3D仿真虛擬機(jī)器人課堂教學(xué)策略研究

簡子洋

隨著機(jī)器人教育價(jià)值的逐步提升，國內(nèi)外許多專家學(xué)者呼吁，除開展競賽外，還應(yīng)該在課堂教學(xué)中以課程形式開展機(jī)器人教育。但是由于實(shí)體機(jī)器人價(jià)格昂貴，不利于機(jī)器人教育的普及，因此近年來各地開始出現(xiàn)虛擬機(jī)器人軟件。隨著技術(shù)進(jìn)步，高度仿真的3D仿真虛擬機(jī)器人軟件也開始出現(xiàn)。

使用3D仿真虛擬機(jī)器人軟件開展教學(xué)，能夠避免實(shí)體機(jī)器人的硬件故障等問題，可以使學(xué)生更清楚地感受機(jī)器人是怎樣在程序的控制下活動(dòng)的，能夠突出程序設(shè)計(jì)在教學(xué)中的中心地位，更有利于學(xué)生理解和體會(huì)“程序是機(jī)器人的靈魂”的思想。通過圖形化的編程界面可以讓學(xué)生直觀地了解結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，使“算法”和“程序”變得直觀而形象，從而提高學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的興趣，同時(shí)降低學(xué)習(xí)難度。在為機(jī)器人編寫和調(diào)試程序完成教學(xué)任務(wù)的過程中，學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐、創(chuàng)新思維、科學(xué)探究和解決問題等方面的能力將得到大幅度提升。

筆者參與了2012年廣州市舉行的3D仿真虛擬機(jī)器人“智能校車”競賽項(xiàng)目，開發(fā)了相應(yīng)的校本課程，采用班級(jí)授課的形式開展該項(xiàng)目教學(xué)培訓(xùn)，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)和項(xiàng)目導(dǎo)向?yàn)橹饕虒W(xué)方法。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，3D仿真虛擬機(jī)器人的教學(xué)由于涉及仿真虛擬現(xiàn)實(shí)，不僅算法和程序結(jié)構(gòu)的內(nèi)容和以往的純編程教學(xué)有所不同，而且在教學(xué)策略的選取上也有獨(dú)特之處，需要教師仔細(xì)斟酌取舍。筆者以2012年廣州市“智能校車”項(xiàng)目為例對(duì)開展3D仿真虛擬機(jī)器人課堂教學(xué)的基本策略進(jìn)行闡述。

一、任務(wù)設(shè)計(jì)，先分后合

3D仿真虛擬機(jī)器人與單純的程序教學(xué)相比，任務(wù)具有更強(qiáng)的綜合性，涉及的知識(shí)點(diǎn)比較多，需要充分考慮學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律、知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，注意分析教學(xué)目標(biāo)，采取整體規(guī)劃、分步組合及循序漸進(jìn)的策略。在廣州市“智能校車”項(xiàng)目中，校車的初步運(yùn)動(dòng)要求巡線轉(zhuǎn)彎，過程是校車沿著導(dǎo)航線移動(dòng)，在移動(dòng)過程中如果走偏能夠自動(dòng)校正方向，遇到路口時(shí)能夠轉(zhuǎn)彎。由于涉及仿真虛擬現(xiàn)實(shí)，該程序不僅結(jié)構(gòu)上涉及循環(huán)結(jié)構(gòu)和選擇結(jié)構(gòu)，還涉及傳感器的使用和模型對(duì)應(yīng)變量參數(shù)的設(shè)置等，在教學(xué)中不可能一蹴而就，要求學(xué)生一次性完整地理解和學(xué)習(xí)程序編寫。面對(duì)這類綜合性任務(wù)，需要將整體任務(wù)分解成一個(gè)個(gè)分任務(wù)，在完成各個(gè)分任務(wù)的同時(shí)加深理解，最后進(jìn)行綜合程序的組合，完成整體學(xué)習(xí)目標(biāo)。

