小学LOGO语言与机器人“虚实结合”的程序设计教学路径研究

刘学忠 赵志兴

在小学的程序设计教学中，通常只教学生运用程序设计语言本身，由于学习形式单一，学生学习兴趣往往不大，学习效果不佳。从2014年开始，笔者参与和主持了宁夏第四届基础教育课题“小学信息技术LOGO语言与机器人教学整合教学的探索与实践”的研究，课题组编写了《LOGO语言与机器人》实验教材，开发了虚拟仿真3D机器人教学平台和配套的实体机器人。通过近4年的实践，探索出了从“LOGO语言基础”到“虚拟仿真机器人”学习再到通过编程控制“实体机器人”的“虚实结合”的小学LOGO语言程序设计教学路径。

● 研究设想与准备

LOGO语言是一种适合小学生学习的程序设计语言，程序是智能机器人的靈魂，机器人需要用计算机语言编程控制。在小学阶段信息技术教学中以机器人的搭建、调试、运行作为载体，使LOGO语言和机器人教学有机结合，有利于学生学习算法、物理、机械等科学知识，初步理解程序设计的思想和方法，培养逻辑思维能力和动手能力，是全面提升小学生综合素质的有效途径。

在机器人和LOGO语言整合程序设计教学实践中，程序设计是否达到预期的目标可以通过机器人来检验，从而使抽象、单调的程序设计变得直观而具体。学生在搭建机器人、为机器人编写程序、调试、运行机器人的过程中，学到了程序设计和机器人的原理及运行机制等基础知识，培养了创新和动手实践的能力。

在课题研究过程中课题组提出了“用LOGO语言程序直接控制机器人，使用IRobotQ 3D仿真环境，进行程序的调试和修改，然后下载到实物机器人，控制机器人行为”的研究思路，并设计和研发了“虚拟仿真机器人+实物机器人”套装系统，结合套装系统编写了“LOGO语言与机器人”实验教材。

● LOGO语言与机器人教学“虚实结合”的教学实施

“虚实结合”的LOGO语言与机器人整合教学的实施分为：LOGO语言的基础、虚拟仿真机器人（包括搭建仿真机器人、编写程序及仿真调试等）和实体机器人验证调试三个环节。

为了促进LOGO语言与机器人教学“虚实结合”的教学实施，课题组编写的“LOGO语言与机器人”实验教材共10个单元。第1至4单元作为基础铺垫，其中1、2单元学习LOGO语言的基础知识，3、4单元学习机器人基础知识并学会搭建机器人。从第5单元到第9单元，学生以一名“驾驶员”的身份，在不断完善自己搭建的“学习者号”机器人的基础上，“驾驶”它完成“安全出站”“精准停靠”“遵守交规”“魔幻寻宝”等系列任务，经历将一台机器逐渐变成智能机器人的过程。第10单元，自我总结积累的编程经验并过渡到可视化程序设计，为以后的学习打下基础。

根据教学内容安排，学生通过《第1单元 初识LOGO》和《第2单元 LOGO的过程》的学习后对LOGO的语言环境及运行和调试就有了基础性的认识。在掌握了LOGO语言的基础知识后就可以开展“虚拟仿真机器人”和“实体机器人”的验证调试。

IRobotQ 3D仿真平台提供了与实物机器人（RobokidFR1）匹配的虚拟机器人搭建平台。机器人是由一个个零部件组装而成的，在RobokidFR1机器人编辑窗口的模型库中出现的控制器、驱动块、安装块、传感器及其他共5个大类的所有模型也有一一对应的实物部件，使仿真平台学习与实物搭建、运行、测试实现了无缝对接，把LOGO语言与机器人教学的虚实环境有机地融为一体，使小学生在潜移默化中学会了LOGO语言编程和机器人操作的相关知识。

下面以“安全出站”任务的三个片段为例说明教学的实施路径。

片段一：搭建仿真机器人。

根据任务需求，先给出机器人零部件清单（如图1），学生将基础零部件构建（组装）成任务中的机器人部件。在全册教材的学习中，使用的轮式车形机器人由作为车身的控制器、驱动装置、车轮和辅助轮几个主要部件组成。在学习中学生先构建出这些部件，再组装出轮式车型机器人——“学习者号”（如图2）。

片段二：编写程序与仿真调试。

“学习者号”机器人的仿真搭建已经完成，但是还不能自主完成这个任务，目前它只是一个没有“智慧”的机器，需要我们“赋予”它“智慧”。

由于IRobotQ 3D是一个物理仿真环境，在它的LOGO程序编写窗口编写LOGO程序，与教材第1、2单元在LOGO语言编程环境下编写的LOGO程序（即过程）有所不同，因为LOGO语言编程环境是不需要考虑外部物理环境因素影响的理想化编程环境，而仿真环境是对真实物理环境的模拟，这就需要学生根据模拟的实际情况来修正指令，这样有利于学生养成理论联系实际和提高解决实际问题的综合能力。

编写程序与仿真调试教学一般分为任务分析、算法描述（用自然语言表示）（如图3）、编写LOGO程序与仿真调试（如图4）三个环节，通过学习有利于学生编程思维和逻辑思维习惯的养成。

片段三：实体机器人验证与调试。

为“学习者号”机器人编写的程序在仿真环境测试成功后，就可以将它下载到“学习者号”实物机器人的“大脑”——控制器中，使它从一台普通的“机器”变为有“智慧”的机器人，然后让它在真实的场地中“安全出站”。

实体机器人验证与调试的组织实施：分小组把数据线一端连接至电脑的USB接口上，另一端连接到“学习者号”控制器上，向实物机器人下载LOGO程序，然后在场地上进行调试。

● “虚实结合”教学模式的优势

在“虚实结合”教学模式的“搭建仿真机器人”“编写程序与仿真调试”教学环节都是依托3D虚拟仿真平台进行的。利用3D虚拟仿真平台可以消除外界因素干扰，让学生更加专注于LOGO语言与机器人的学习，从而有利于提高学习的效率。在三维仿真环境中，学生可以360度无死角观察机器人及其组件，使得原来比较抽象的原理和现象变得直观，同时有利于掌控虚拟机器人的运动状态。

在“实体机器人验证调试”环节，通过对实体机器人的操作可以极大地调动学生的学习积极性，学生在搭建机器人的过程中对安装的各种大大小小的传感器及机器人的各个组件的功能有了较“虚拟平台”中更加直观的认识和理解。通过下载自己编写的程序到实体机器人上进行验证调试，学生能体会到一定的控制感和成功的喜悦，同时对LOGO语言与机器人的原理和工作机制有了更加深刻的理解和认识。

“虚实结合”的教学模式与实体竞赛或常规机器人教学相比在软硬件方面都有很大的优势。“搭建仿真机器人”和“编写程序与仿真调试”环节都是在免费的3D虚拟仿真平台上在线进行的，无需购买软件和硬件，在计算机上操作简单易行。从而有效地克服了硬件和场地的制约，极大地降低了小学机器人教学的门槛。实体机器人验证环节，对场地的要求也不高，既可以在专门的实验室进行，也可以利用常规计算机教室进行，从而因地制宜地构建起了基于网络的常规教室LOGO语言和机器人教学的新环境。

LOGO语言与机器人教学“虚实结合”的教学路径，很好地解决了小学程序设计教学中单纯学习、理解和记忆复杂的编程语句枯燥乏味的问题，有利于小学生计算思维、创新思维和运用程序解决实际问题能力的培养，能极大地激发起小学生进一步学习程序设计的强烈愿望。