3D仿真虛擬機(jī)器人專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站的開(kāi)發(fā)與實(shí)踐

黃永樂(lè)

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步以及我國(guó)教育信息化的發(fā)展，機(jī)器人教育正被人們所關(guān)注，在學(xué)校中開(kāi)展機(jī)器人教育有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。目前，由國(guó)家到地方各級(jí)教育部門(mén)組織的各類機(jī)器人比賽，使對(duì)機(jī)器人的學(xué)習(xí)和研究更加火熱，一些地方和學(xué)校開(kāi)始將機(jī)器人知識(shí)引入課堂，但由于實(shí)體機(jī)器人價(jià)格高昂，每個(gè)少則幾千元多則數(shù)萬(wàn)元，而且每年還必須投入部件損耗、硬件升級(jí)等后續(xù)維護(hù)費(fèi)用，不是所有學(xué)校都能承擔(dān)得起的，導(dǎo)致機(jī)器人教育難以普及。

自廣州市所有中小學(xué)校免費(fèi)使用易時(shí)代3D仿真虛擬機(jī)器人軟件后，機(jī)器人教育呈現(xiàn)良性發(fā)展態(tài)勢(shì)，偏遠(yuǎn)農(nóng)村的中小學(xué)尤其受惠。3D仿真虛擬機(jī)器人軟件并不像實(shí)體機(jī)器人那樣需要投入大量資金，可以大大縮小城鄉(xiāng)機(jī)器人教育投入之間的差距。廣州市教育局每年主辦中小學(xué)機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)，其中3D仿真虛擬機(jī)器人比賽主題每年不同，比賽軟件也會(huì)根據(jù)主題發(fā)生變化，從目前一線實(shí)踐情況來(lái)看，還缺乏支持教師開(kāi)展虛擬機(jī)器人教育的較系統(tǒng)的教材或資源，針對(duì)這些狀況，筆者開(kāi)發(fā)了3D仿真虛擬機(jī)器人專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站供師生培訓(xùn)和學(xué)習(xí)使用。

一、3D仿真虛擬機(jī)器人專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站設(shè)計(jì)意圖

3D仿真虛擬機(jī)器人軟件不需要像實(shí)體機(jī)器人那樣需另外購(gòu)置其他零配件，它是免費(fèi)提供給所有中小學(xué)，既可節(jié)省教學(xué)成本，又能讓更多學(xué)生認(rèn)識(shí)和了解機(jī)器人的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，后續(xù)軟件使用培訓(xùn)是關(guān)鍵，也是推廣普及機(jī)器人教育的重要途徑。筆者所開(kāi)發(fā)的3D仿真虛擬機(jī)器人專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站主要圍繞3D仿真虛擬機(jī)器人軟件，從多角度入手，進(jìn)行多方面知識(shí)的有機(jī)整合，形成專題知識(shí)庫(kù)。學(xué)生可以自主探究，深入研究機(jī)器人知識(shí)，同時(shí)也能鍛煉自己的邏輯思維和編程能力，大大減輕教師培訓(xùn)的時(shí)間。網(wǎng)站開(kāi)發(fā)的目的是，通過(guò)主題探究網(wǎng)站的建立起到拋磚引玉的先行作用，進(jìn)一步促進(jìn)機(jī)器人教育的普及和推廣，同時(shí)讓學(xué)生在參與機(jī)器人比賽的過(guò)程中學(xué)會(huì)用信息化的手段提高個(gè)人能力。

二、3D仿真虛擬機(jī)器人專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，筆者已初步建成“3D仿真虛擬機(jī)器人專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站”，確立了專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站的學(xué)習(xí)資源及結(jié)構(gòu)模塊等，網(wǎng)站結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 3D仿真虛擬機(jī)器人專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站結(jié)構(gòu)圖

專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站主要分為七大板塊，部分板塊下還有分支板塊，分別如下：(1)“首頁(yè)”是以主題畫(huà)形式呈現(xiàn)的封面設(shè)計(jì)，以“智能校車(chē)”四個(gè)大字突出主角機(jī)器人智能校車(chē)。(2)“比賽簡(jiǎn)介”介紹了歷屆舉辦的不同主題的比賽及其規(guī)則。(3)“軟件操作介紹”部分主要以基礎(chǔ)知識(shí)為主，著重介紹了軟件的構(gòu)成以及各種傳感器的作用等。(4)“機(jī)器人巡線”“機(jī)器人繞障”主要介紹了機(jī)器人如何利用傳感器巡線和繞障。(5)“機(jī)器人接人”是針對(duì)2012年3D仿真虛擬機(jī)器人主題智能校車(chē)接送學(xué)生設(shè)計(jì)的，主要從任務(wù)分析、編程視頻等進(jìn)行分析。(6)“綜合策略”主要是讓學(xué)生在學(xué)習(xí)完各個(gè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)后思考如何將各部分組合成一個(gè)完整的智能繞障接人程序。

