虚拟机器人运用于课堂教学的案例研究

李舜锋 戴娇丽 傅蕾丝

【摘要】从问题的提出、机器人相关概念、虚拟机器人的价值谈起，用具体的教学案例进行分析，探讨将虚拟机器人运用于课堂教学的可操作方法和措施，并对升华虚拟机器人教学价值的方法提出建议。

【关键词】虚拟机器人；IRobotQ3D虚拟机器人；课堂教学

由于信息技术日新月异、机器人设备价格昂贵、更新换代快等特点，使得实体机器人教育成为只有少数学生才能享受的“贵族运动”。如何在条件简陋、资源有限、经费不足的情况下，让更多的学生享受到以机器人为代表的人工智能教育？这就需要寻求一种新的机器人—虚拟机器人作为教育载体，运用于课堂教学。

一、相关概念

1.虚拟机器人

虚拟机器人又称软件机器人、仿真机器人，是一种基于虚拟现实的技术。虚拟机器人把运动场地、编译工具、组件、控制引擎等都集于一身。

2.IRobotQ3D虚拟机器人

IRobotQ3D虚拟机器人，中文名称为萝卜圈虚拟机器人，由杭州萝卜圈网络技术有限公司开发的教育虚拟机器人。它具有基于网络互动模式、物理引擎强力支撑、开放项目设计和管理、创新的驱动和传感器、智慧的可视化编程系统、完备的活動支撑平台等特点。加上三维仿真环境，深受中学生的喜欢，海南省已经连续举办了五届IRobotQ3D机器人大赛，“寻找丢失的轮子”将在萝卜圈平台进行教学实施。

二、虚拟机器人的教育价值

1.扩大享受机器人教育的人群

目前只有创客教育、社团活动、竞技竞赛、校内外兴趣培训班等才能接触到实体机器人教育，参与人数相对较少，将虚拟机器人运用于课堂教学，有助于让更多的学生接触到机器人教育，扩大了享受机器人教育的人群。

2.降低教育成本

实体机器人因其价格昂贵、更新换代快、零部件维护费用高等特点被称为贵族教育。虚拟机器人具备仿真环境，仅需要在中学机房中安装虚拟仿真平台，便可进行教学和学习，节约了教育成本，适合在本地区推广。

3.将虚拟机器人设计成教学项目有利于推进课堂教学

信息技术课中最枯燥、最难的部分就是程序设计，充分利用虚拟机器人的游戏性、趣味性等特点，将虚拟机器人活动设计成教学项目（例如本课设计成“寻找消失的轮子”），培养学生的学习兴趣，利用可视化编程突破教学难点。

4.虚拟机器人运用于课堂教学有利于落实信息技术核心素养

信息技术教育的目标就是培养学生的信息意识、计算思维、数字化学习、信息社会责任。对于初中阶段的学生来说，计算思维的培养尤为困难，如果采用python或者C语言进行教学，困难将会成倍增长。如果采用VPL（可视化编程语言）进行编程，教学的难度将大大降低。

VPL图像化、直观形象的可视化编程直接降低了语法、算法实现的复杂度。采用拉拽式、模块化、可视化的图形编程语言，人性化的智能匹配功能、形象化的数据流向动画、简单的操作，能更好地帮助学生理清思路、为实现算法随心所欲地设计代码，突出计算思维在信息技术教学中的中心地位。

三、将虚拟机器人应用于课堂教学的实践

下面以“寻找消失的轮子”一课为例，采用IRobotQ3D机器人作为教学机器人，开展虚拟机器人教学。

1.关于教学设计

（1）融入学科核心素养。学科核心素养是体现学科的思维品质和关键能力，信息技术核心素养包含信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四个方面。“寻找消失的轮子”是虚拟机器人的入门课，入门课设计得太难会打击学生的积极性，设计得太简单太浅显则学生的能力得不到锻炼和提高。因此教师应根据实际情况融入学科核心素养进行设计教学，具体如下：

