利用虚拟技术开展机器人课程教学的实践与思考

江苏省溧阳市文化小学 何新华

一、问题的由来

2000年，机器人课程进入北京景山学校信息技术课程中，随后，全国一些经济较发达地区也开发了相应的机器人校本课程并进行实践与探索。虽然江苏早已将机器人内容编入信息科技教材，但在部分区域终因机器人设备无法落实等问题难以真正实施。

《教育信息化“十三五”规划》要求推进人工智能在中小学的普及，通过作品创作、编程设计、动手实施，提高学生的编程能力和计算思维能力，从而激发学生的创新意识，发展学生的实践能力与可持续学习能力。很多学校相继建立“创客空间” “人工智能教室”，并将创客课程、机器人课程及人工智能课程引入课表。党的二十大报告强调“教育、科技、人才”对现代化国家的基础性和战略性支撑，这更为以机器人、编程等为代表的科技教育注入了强有力的动力。这些都为学校机器人教学提供了新的思路，机器人教学也正朝着这个方向在不断地进步。但中小学机器人教育的普及率仍然很低，往往只局限于个别班的校本选修或课后服务，因此机器人教学在整个学校课程体系中面临着不可避免的窘境。

（一）经费预算不足，设备过于昂贵

目前中小学所选用的机器人器材，主要是乐高、中鸣等厂商出品，机器人设备成本高，使众多学校望而却步，即使开设机器人课程，也只有少数学生能够体验，无法让每一个感兴趣的学生都能真正接触。

（二）师资全面匮乏，教师有心无力

虽然有些学校有开设机器人课程的意向，但苦于师资匮乏，只能选择以课后服务或选修课的形式与校外培训机构合作，而某些机构为了引流，实现利益最大化，只选择相对简单的、低成本的内容进行教学，学校教师也接触不到真正的机器人技术层面的知识，致使学校的机器人教学水平整体不高。

（三）大班整班教学，教学效率低下

由于机器人教学涉及搭建、编程等多个环节，40分钟根本无法保证每个（组）学生都能完成学习任务，教学效率低下，且教具的整理、课间的衔接、作品的保留等问题也一直困扰着中小学信息科技教师。

二、摆脱机器人教学窘境的途径

机器人教学重在培养学生的动手实践能力，提高学生的计算思维能力、工程操作能力及合作探究能力，从而帮助学生塑造健全人格。如何摆脱上述窘境，有效实施机器人教学，让每个学生都能参与机器人学习，成了我们共同追求的目标。

（一）采用以Arduino为代表的开源机器人

以Arduino为代表的开源机器人逐渐成为很多学校机器人装备的主流，苏科版信息科技教材中“xDing”机器人就是最具代表性的例子，除此以外，用掌控板、行空板、树莓派对等主控板配上拓展板、传感器、结构件等，就是一个简单的机器人，由于是一个封装好的机器人，平时上课只需要添加合适的传感器即可。如此，机器人的投入就小了好多，有时候甚至只要一套器材（一支队伍）的费用就可以装备一个机器人实验室。

（二）采用虚拟平台的机器人技术

开源机器人虽然价格便宜，但根据笔者所在学校使用的开源器材来讲，经过一学期的使用，主控板和传感器的故障率还是相当高的，特别是一些焊接接口很容易松动，造成有时不能正常使用，因此笔者也一直在寻找可以进行机器人整班教学的途径，直到2020年11月中国科协推出虚拟机器人在线体验活动。带领学生参加这次比赛后，笔者找到了一种在信息科技课程中实施机器人教学的全新思路。

在中国科协的推动下，现在国内各大主流厂商都有不同的虚拟机器人平台，如中鸣RoboSim虚拟机器人、鲸鱼虚拟机器人、TGE虚拟机器人等，这些平台的发展可圈可点，虚拟机器人的比赛和课程都已趋于成熟。

三、虚拟机器人课程实施的实践与思考

（一）关注学生差异，从普及到创新

学生的发展存在着巨大的差异，根据学生的接受能力和现有水平，可以将虚拟机器人教学划分为以下三个层次并进行相应的课程实施（如图1）。

图1

1.普及

利用五、六年级信息科技课程进行整班教学。家长只需通过手机注册免费的账号，学生即可在普通机房学习虚拟机器人课程，通过所见即所得的搭建界面、基于Scratch图形化的编程、流畅且多角度的模拟运行，学生对虚拟机器人及虚拟机器人编程产生浓厚的兴趣，从而学习机器人运动、传感器检测、机器人巡线等基础机器人知识，进一步激发学生学习虚拟机器人相关知识的兴趣，开拓学生的眼界。

2.提升

利用学校课后服务或自由课程时间，将对虚拟机器人感兴趣的学生集中组织起来，对这一内容进行深入研究和学习，笔者在2021年就曾利用虚拟机器人平台上了一节溧阳市市级公开课“机器人走迷宫”，学生搭建了形态各异的机器人，编写了不同思路的程序，能力得到有效提升。

