论文部分内容阅读
摘要从学校开展机器人活动的实践出发，提出针对教学的各个阶段，将虚拟机器人和实体机器人两种教学平台相结合，通过发挥各自的优势来解决教学中的重难点问题的教学策略，并通过实例叙述如何在教学中使用此策略以提高教学效率。
关键词信息技术；智能机器人技术；机器人教学
智能机器人技术代表了信息技术的发展前沿，综合了多学科的发展成果，集计算机技术、通信技术、传感技术、机械技术等于一体，涉及信息技术的大部分内容，是开展教学的良好载体和教学内容。智能机器人作为一种全新的和开放的信息技术综合教育平台，可以让学生更全面、深入地接触信息技术，充分发挥想象力去设计、实现自己的创意，提升信息素养。 所以，近年来，很多中小学校越来越看重机器人教育，纷纷将其引入课堂教学。
1 宁波市第七中学开展机器人 教学活动概况
基于以上原因，宁波市第七中学在2007年正式开展机器人教学活动，最初是以社团活动的形式开展的，然后作为校本课程在初一年级全面展开。机器人教学的总体目标主要是了解机器人的概念、硬件结构、功能及应用状况等知识，培养学生对人工智能技术的兴趣；能进行机器人程序设计与编写，能拼装多种具有实用功能的机器人。通过教学、比赛，从而达到培养学生的逻辑思维能力、分析问题和解决问题的能力、综合实践能力、创新能力、团队合作能力和求真务实的精神等目的。
2 虚实结合的机器人教学策略
为了能有效提高机器人教学的质量和效率，笔者做了一些探索，在教学过程中采取虚实结合的策略方法。“虚实”其实指的是两种完全不同形式的机器人。所谓“虚”，指的是看得见摸不着的“虚拟机器人”，是一种可以在计算机仿真环境中运行的2D或3D仿真机器人，也可称其为软件机器人。而“实”指的是在现实生活中看得见摸得着的实体机器人。虚实结合的具体含义就是在教学中，充分利用两类机器人各自的特点，取长补短，开展教学活动。
整个教学过程总体上分为两个阶段，第一个阶段主要以实体机器人作为教学平台，第二阶段则以虚拟机器人为主，有时也会根据教学需要将两种形式的机器人教学相互穿插，互为补充。宁波市第七中学在教学中所使用的实体和虚拟机器人为杭州纳英特公司生产的教学型机器人和3D仿真虚拟机器人，下面就以这两种机器人为例，谈谈如何在教学中实施此策略。
3 虚实结合教学策略的实施及 考虑因素
3.1 通过实体机器人让学生获得感性认识，顺利开展教学
可能对于大多数学生来说，对于机器人的认识都来自电影电视，在他们的思维中那些有胳膊有腿的人形机器人才是真正的机器人，他们都很有兴趣接触机器人，不过对于什么是机器人并没有本质上的认识。因此在教学的最初阶段，最理想的状况就是有活生生的机器人“站”在学生的面前，让机器人和学生能面对面地“交流”。这时候就该实体机器人登台表演了。
首先向学生展示搭建好的各种形态的教学机器人实物，让学生仔细观察机器人的结构和组成，尤其是机器人身上安装的各种大大小小的传感器，并把机器人的各个部分和人的各个部分做一个类比，这样学生记忆中的机器人就变得非常鲜活。然后让学生观看各种教学机器人的表演，如走轨迹、机器人踢足球等活动，并让学生自己动手去操纵，最后观看现实生活中各种行业机器人活动的视频。通过实体机器人这一系列的表演活动，使学生对什么是机器人有一个非常直观和感性的认识，消除对机器人的神秘感。学生知道只要符合机器人定义的，不管什么形状，都叫机器人，同时也能较为全面地了解机器人在社会各领域中的应用，感受到机器人离自己其实并不远，就在生活中，甚至就在课堂里，从而顺利地进入下一阶段的学习。
3.2 以实体机器人为主，培养学生的动手实践能力和创新精神