上述各部分均是基礎(chǔ)性知識(shí)，例如各傳感器的使用，每屆機(jī)器人比賽時(shí)變化不大。變化最大的是機(jī)器人接人和綜合策略部分，因?yàn)樘摂M機(jī)器人比賽每年的主題不同，如2009年的主題是機(jī)器人滅火，2010年的主題是傳遞火炬，2012年的主題是智能校車(chē)接送學(xué)生，綜合策略部分要根據(jù)不同的主題有所調(diào)整。

三、3D仿真虛擬機(jī)器人專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站特點(diǎn)

1.界面設(shè)計(jì)精美，構(gòu)圖布局清晰合理

界面設(shè)計(jì)在專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站的開(kāi)發(fā)中是非常重要的，3D仿真虛擬機(jī)器人專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站在設(shè)計(jì)時(shí)首先突出“智能校車(chē)”四個(gè)藝術(shù)字，旁邊是一輛智能校車(chē)機(jī)器人，精美的界面第一時(shí)間吸引學(xué)生的眼球，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；同時(shí)在視覺(jué)注意度較高的位置放置導(dǎo)航信息，清晰的導(dǎo)航，合理的布局，使學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容一目了然。在色彩搭配上，主要以學(xué)生喜歡的草綠色和淺藍(lán)色為基調(diào)并貫穿始終，整個(gè)網(wǎng)站的導(dǎo)航按鈕運(yùn)用了一系列綠色和藍(lán)色，充分表現(xiàn)出網(wǎng)站的簡(jiǎn)約清晰和嚴(yán)謹(jǐn)合理，使畫(huà)面與主題相得益彰。圖2為3D仿真虛擬機(jī)器人專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站中的一個(gè)頁(yè)面。

圖2 3D仿真虛擬機(jī)器人專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站中的一個(gè)頁(yè)面

2.集知識(shí)性、趣味性于一體

網(wǎng)站在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮學(xué)生的年齡特點(diǎn)，盡量多用圖片、視頻吸引學(xué)生的注意，一些基礎(chǔ)性的知識(shí)，例如傳感器的認(rèn)識(shí)，主要采用了圖文并茂的設(shè)計(jì)方式讓學(xué)生自己去了解，對(duì)于一些難以理解的知識(shí)，如程序設(shè)計(jì)，可以通過(guò)觀看網(wǎng)站上的視頻仿真初步認(rèn)識(shí)程序設(shè)計(jì)效果，對(duì)于機(jī)器人軟件如何使用，網(wǎng)站上也通過(guò)生動(dòng)有趣的視頻講解分類、分章節(jié)地讓學(xué)生去觀察學(xué)習(xí)。

3.資源豐富，方便學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)

3D仿真虛擬機(jī)器人比賽旨在讓學(xué)生在參與比賽過(guò)程中學(xué)會(huì)自己設(shè)計(jì)研究，學(xué)會(huì)用信息化的手段提高個(gè)人的能力。因此，網(wǎng)站在設(shè)計(jì)之初就考慮到要提供豐富的學(xué)習(xí)資源給學(xué)生探究學(xué)習(xí)，所有的內(nèi)容都以學(xué)生為主線展開(kāi)。例如，網(wǎng)站建立了規(guī)范的樹(shù)型結(jié)構(gòu)，欄目包括比賽簡(jiǎn)介、軟件操作介紹等，這一系列的設(shè)計(jì)集中反映了學(xué)生探究活動(dòng)的全過(guò)程，部分學(xué)生可以自主探究學(xué)習(xí)，遇到難以理解的問(wèn)題時(shí)可以通過(guò)網(wǎng)站上的視頻講解進(jìn)行突破。

四、3D仿真虛擬機(jī)器人專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站的初步應(yīng)用

廣州市的3D仿真虛擬機(jī)器人比賽賽前培訓(xùn)是一年一次，從培訓(xùn)到比賽之間的時(shí)間間隔非常短，因此，在有限的時(shí)間內(nèi)如果學(xué)生能通過(guò)自主探究弄懂虛擬機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)，教師就可以花更多的時(shí)間輔導(dǎo)學(xué)生制定策略、解決疑難，究竟有什么辦法可以實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)呢？經(jīng)過(guò)嘗試，筆者發(fā)現(xiàn)建設(shè)3D仿真虛擬機(jī)器人專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站輔導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)可以初步幫助我們解決以上難題。具體實(shí)施流程如下：

1.圍繞活動(dòng)，創(chuàng)設(shè)情境

充分利用3D虛擬機(jī)器人專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站展示歷屆虛擬機(jī)器人比賽主題，利用有特色的圖片、視頻等使學(xué)生明確學(xué)習(xí)任務(wù)，并在形象、生動(dòng)的情境中培養(yǎng)興趣。

2.分解過(guò)程，細(xì)化任務(wù)