在巡線轉(zhuǎn)彎的教學(xué)中，筆者的任務(wù)設(shè)計(jì)按以下方式進(jìn)行。任務(wù)一：移動(dòng)控制。在學(xué)生學(xué)會(huì)操作軟件、組裝模型后，可以馬上學(xué)習(xí)控制校車移動(dòng)。從中學(xué)習(xí)程序的編寫方法、動(dòng)作模塊和變量的設(shè)置等知識(shí)，通過修改速度和時(shí)間的變量參數(shù)從演示效果中理解程序和變量與控制校車的關(guān)系。任務(wù)二：轉(zhuǎn)彎控制。該任務(wù)要求在校車移動(dòng)一段距離后，轉(zhuǎn)一個(gè)90度的彎，前進(jìn)一段路程后，重復(fù)轉(zhuǎn)彎，直到回到原位置。從中學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向模塊、延時(shí)模塊和循環(huán)結(jié)構(gòu)的知識(shí)，通過修改轉(zhuǎn)向和延時(shí)的變量參數(shù)，獲得轉(zhuǎn)彎的準(zhǔn)確控制。任務(wù)三：簡單巡線。該任務(wù)要求校車沿著導(dǎo)航線移動(dòng)，在移動(dòng)過程中如果走偏，能夠自動(dòng)校正方向。從中學(xué)習(xí)分支結(jié)構(gòu)、傳感器的使用等知識(shí)，通過修改分支情況，理解分支結(jié)構(gòu)與校車運(yùn)行的直接關(guān)系。任務(wù)四：巡線轉(zhuǎn)彎。該任務(wù)要求校車在巡線過程中如果檢測到十字路口則執(zhí)行轉(zhuǎn)彎程序，轉(zhuǎn)一個(gè)90度的彎。從中學(xué)習(xí)多種任務(wù)在程序結(jié)構(gòu)中的組合和分析，提高結(jié)構(gòu)化思維能力。

二、問題生成，以生為本

程序教學(xué)經(jīng)常生成一些問題供學(xué)生探究，但是如果問題能從學(xué)生中生成才會(huì)更具有探究的現(xiàn)實(shí)意義，更能激發(fā)學(xué)生探究的熱情和求知欲望。由于3D仿真虛擬機(jī)器人軟件引入了物理引擎的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)彎時(shí)的速度、角度對(duì)軌跡的影響都與現(xiàn)實(shí)中的行車軌跡相同。在學(xué)生練習(xí)巡線轉(zhuǎn)彎的過程中，轉(zhuǎn)彎的軌跡出現(xiàn)了如圖1所示的3種典型情況。

圖1 轉(zhuǎn)彎的3種軌跡

在軌跡①和軌跡③中，校車已無法回到導(dǎo)航線上巡線，甚至?xí)蚕蛘系K物，而做出軌跡②的學(xué)生也不明所以然。面對(duì)學(xué)生在課堂中生成的問題，如果教師不予理會(huì)，輕則影響學(xué)生完成任務(wù)，妨礙對(duì)程序的正確理解，重則嚴(yán)重挫傷學(xué)習(xí)積極性，所以教師需要抓住問題生成的機(jī)遇，及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究，解決他們的困惑。

筆者收集了出現(xiàn)這3種典型軌跡的學(xué)生設(shè)計(jì)的程序，提出了程序研究的方法和目標(biāo)，交由學(xué)生自己研究，引發(fā)了學(xué)生極大的熱情。經(jīng)過學(xué)生的討論和測試，最后得出結(jié)論：轉(zhuǎn)彎時(shí)的角度和實(shí)際速度對(duì)軌跡有重要影響，在轉(zhuǎn)固定角度時(shí)，校車的實(shí)際速度產(chǎn)生決定性影響。軌跡①是由于前一個(gè)路口減速時(shí)間太長，導(dǎo)致下一個(gè)路口實(shí)際速度不足，軌跡③是由于前一個(gè)路口時(shí)直行，導(dǎo)致下一個(gè)路口實(shí)際速度過快。解決辦法，一是調(diào)整前一個(gè)路口的速度，二是對(duì)轉(zhuǎn)彎后的程序多加一個(gè)轉(zhuǎn)向模塊。

三、情境創(chuàng)設(shè)，生動(dòng)有趣

學(xué)生確實(shí)對(duì)3D仿真機(jī)器人充滿好奇心，對(duì)學(xué)習(xí)抱有很高的熱情。但是，如果在教學(xué)中不考慮教學(xué)情境，只考慮知識(shí)任務(wù)，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣將是一個(gè)極大的傷害。筆者在教學(xué)3D仿真機(jī)器人避障內(nèi)容時(shí)，在仿真地圖導(dǎo)航線中間添加了一個(gè)障礙物，然后運(yùn)行學(xué)生編寫的巡線程序，當(dāng)校車運(yùn)行到障礙物時(shí)，直接撞了過去，當(dāng)屏幕顯示“撞了，扣20分！”時(shí)，引發(fā)了哄堂大笑。筆者順勢拋出問題：遇到障礙物時(shí)該怎么辦？