在初中开展机器人教学的一个重要目标就是培养学生的动手能力、想象能力、解决现实生活问题的能力。虽然在虚拟机器人平台中也可以根据具体的任务来完成机器人搭建、场地搭建、程序设计与调试等一系列活动，从而达到培养学生动手能力、观察能力、程序设计能力、解决问题能力等目标，但就培养动手实践能力和创新精神、全局观等方面来讲，实体机器人平台比虚拟机器人平台更能够胜任。
1）实体机器人能更有效地完成现实生活中的任务。在现有的虚拟机器人平台中，机器人结构件和传感器的种类很少，结构件和传感器组装模式单一，机器人只能在二维平面内运动，能模拟的环境也非常简单。因此，对于现实生活中稍微复杂一点的任务，虚拟机器人平台是无法来模拟环境并完成任务的，更不用说去实践那些创新项目了。而实体机器人却没有上述问题的困扰。
2）实体机器人更能培养动手能力。在虚拟平台中，搭建机器人很容易，像玩游戏，只要用鼠标点击被安装部件和机器人主体上相对应的螺丝孔，这个部件就会自动被放置到机器人的身上，这种搭建方式对使用者来说虽然很方便，节省很多时间，但对于培养学生的动手能力却起不到什么作用。因为在搭建实体机器人的时候，即使是拧一枚螺丝这么小的事，可能都要考虑一下是用长一点的螺丝好，还是选择短一点的。更何况在搭建一些复杂结构的机器人的时候，要组装大大小小的结构件、形状功能各异的传感器，连接各种粗细长短的导线，要考虑的因素就更多，不仅需要知识，还需要经验、技巧。这个对学生来说是一种真正的锻炼和考验，这些都是虚拟机器人平台所不能给予的。
3）实体机器人更有利于培养学生的系统观。虚拟平台中的仿真环境是一个理想的环境。在这个环境中开展活动的时候，很多因素都不用考虑，比如不同地面的摩擦系数、不同颜色墙壁对光的放射、环境光源等。而在真实环境中，学生用实体机器人开展活动的时候，这些因素都是必须考虑的，只有系统地考虑各种因素，权衡利弊，才能很好地完成任务。所以同样的一个任务，在仿真平台中很容易完成，而用实体机器人却要花费更多的调试时间去完成。因此，如果只是为了开展活动的便利而让学生一直在一个理想化的环境中开展活动，则不利于学生全面系统地思考问题和解决复杂问题的能力的培养，所以只要条件允许，在教学活动中，笔者都让学生借助实体机器人去设计并完成任务。
3.3 借助虚拟机器人教学平台提高教学效率
1）消除外界因素的干扰，让学生专注于程序设计的学习。在机器人教学诸多的教学内容中，程序设计一直是一项重点的学习内容，因为程序就是机器人的灵魂。在这个学习阶段，主要以虚拟机器人平台为主，理由是实体机器人的一些特点会对学习程序设计本身产生很多干扰。比如，学生先后两次让机器人去执行同样一个程序，机器人第一次非常顺利地完成任务，而第二次由于受电池电压不稳或者环境光线等因素的影响失败了。在学习程序设计时，学生原本应把注意力放到建模、确定算法、编写流程图等上面来，而现在，当实体机器人执行任务失败时，学生不仅要检查自己的程序是否有问题，还要考虑这些外来的干扰因素。这样不仅会浪费更多的时间，还会导致注意力转移、学习重心偏移和学习效率降低。而虚拟平台中一切状态都是理想的，不存在这些干扰因素，所以学生只要考虑程序本身就可以了，大大提高学习效率。
2）突破时空限制，扩大教学自由度。拟机器人教学平台是一个软件平台，因此，无论是在家里还是在学校，只要有一台电脑，安装了虚拟机器人软件，就可以开展教学活动，不需要额外的场地，不受周围环境的干扰。特别是当学生在解决一些简单任务的时候，可以在没有机器人和场地的情况下，先借助虚拟平台进行一个初步设计，来验证自己的思路，确定方案的可行性，在设计方案得到完善后，再根据这个预先设计的方案去设计实体机器人并完成任务，此时，虚拟机器人成为学生研究实体机器人的有效工具。