一個(gè)完整的機(jī)器人程序包含若干知識(shí)點(diǎn)，以智能校車(chē)主題為例，需要完成機(jī)器人巡線、繞障、接人等若干任務(wù)，學(xué)生初始接觸時(shí)會(huì)感覺(jué)程序比較復(fù)雜，產(chǎn)生畏難情緒。通過(guò)專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站，將編程過(guò)程分解，細(xì)化任務(wù)，再根據(jù)學(xué)生的個(gè)體差異引導(dǎo)他們學(xué)習(xí)，能有效增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)信心。

3.啟發(fā)引導(dǎo)，分析任務(wù)

教師按照分解后的任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析，提出指導(dǎo)性意見(jiàn)，引導(dǎo)學(xué)生自主探究，學(xué)生通過(guò)專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站提供的學(xué)習(xí)資源，根據(jù)自身學(xué)習(xí)水平選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，分析任務(wù)，完成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

4.知識(shí)歸納，咨詢輔導(dǎo)

學(xué)生通過(guò)瀏覽專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站提供的學(xué)習(xí)資源和視頻，結(jié)合教師的分析歸納，進(jìn)一步掌握整個(gè)編程過(guò)程，教師也要及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程，從中指導(dǎo)，為學(xué)生提供幫助，解決學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的問(wèn)題。

五、3D仿真虛擬機(jī)器人專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站實(shí)踐成效及反思

通過(guò)筆者建設(shè)的3D仿真虛擬機(jī)器人專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站，學(xué)生可以根據(jù)各自的興趣愛(ài)好、閱讀方式，選擇不同主題的機(jī)器人知識(shí)進(jìn)行獨(dú)立自主的學(xué)習(xí)研究，對(duì)教師的依賴性降低了，主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)也有所增強(qiáng)。專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站的出現(xiàn)使學(xué)生的信息搜集變得方便、高效，網(wǎng)上交流學(xué)習(xí)變得簡(jiǎn)單快捷，網(wǎng)站的出現(xiàn)改變了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式和方法，從教師的知識(shí)傳授向?qū)W生的自主、創(chuàng)造性學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，從而提高了學(xué)生提取信息、處理實(shí)際問(wèn)題的能力，提升了學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)能力和水平，鍛煉了學(xué)生的邏輯思維和編程能力。為了更好地了解利用專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站學(xué)習(xí)的效果，筆者利用自己編寫(xiě)的學(xué)習(xí)效果調(diào)查表對(duì)本次參賽的學(xué)生進(jìn)行了調(diào)查(見(jiàn)表1)。

表1 學(xué)習(xí)效果調(diào)查表

調(diào)查結(jié)果如圖3～5圖所示。

圖3

圖4

圖5

圖3是針對(duì)學(xué)生使用專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站學(xué)習(xí)前和學(xué)習(xí)后的學(xué)習(xí)情況設(shè)計(jì)的，30%的學(xué)生在使用專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站前遇到問(wèn)題找同學(xué)或教師請(qǐng)教，40%的學(xué)生直接放棄；50%的學(xué)生在使用完專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站后認(rèn)為采用此種方式學(xué)習(xí)以后遇到問(wèn)題自己也可以獨(dú)立解決。圖4和圖5是針對(duì)使用專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站的學(xué)習(xí)效果設(shè)計(jì)的，80%的學(xué)生認(rèn)為使用專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站的學(xué)習(xí)效果很好，非常適合他們，其中80%的學(xué)生非常喜歡運(yùn)用專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站學(xué)習(xí)，他們覺(jué)得這種學(xué)習(xí)方式新穎特別，每個(gè)人可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)水平選擇適合自己的內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，遇到不懂的知識(shí)自己也可以查閱網(wǎng)站內(nèi)容解決。

雖然本專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站開(kāi)放性強(qiáng)，資源豐富，學(xué)生操作方便，但由于筆者自身的理論水平及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)尚淺，網(wǎng)站還有許多地方需要在實(shí)踐中不斷完善和改進(jìn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)方法也需要教師作適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，基于專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站的學(xué)習(xí)模式也需要進(jìn)一步研究。筆者相信，利用專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站進(jìn)行虛擬機(jī)器人學(xué)習(xí)培訓(xùn)，對(duì)于機(jī)器人教育的推廣是非常有幫助的，同時(shí)也希望廣大熱愛(ài)機(jī)器人的愛(ài)好者能投入到研究中來(lái)，為機(jī)器人教育的推廣出一份力。

[1] 張嘉志,王同聚.讓機(jī)器人走近學(xué)生—3D仿真虛擬機(jī)器人:普及機(jī)器人教育的新途徑[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育,2010(6):95-96.

[2] 劉良德.《太陽(yáng)能》專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站的建設(shè)和應(yīng)用初探[EB/OL].http://www.docin.com/p-406497491.html.