习效果有一定差距，尤其是在程序编写环节有较大差距。

在教学内容的设计中，笔者设计了5节具体的教学内容，这5节教学内容都以具体的任务为主体，充分体现了任务驱动的教学方法。整体上而言，教学内容的設计基本符合学生的认知特点及学习能力，对于学生掌握机器人相关知识有较大帮助。

（二）教学策略设计评价

在教学策略的设计中，不仅包括了对教学任务的要求，同时体现出对于教学方法的选择。在本研究中，笔者共设计了4种教学策略，在教学实践中，以协作学习策略与自主学习策略为主，以练习策略与展示策略为辅。通过不同教学策略的融合使用，从而达到提高学生学习效果的目的。

（三）教学方法设计评价

在教学方法的设计中，笔者主要设计了任务驱动法、讲授法与讨论法。根据初中机器人教育的课程特点及实践效果来看，笔者设计的教学方法产生了较好的效果。

笔者采用多元化的评价方式对学生的学习效果进行评价，能够更真实地反映学生的学习情况与学习状态。在教学过程中，教师需要积极引导学生去思考，让学生去发现问题和解决问题，而不只是知识的传授者。这样能够充分地调动学生的学习积极性和参与性。 在教学过程中，运用小组合作的教学方法能够增强学生的集体荣誉感和团队的合作精神，有利于学生对相关知识的掌握。对于学生的学习成果要及时给予评价。学生对于小组合作完成的成果比较重视，他们期待教师和其他同学给予一定的评价。如果及时给予评价，将能够对学生的学习产生积极的效果。

参考文献

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Instructional Design of Junior Middle School Robot Based on the 3D Simulation Platform

ZHAO Yichun

（Xincheng Campus of Jiangsu Huaiyin Middle School，Huaian，Jiangsu，China 223001）

Abstract： Adopting the practice-based teaching approach，and taking the community course "Pyramid：A Boldly-Moving-Forward Robot" as an example，this paper carries out an instructional design by using a 3D simulation platform.It constructs a teaching environment for the junior high school robot course，and based on the robot classroom teaching practice，it conducts a systematic evaluation on the course.In the teaching process，specific tasks are always the main body，which fully stimulates students enthusiasm and interest in learning.This provides a reference for other teachers to use the 3D simulation platform to teach the robot course in junior high schools.

Key words： 3D simulation platform;robot education;instructional design