由于學(xué)生對(duì)剛才的情境充滿興趣，所以研究熱情非常高，通過筆者提供的學(xué)案，短短幾分鐘就學(xué)會(huì)了超聲波感應(yīng)器的使用方法，掌握了避障策略，進(jìn)入了優(yōu)化程序階段。在小結(jié)時(shí)，除了掌握的避障策略和實(shí)現(xiàn)方法，學(xué)生還提出遇到障礙物提前繞開的思想，贏得了其他同學(xué)的熱烈掌聲。

四、過程評(píng)價(jià)，及時(shí)鼓勵(lì)

在3D仿真虛擬機(jī)器人教學(xué)中，大部分任務(wù)都具有很強(qiáng)的目標(biāo)導(dǎo)向性，學(xué)生完成任務(wù)的情況，只看運(yùn)行結(jié)果就能一目了然，以致學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)通常采用終結(jié)性評(píng)價(jià)。學(xué)生之間存在差異，不是所有學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)都能完成指定的任務(wù)，而終結(jié)性評(píng)價(jià)容易降低基礎(chǔ)較差學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也影響了任務(wù)情境所激發(fā)出來的學(xué)習(xí)熱情的持續(xù)效果。因此，在3D仿真虛擬機(jī)器人的教學(xué)中，學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)要在完成任務(wù)的過程中及時(shí)進(jìn)行，不能等學(xué)生完成所有任務(wù)后才進(jìn)行評(píng)價(jià)。

筆者在教學(xué)路線選擇策略時(shí)，在學(xué)案中提供了常規(guī)的“人字形”倒車法范例。但是在學(xué)生的實(shí)際練習(xí)中，卻意外地出現(xiàn)了“7字形”和“直線型”倒車法(如圖2所示)。

圖2 3種倒車軌跡

筆者發(fā)現(xiàn)了新方法后，立刻對(duì)這幾名學(xué)生進(jìn)行了肯定和表揚(yáng)，并請(qǐng)他們演示和講解實(shí)現(xiàn)方法，使他們贏得了同學(xué)的贊嘆。這幾名學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)中，更加自信也更加努力地研究程序，回到家后不用監(jiān)督也能自覺地練習(xí)，因此在學(xué)生中很快脫穎而出，最后代表學(xué)校參加白云區(qū)和廣州市的競賽，均獲得了名次?？梢?，在教學(xué)中注重過程性評(píng)價(jià)，及時(shí)鼓勵(lì)創(chuàng)新，肯定學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，會(huì)對(duì)學(xué)生帶來極大的鼓舞，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

3D仿真虛擬機(jī)器人教學(xué)，不同于純程序教學(xué)和應(yīng)用軟件教學(xué)，既具有明顯的程序特征又有典型的應(yīng)用特點(diǎn)。教師要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)確定有效的教學(xué)策略，還需要更多地研究3D仿真虛擬機(jī)器人的教學(xué)內(nèi)容，深入研究學(xué)生的身心發(fā)展特點(diǎn)，因材施教，努力做到讓所有學(xué)生都能學(xué)得快樂、學(xué)有所得，讓學(xué)生通過3D仿真虛擬機(jī)器人的學(xué)習(xí)，能夠在創(chuàng)新思維、動(dòng)手實(shí)踐和解決問題的能力上得到真正的發(fā)展與提升，為今后的學(xué)習(xí)、工作、生活打下良好的基礎(chǔ)。

[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] 董健.虛擬機(jī)器人軟件在中小學(xué)機(jī)器人教育中的應(yīng)用研究[J].中國信息技術(shù)教育,2011(13):114-115.

[3] 范利華.借助機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)培養(yǎng)小學(xué)生編程能力[J].浙江教育技術(shù),2011(5).

[4] 熊國全.仿真機(jī)器人課堂教學(xué)的實(shí)踐與探索[J].中國信息技術(shù)教育,2008(10):39-40.