3）利用直观形象，破解疑难问题。教师在讲解任务的解决方案时，可以先通过虚拟机器人平台向学生展示整个任务的执行过程。由于是三维的仿真环境，所以学生可以从上下左右各个角度来观察机器人。同时教师可以通过控制按钮让虚拟机器人停止在行走路线上的任何一个位置，学生就可以观察在关键位置上机器人的运行状态，这样学生对任务就能有一个全面深入的了解。在向学生讲解一些常用传感器的工作原理的时候，可以充分利用虚拟平台中传感器的作用范围可视的特点，使得原来比较抽象的问题立马变得直观。
3.4 利用虚拟机器人开展较大规模的教学活动
中小学的机器人活动已开展好几年，但开展这项活动的学校不多，进行常规教学的更少，使得机器人制作活动一直是一项小众活动，脱离了机器人教学活动的主旨。造成这种现象的原因有很多，但其中一项重要的因素是资金。因为实体机器人较昂贵，对一般的学校来说，买1～2台参加比赛可能还有能力，但要在整个年级开展教学活动则不太现实。而且为了参赛，每年还要耗费大量的资金购买新配件去升级机器人以适应新的比赛规则。
相比较而言，虚拟机器人在价格方面就非常有优势，容易普及，所以宁波市第七中学在开展机器人兴趣小组的时候，教学平台以实体机器人为主，而在年级段开展普通教学活动的时候，教学平台则以虚拟机器人为主。虚拟机器人所需资金虽较少，但也具备实体机器人的教育性、创新性、趣味性等特点。
4 结束语
经过几年的教学实践，笔者在虚实结合策略的应用上有了一定的经验，不过由于目前这方面可参考的资料不多，因此也留下不少疑问，比如结合中“度”的把握，又比如是否有仿真度更高的虚拟平台来支持教学。希望本文能抛砖引玉，引起大家的一些思考。■
参考文献
[1]李鸣华.面向中小学的虚拟机器人教学平台设计[J].中国教育信息化,2008(4):58-59
[2]中小学信息技术教育专业委员会机器人学组.中小学智能机器人课程指导意见（试行）[M].2004
（作者单位：浙江省宁波市第七中学）
关键词信息技术；智能机器人技术；机器人教学
智能机器人技术代表了信息技术的发展前沿，综合了多学科的发展成果，集计算机技术、通信技术、传感技术、机械技术等于一体，涉及信息技术的大部分内容，是开展教学的良好载体和教学内容。智能机器人作为一种全新的和开放的信息技术综合教育平台，可以让学生更全面、深入地接触信息技术，充分发挥想象力去设计、实现自己的创意，提升信息素养。 所以，近年来，很多中小学校越来越看重机器人教育，纷纷将其引入课堂教学。
1 宁波市第七中学开展机器人 教学活动概况
基于以上原因，宁波市第七中学在2007年正式开展机器人教学活动，最初是以社团活动的形式开展的，然后作为校本课程在初一年级全面展开。机器人教学的总体目标主要是了解机器人的概念、硬件结构、功能及应用状况等知识，培养学生对人工智能技术的兴趣；能进行机器人程序设计与编写，能拼装多种具有实用功能的机器人。通过教学、比赛，从而达到培养学生的逻辑思维能力、分析问题和解决问题的能力、综合实践能力、创新能力、团队合作能力和求真务实的精神等目的。
2 虚实结合的机器人教学策略
为了能有效提高机器人教学的质量和效率，笔者做了一些探索，在教学过程中采取虚实结合的策略方法。“虚实”其实指的是两种完全不同形式的机器人。所谓“虚”，指的是看得见摸不着的“虚拟机器人”，是一种可以在计算机仿真环境中运行的2D或3D仿真机器人，也可称其为软件机器人。而“实”指的是在现实生活中看得见摸得着的实体机器人。虚实结合的具体含义就是在教学中，充分利用两类机器人各自的特点，取长补短，开展教学活动。