①能够根据解决问题的需要，自觉、主动地寻找恰当的方式处理。（信息意识）

②通过判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的方法形成解决问题的方案。（计算思维）

③掌握数字化学习工具（萝卜圈虚拟机器人平台）的操作技能。（数字化学习与创新）

④能够遵守信息法律法规，信守信息社会的道德与伦理准则（闪烁灯）。（信息社会责任）

（2）落实课程标准。2022年4月新推出的《义务教育信息科技课程标准》中明确指出，“主要研究以数字形式表达的信息及其应用中的科学原理、思维方式、处理过程和工程实现”。据此笔者制定了“寻找消失的轮子”的要求：了解一种程序设计语言的基本知识，使用程序设计语言实现简单算法。通过解决实际问题，体验程序设计的基本流程，掌握程序调试、运行、优化的方法。

学业要求方面，要求依据解决问题的需要，设计解决问题的方案；通过对硬件的组装、调试、优化（数字化学习），培养学生的创新思维；了解一种程序设计语言的基本知识（程序补充、参数填写），了解程序设计语言实现简单算法，解决实际问题。

（3）教学内容及分析

①搭建机器人。搭建机器人是虚拟教学的第一步，也是本节课的重点之一。对于初学者，“寻找消失的轮子”将机器人设计成半成品，只需要安装轮子即可完成机器人的组装，涉及的主要知识点有：虚拟机器人介绍、IRobotQ3D机器人以及零件库介绍（包含控制器、驱动、安装块、传感器等），以及安装技巧。

②提高速度（更改参数）。本内容主要是为了让学生熟悉不同参数对机器人运作的影响；

③提高成绩（更换不同的轮子）。本内容主要是让学生了解不同硬件对机器人运作时的影响；

④提高成绩（引导学生同时更改参数和更换轮子）。本内容主要是让学生探索软硬件之间的搭配结合，对机器人及其成绩的影响。

⑤分析代码，学习条件分支（VPL、python）。回归教材，回归课标，让“寻找消失的轮子”的课程内容得到升华。

（4）学情分析：本节课的教学对象是海南省儋州市第三中学初中一年级的学生，在小学阶段，大多数学生已经学习过VPL，如Scratch等语言，有一定的可视化编程语言基础，为学习本课提供了相关知识支持。现在的孩子从小就玩积木，为本课机器人的搭建提供了技能支撑。加上初一的学生天性爱玩，对车、机械、游戏都很感兴趣，这为本课的顺利实施提供了保障。

（5）教學策略：

①教学方法。讲授法，讲授机器人、虚拟机器人、IRobotQ3D虚拟平台的功能，以及零件库的使用。

其一，任务驱动法，通过三个探索性任务，层层递进，完成本节课知识点的学习；

其二，演示法，每个任务由先完成的学生演示（如果学生遇到困难，老师可以帮助其演示），完成对重难点的突破。

②关于教学流程和教学活动的设计。

设计为展示实体、虚拟机器人—讲解IRobotQ3D虚拟机器人—逐步展示梯级任务—实践操作，记录分数—每组学生展示作品—课堂小结

2.实施过程

（1）导入。教师提问学生是否爱玩游戏，告诉学生本节课就是带大家玩游戏，并且分给每个学生一个游戏账号和密码，演示登录过程，让学生进入到萝卜圈界面。

这样设计是根据孩子爱玩游戏的本能，激发学生学习本节课的兴趣，快速导入本课，顺利进入本课的学习。

（2）教学过程。本节课主要依据项目式教学方式，将寻找消失的轮子作为教学项目，再将本项目分解为三个梯级任务，引导学生逐级完成。具体如下：

任务一：帮助萝卜小子找回消失的轮子，让他可以走到终点。

①讲授打开、登录方法（使用账号）；

②介绍萝卜圈的界面，进入房间的方法；

③进入房间后，介绍常用按钮，比如编程按钮、机器人搭建按钮；

④介绍搭建机器人界面中，主界面的介绍（包含的界面控制、机器人的安装端口）零件库的使用（包含控制器、驱动、安装、传感器等）；

⑤认识每个传感器、电机的名字等。

任务二：如何提高分数？

①展示修改电机参数提高分数的方法（进入程序界面）

②鼓励学生尝试；

③收集遇到的问题（颠簸）（尝试换轮子）；

④登记分数高的同学；

⑤引导学生展示。

任务三：

展示任务三、观察程序，体验编程。

①展示流程图；

②展示VPL编程；

③展示python代码，体验程序。

（3）教学评价。教学评价主要是针对学生所完成的任务进行过程性评价与总结性评价，教师可以设置评价量规表，涉及到设计思维、作品创意、创新能力、学科素养、学习品质等五个维度进行评价。每个维度20分，总分100分。评价方式为学生自评、互评，教师评价等多种方式，主要突出学生思维、能力、素养等三大方面。通过评价，让学生发现自己在学习中所存在的问题，充分发掘学生内在潜能，更好地进行实践探究，不断提升学生的学科核心素养，为后续学习打下扎实的基础。