3.创新

在2022世界机器人大赛锦标赛（北京）中，笔者所在学校共有三名学生参加虚拟机器人赛项，并全都取得了佳绩，究其原因还是与选拔机制有关。笔者挑选出的这些学生不但兴趣浓厚，极具研究特长，而且乐于探究并富有团队意识，通过对比例巡线、AI巡线、任务完成等进行有效探究，比如对“时空桥传输”任务进行了大量探究，最后利用多手臂联动来完成任务，创造力和创新性得到进一步提高，对机器人的工作原理及编程思想有了更深刻的认识。

（二）进行项目学习，启迪多重思维

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》将“跨学科主题”作为信息科技课程内容的重要组成部分，倡导真实性学习。机器人课程是集“科学、技术、工程、艺术、数学”于一体的STEAM课程，不光用于比赛，更多地可以用于跨学科学习。以项目化学习的方式组织教学，对于开拓学生的思维品质、改变学生的思维方式具有积极的意义。下面笔者以全国青少年虚拟机器人在线体验活动为例，谈一谈怎么在虚拟机器人教学中组织项目化学习以及跨学科学习。

1.确定项目主题

虚拟机器人体验活动由自主设计的机器人、各种形态的道路（草地、小溪、土路）、各种突发事件（大灰狼、隧道、蟒蛇、碎石）等各种虚拟元素组成。教师可以把它当作一个大项目分解成多个小项目再设计成课程加以实施，学生的首要任务就是自主设计机器人小车，安装各种传感器用于道路行走、路口识别、任务识别，并编写执行程序，模拟机器人行走、避障等任务。这些任务就是教师需要带领学生研究的主题，学生可以根据自己的兴趣自选主题，也可以全部参与。

2.小组合作共建

选择了自己想研究的主题，学生还需要掌握搭建虚拟机器人的技巧，如积木与积木、积木与传感器之间如何连接，如何将积木和传感器转到合适的角度，如何选择合适的传感器，程序该如何编写等。有的只需教师将合适的资源分发给学生，通过小组合作学习，引导学生自主探究。在这个学习过程中，学生首先要去发现相关问题，然后通过学习教师分发的资源、小组合作、寻求帮助等多种方式去解决遇到的问题。在整个探究过程中，学生都是在主动地学习，而不是被动地接受，学生在解决问题的过程中，不但学会了如何去搭建机器人、用程序控制机器人，更多地学会了如何去和学习伙伴沟通合作、共同进步。这就是项目化学习最大的收获。

在通过编写程序控制机器人运动时有学生发现，如果选用前驱车，机器人停止时总是会出现“磕头”现象，而选用后驱车后，启动时又会出现“翘头”现象，学生对这种情况产生了浓厚的兴趣，提出了很多问题：机器人在运行过程中为什么会“磕头”或“翘头”？重量对机器人的运动有没有影响？如何摆脱惯性的影响？前驱和后驱机器人的优缺点各是什么？通过对这些问题的分析和对机器人结构、程序的不断调整，学生不但理解了程序，更通过虚拟化的实验完成了科学课中关于惯性、前后驱知识的探究，真正实现了跨学科学习。

3.实践探究明理

上述学习环节中关于惯性和前后驱等问题的探究只是本次项目化学习过程中的一小块，只停留在虚拟机器人课程的初始阶段，尚未指向虚拟机器人探究的核心。除此之外，学生还会产生一系列的问题，通过深度融合前一阶段的知识和问题，经历“聚焦问题—寻求方案—实施方案”三个过程，学生发现问题、解决问题的能力得到充分锻炼。

学生通过讨论，最终将所有问题聚焦如下：（1）什么样的结构更适合机器人完成任务？（2）如何通过AI视觉模块控制机器人不脱离道路？（3）如何控制机器人快速转过路口？（4）如何让机器人穿过隧道、绕过石头、识别大灰狼、蟒蛇等？（5）怎样才能寻找到最优的解决方案？学生在解决问题的过程中不断提升数学、工程、技术能力等，自主探究、合作学习、交流互动自然而然就展开了。

4.成果共享延伸

成果共享环节是为学生展示成果搭建支架，帮助学生交流创作思路，汇报学习成果。还是以“机器人走迷宫”这节课为例，学生在学习过程中设计了很多方案，有的通过超声波传感器检测判断前方与墙壁的相应距离后转弯、有的用触碰传感器碰墙后后退转弯……学生的每一种方案都值得肯定和鼓励，教师只有关注学生在学习过程中的算法，才能更好地关注计算思维的培养。通过在分享、交流、互动中学习别人方案中的长处，不断地改进自己的方案，并在“发现—优化”的过程中寻求完成虚拟机器人任务的“最优方案”，学生在不知不觉中提高了分析问题、解决问题的能力。

四、结语

以虚拟机器人为核心的机器人教学解决了中小学机器人教育器材短缺的问题，在学习内容上融合了技术、科学、物理等各学科知识，符合《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》倡导的“跨学科学习”，以项目化学习的方式培养学生的批判性思维，以信息化的方式去解决问题，从而培养学生的信息科技核心素养，为国家培养数字人才。