整个教学过程总体上分为两个阶段，第一个阶段主要以实体机器人作为教学平台，第二阶段则以虚拟机器人为主，有时也会根据教学需要将两种形式的机器人教学相互穿插，互为补充。宁波市第七中学在教学中所使用的实体和虚拟机器人为杭州纳英特公司生产的教学型机器人和3D仿真虚拟机器人，下面就以这两种机器人为例，谈谈如何在教学中实施此策略。
3 虚实结合教学策略的实施及 考虑因素
3.1 通过实体机器人让学生获得感性认识，顺利开展教学
可能对于大多数学生来说，对于机器人的认识都来自电影电视，在他们的思维中那些有胳膊有腿的人形机器人才是真正的机器人，他们都很有兴趣接触机器人，不过对于什么是机器人并没有本质上的认识。因此在教学的最初阶段，最理想的状况就是有活生生的机器人“站”在学生的面前，让机器人和学生能面对面地“交流”。这时候就该实体机器人登台表演了。
首先向学生展示搭建好的各种形态的教学机器人实物，让学生仔细观察机器人的结构和组成，尤其是机器人身上安装的各种大大小小的传感器，并把机器人的各个部分和人的各个部分做一个类比，这样学生记忆中的机器人就变得非常鲜活。然后让学生观看各种教学机器人的表演，如走轨迹、机器人踢足球等活动，并让学生自己动手去操纵，最后观看现实生活中各种行业机器人活动的视频。通过实体机器人这一系列的表演活动，使学生对什么是机器人有一个非常直观和感性的认识，消除对机器人的神秘感。学生知道只要符合机器人定义的，不管什么形状，都叫机器人，同时也能较为全面地了解机器人在社会各领域中的应用，感受到机器人离自己其实并不远，就在生活中，甚至就在课堂里，从而顺利地进入下一阶段的学习。
3.2 以实体机器人为主，培养学生的动手实践能力和创新精神
在初中开展机器人教学的一个重要目标就是培养学生的动手能力、想象能力、解决现实生活问题的能力。虽然在虚拟机器人平台中也可以根据具体的任务来完成机器人搭建、场地搭建、程序设计与调试等一系列活动，从而达到培养学生动手能力、观察能力、程序设计能力、解决问题能力等目标，但就培养动手实践能力和创新精神、全局观等方面来讲，实体机器人平台比虚拟机器人平台更能够胜任。
1）实体机器人能更有效地完成现实生活中的任务。在现有的虚拟机器人平台中，机器人结构件和传感器的种类很少，结构件和传感器组装模式单一，机器人只能在二维平面内运动，能模拟的环境也非常简单。因此，对于现实生活中稍微复杂一点的任务，虚拟机器人平台是无法来模拟环境并完成任务的，更不用说去实践那些创新项目了。而实体机器人却没有上述问题的困扰。
2）实体机器人更能培养动手能力。在虚拟平台中，搭建机器人很容易，像玩游戏，只要用鼠标点击被安装部件和机器人主体上相对应的螺丝孔，这个部件就会自动被放置到机器人的身上，这种搭建方式对使用者来说虽然很方便，节省很多时间，但对于培养学生的动手能力却起不到什么作用。因为在搭建实体机器人的时候，即使是拧一枚螺丝这么小的事，可能都要考虑一下是用长一点的螺丝好，还是选择短一点的。更何况在搭建一些复杂结构的机器人的时候，要组装大大小小的结构件、形状功能各异的传感器，连接各种粗细长短的导线，要考虑的因素就更多，不仅需要知识，还需要经验、技巧。这个对学生来说是一种真正的锻炼和考验，这些都是虚拟机器人平台所不能给予的。
3）实体机器人更有利于培养学生的系统观。虚拟平台中的仿真环境是一个理想的环境。在这个环境中开展活动的时候，很多因素都不用考虑，比如不同地面的摩擦系数、不同颜色墙壁对光的放射、环境光源等。而在真实环境中，学生用实体机器人开展活动的时候，这些因素都是必须考虑的，只有系统地考虑各种因素，权衡利弊，才能很好地完成任务。所以同样的一个任务，在仿真平台中很容易完成，而用实体机器人却要花费更多的调试时间去完成。因此，如果只是为了开展活动的便利而让学生一直在一个理想化的环境中开展活动，则不利于学生全面系统地思考问题和解决复杂问题的能力的培养，所以只要条件允许，在教学活动中，笔者都让学生借助实体机器人去设计并完成任务。