（4）课堂总结。课堂总结是一堂课结束前教师与学生共同将课堂上用到的知识与技能、过程和方法、情感态度与价值观进行总结，是一堂课必不可少的环节。好的课堂总结，能够引导学生牢固地掌握学习过的内容，而且对学生学习的知识起到归纳作用。例如本课总结如下：

回顾知识：

①帮助小萝卜找到了丢失的轮子；

②掌握了如何提高分数（参数），更换硬件等；

③了解了什么是流程图、程序等；

④如果还有对小萝卜感兴趣的同学课后可以继续学习，用分给大家的账号和密码进行登录。

本次课堂总结，不仅回顾了知识点，通过物流机器人视频，培养学生养成关注日常生活的习惯，提高了学生的信息素养。课后任务的布置，鼓励有兴趣的同学继续学习机器人，将课堂延伸到课外，让学生将课堂知识学以致用。

四、虚拟机器人应用于课堂教学的建议

1.认真研究学情

虚拟机器人具有抽象、操作性较强等特点。笔者所在学校处于农村与城市结合部，城市、农村的孩子各占一半左右，学生对计算机等电子设备的操作技能的掌握水平参差不齐。而初中阶段的学生正处于形象思维向抽象思维转变的过程，具有好奇、好动、好玩、好胜的特征。如果对上课班级的学情掌握不够，就有可能影响课堂教学效果。

2.注重技术性实践

新课标的要求就是让学生在实践活动中有所收获，特别是对实践能力的培养。如搭建小车、更改参数（如速度）、更换硬件（如轮子、电机等）、展示作品、参与赛车等。这些技术性实践虽然简单，但有趣有味，可以激发学生的无限创意，给学习过程带来许多乐趣。能更好地引导学生动手操作、自主探究，将“学技术”与“用技术”有效结合，帮助学生更好地掌握技能、发展能力。

3.注重培养学生的核心素养

虚拟机器人的学习从专业知识出发，首先培养学生的信息意识（自觉、主动地寻求恰当的方式处理问题）；其次进入对计算思维和数字化软件的学习与创新学习（萝卜圈虚拟机器人平台的操作技能）；再次培养学生的信息社会责任，遵守信息法律法规，信守信息社会的道德与伦理准则（闪烁灯）；最后是让学生学以致用，把课堂推向人文教育和生命关怀，指出多掌握一门技术就多一份责任，进一步培养学生的信息社会责任。

4.注重知识迁移能力的培养

虚拟机器人的重要成果是分数和作品，这些成果可通过展示进行检验和评价。但笔者认为，更为可贵的是看不见的隐形成果，培养了学生的知识迁移能力，比如学生掌握了虚拟机器人的操作，对操作实体机器人就很容易上手；学生掌握了VPL编程，学习Scratch等语言不在话下；通过学习语言结构，为学生将来学习python、c语言等流行语言打好坚实基础。

综上所述，因为有了寻找消失的轮子的半成品应用，对于初次接触机器人的学生来说，其对机器人有了全新的认识；让学生学以致用，层层递进，培养了浓厚的学习兴趣。虚拟机器人的学习，创造的是生长性课堂，把更多的时间交给学生，让他们自主探索设计虚拟机器人，在实践中取得进步和成长，享受成功的快乐，培养学生的学科素养。

【参考文献】

[1]牟亚.计算思维培养为导向的高中信息技术课程教学实践研究[D].四川师范大学，2020.

（基金项目：本文系省级规划课题“虚拟机器人在初中信息技术教学中的应用研究”的研究成果，课题编号：QJH202010098）