浅谈虚拟机器人的课堂教学

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浅谈3D仿真虚拟机器人的课堂教学

随着现代计算机技术的进步以及我国教育信息化的发展，机器人教育被越来越多的人所关注，在学校中开展机器人教育有助于培养学生的各种能力。一些地方和学校开始将机器人教育引入课堂，但是实体机器人价格高昂，每年还必须投入部件损耗、硬件升级等后续维护费用，使得机器人教育的发展受到了限制。使用3D仿真虚拟机器人软件开展教学，能够避免实体机器人的高额花费问题，同时可以使学生更清楚地感受机器人是怎样在程序的控制下活动的，能够突出算法程序设计在教学中的中心地位。而且图形化的编程界面可以让学生直观地了解程序设计的方法，使“算法”和“程序”变得直观而形象，从而提高学习计算机程序设计的兴趣，同时降低学习难度。
笔者参与了“网络机器人算法教程”的编写和实施，采用班级授课的形式展开3D仿真虚拟机器人课堂教学的实践与研究。在实践中发现，3D仿真虚拟机器人的教学在具体的课堂教学中有其独特之处。笔者结合“网络机器人算法教程”的实际教学，进行简单的阐述。
一、任务设置， 强调趣味性
      传统的程序教学经常生成一些问题供学生探究，学生往往是“要我做”，学习过程中缺乏主动性和创造性。合理的设计任务情景，任务情境要以激发学生的兴趣为基点，在开始的教学环节能有效激发学生的学习兴趣，引起探索知识的欲望，有利于学生有效完成任务。
在讲第七节《构建赛车》的时候，以学生非常感兴趣的动画电影《赛车总动员》作为引入，进而让学生认识到原来的车辆已经无法满足高速运转的需要，如何增强车辆高速运行下的稳定性？如何在赛道上得到更多的加分？引导学生构建属于自己的“闪电麦昆”。此时学生的学习兴趣被点燃，求知欲空前高涨，迫不及待想要完成任务。
二、知识理解， 强调科学性
    仿真机器人教学可以帮助学生通过编制程序控制机器人在虚拟环境的运动来学习科学的思维方式。但在教授仿真软件时，教学任务常常脱离现实生活，导致机器人运动过于理想化。学生与这种远离现实的仿真机器人频繁接触，容易忽视真实环境中的因素，学生感受不到大自然的奥妙，忽视科学解决问题的重要性。  
    在讲第二节《直角转向》的时候，任务要求直达得分物且不能撞到护栏。此时要用到距离传感器检测前方的护栏，当距离＞300时，进入转向程序。此时引导学生思考这个距离为什么是300，强调惯性在汽车行进中的作用。引导学生认识到惯性是我们日常生活中不可避免的，我们使自己变得强大，让自然科学为我们服务。
三、学生为本， 强调操作性
有些比赛任务非常新颖，对学生有很大的吸引力，课堂教学任务却有很大难度，为了让这些任务更具操作性，可以将任务分解成一个个分任务，在完成各个分任务的同时加深理解，最后进行综合程序的组合，完成整体学习目标。
我们的“网络机器人算法教程”其实就是针对IrobotQ3d仿真机器人中的“汽车总动员”这一比赛任务开发的。总共有10节课的内容。每节课都是任务的一个分解，总体上是由简入难步步推进的方式。
第一课：自动导航   构思：算法入门  初步认识走中线算法
第二课：直角转向   构思：直角处放一个得分物，需要拿到得分物，再转向。
第三课：快速弯道   构思：通过左右两个距离传感器来判断机器人的左右转向。在两秒之内经过弯道抵达终点。
第四课：紧急停车   构思：在行进过程中遇到救护车驶入，自主避让。
第五课：飞车路段   构思：飞车路段设置得分物，看谁能拿到。
第六课：电量补充   构思：机器人的电量补充，进入“加油站”。
第七课：构建赛车   构思：了解机器人构建原理，构建自己的赛车。
第八课：变量控制   构思：动态左转、动态右转、直行。走中线算法的变量表达。
第九课：中线控制1  
第十课：中线控制2  构思：灵活设定中线的意义。引入“偏值”和“灵敏度”。
经过10节课的学习，“汽车总动员”比赛任务迎刃而解。
四、结合现实， 强调生活性
信息技术课程标准明确提出要结合学生的学习和生活实际设计问题，让学生在活动过程中掌握应用信息技术解决问题的思想和方法。与现实生活距离太远的知识对学生是没有吸引力的，课堂教学的任务设置要有一定的现实生活作为支撑才会强大。
在讲第四节《紧急停车》的时候，启发学生在开车的时候最怕的是什么？学生都有坐车的经验，马上会反应：害怕前方突然出现车辆，不宜避让。让学生体验闭着眼行走，学生进一步体会传感器就是机器人的眼睛。在前几节课机器人基础上再添加一个距离传感器，当此传感器检测到救护车时，紧急停车让行。
  
在讲第六节《电量补充》的时候时候，提示学生汽车在行驶过程中如果发现油不够了，会怎样？学生会马上想到找加油站。那么机器人怎样找加油站呢？当电量低于一定的时侯，检测附近加油站的位置，完成加油站的定位、进站、充电、出站，然后继续前行。
结合现实，强调生活性，让学生了解知识是源于生活并服务于生活的。
五、体验成功， 强调层次性
一个班级的的学生是存在差异的，正视学生的差异。课堂任务“一视同仁”容易导致水平高的学生无事可做，水平低的学生做不出来，为此在任务设计时要考虑学生能力的差异性。这样，学生在完成自己有能力完成的任务时，往往会专心致志，乐此不疲，成功的喜悦，能够激发他们探索的激情和信心，使学习进入到另一个高度。  
在讲第四节《紧急停车》时，基础任务是停车让行，让学生思考当遇到救护车时除了可以停车让行，还可以怎样？启发完成基础任务的同学探索深层任务：跟车完成任务。在每一课学生完成任务后都启发学生怎样可以得到更多的分数，完成基础任务的学生自主探究，搭建安装块，修改电机速度向着更高的方向迈进。
这样一来水平较低的同学也能体验到成功的喜悦，水平较高的同学也拥有挑战自我，努力探索的喜悦。



参考文献：1、简子洋《3d仿真虚拟机器人课堂教学策略研究》
          2、熊国全《仿真机器人课堂教学的实践与探索》