3.3 借助虚拟机器人教学平台提高教学效率
1）消除外界因素的干扰，让学生专注于程序设计的学习。在机器人教学诸多的教学内容中，程序设计一直是一项重点的学习内容，因为程序就是机器人的灵魂。在这个学习阶段，主要以虚拟机器人平台为主，理由是实体机器人的一些特点会对学习程序设计本身产生很多干扰。比如，学生先后两次让机器人去执行同样一个程序，机器人第一次非常顺利地完成任务，而第二次由于受电池电压不稳或者环境光线等因素的影响失败了。在学习程序设计时，学生原本应把注意力放到建模、确定算法、编写流程图等上面来，而现在，当实体机器人执行任务失败时，学生不仅要检查自己的程序是否有问题，还要考虑这些外来的干扰因素。这样不仅会浪费更多的时间，还会导致注意力转移、学习重心偏移和学习效率降低。而虚拟平台中一切状态都是理想的，不存在这些干扰因素，所以学生只要考虑程序本身就可以了，大大提高学习效率。
2）突破时空限制，扩大教学自由度。拟机器人教学平台是一个软件平台，因此，无论是在家里还是在学校，只要有一台电脑，安装了虚拟机器人软件，就可以开展教学活动，不需要额外的场地，不受周围环境的干扰。特别是当学生在解决一些简单任务的时候，可以在没有机器人和场地的情况下，先借助虚拟平台进行一个初步设计，来验证自己的思路，确定方案的可行性，在设计方案得到完善后，再根据这个预先设计的方案去设计实体机器人并完成任务，此时，虚拟机器人成为学生研究实体机器人的有效工具。
3）利用直观形象，破解疑难问题。教师在讲解任务的解决方案时，可以先通过虚拟机器人平台向学生展示整个任务的执行过程。由于是三维的仿真环境，所以学生可以从上下左右各个角度来观察机器人。同时教师可以通过控制按钮让虚拟机器人停止在行走路线上的任何一个位置，学生就可以观察在关键位置上机器人的运行状态，这样学生对任务就能有一个全面深入的了解。在向学生讲解一些常用传感器的工作原理的时候，可以充分利用虚拟平台中传感器的作用范围可视的特点，使得原来比较抽象的问题立马变得直观。
3.4 利用虚拟机器人开展较大规模的教学活动
中小学的机器人活动已开展好几年，但开展这项活动的学校不多，进行常规教学的更少，使得机器人制作活动一直是一项小众活动，脱离了机器人教学活动的主旨。造成这种现象的原因有很多，但其中一项重要的因素是资金。因为实体机器人较昂贵，对一般的学校来说，买1～2台参加比赛可能还有能力，但要在整个年级开展教学活动则不太现实。而且为了参赛，每年还要耗费大量的资金购买新配件去升级机器人以适应新的比赛规则。
相比较而言，虚拟机器人在价格方面就非常有优势，容易普及，所以宁波市第七中学在开展机器人兴趣小组的时候，教学平台以实体机器人为主，而在年级段开展普通教学活动的时候，教学平台则以虚拟机器人为主。虚拟机器人所需资金虽较少，但也具备实体机器人的教育性、创新性、趣味性等特点。
4 结束语
经过几年的教学实践，笔者在虚实结合策略的应用上有了一定的经验，不过由于目前这方面可参考的资料不多，因此也留下不少疑问，比如结合中“度”的把握，又比如是否有仿真度更高的虚拟平台来支持教学。希望本文能抛砖引玉，引起大家的一些思考。■
参考文献
[1]李鸣华.面向中小学的虚拟机器人教学平台设计[J].中国教育信息化,2008(4):58-59
[2]中小学信息技术教育专业委员会机器人学组.中小学智能机器人课程指导意见（试行）[M].2004
（作者单位：浙江省宁波市第七中学）