基于虚拟机器人平台的项目化学习设计-以“未来基建”项目为例

基于虚拟机器人平台的项目化学习设计,——以“未来基建”项目为例闵芳芳

《义务教育信息科技课程标准（2023年版）》（以下简称《课程标准》）提倡创新教学方式，以真实问题或工程驱动，引导学生经受原理运用过程、计算思维过程和数字化工具应用过程，建构学问，提升问题解决力量，尤其强调要创设真实情境，引入多元化数字资源，提高学生的学习参加度。机器人工程化学习常被用来作为学生思维与力量提升的途径之一，但选择机器人教学或参与机器人赛项常需学校购置昂贵的器材，加上新冠疫情持续三年以来导致了多项国家、省市级线下机器人赛事延期或停办，在这样的双重背景下，市面上涌现出了多种基于仿真技术的虚拟机器人平台，它们不受时空限制，且能使学校低本钱接入，给学生供应机器人学习和风采展现的时机，在创设真实情境、供应多元数字资源以及激发学生学习兴趣方面均颇具优势，解决了机器人教育普及、推广难的问题。下面，笔者就以“将来基建”工程为例展现基于虚拟机器人平台的工程化学习过程。

●虚拟机器人平台与工程化学习

1.虚拟机器人平台

为STEM教育开发的虚拟机器人教育软件，不仅支持在线交互协作，有利于学生创客思维开发、促进学生规律思维进展，更有排行等趣味竞赛功能，可以全面激发学生的学习兴趣，提高他们学习的积极性。学生在软件平台上能够自由进展机器人三维模型搭建并随时在线保存搭建文件，同时，平台为不同竞赛主题供应的训练场地最大限度模拟了现实环境，教师也可通过Python、图形化编程等方式实现机器人在虚拟场景中的教学实践。

2.与工程化学习的关联

工程化学习区分于传统学问本位的学习方式，是通过引导学生在现实社会情境中对真实问题不断探讨，历经发觉问题、分析问题、解决问题等过程，促进学生核心素养落地的一种学习方式。

在问题情境方面，虚拟机器人平台不受传统教室空间的限制，极大程度地模拟了现实世界的问题和挑战，基于问题解决的开放学习环境使得学生在探究、体验外部世界的过程中不断发觉新的问题，激发学习热忱。

在学习支持方面，学生能够通过在线资源自主探究、求解问题，实现从“以讲授为中心”到“以学习者为中心”的方式转变，围绕对真实问题不断探究求解而进展有意义的学习。

在学习与工程评价方面，平台可以同步跟踪学生的学习进程并对学习成果进展评分。精细简单的编程任务不仅能够检测学生即时学习效果，还能组合其他任务让学生算法求解、系统设计、任务分解等深层次力量得到提升，形成可迁移的思维方式。

在工程成果展现方面，虚拟机器人平台供应了丰富的在线活动，活动期间学生能够不限次数进展超能演练并累计积分，每月进展一次超能实战并将成果计入总积分，同时按总分进展排名，极大程度激发了学生的学习兴趣和热忱。

●“将来基建”工程化学习实践

1.情境导入，确定任务

将来基建是随着物联网、大数据等新型智能技术进展而产生的新进展理念下的新型根底设施建筑，包括人工智能、5G基站建立等七大领域，涉及交通、能源等多诸多产业链。在“将来基建”工程活动中，任务场景为一个虚拟仿真的城市，由道路、任务模型及装饰物组成。学生首先对将来基建工程进展考察，链接到每一位学生都是将来建筑的仆人翁，接着在规定的时间内使用仿真软件搭建机器人并编写程序以完成将来基建工程，围绕工程形成系统设计、规划、完成独立任务和组合任务（包括动身、智能治理、建立5G通信等3个独立任务和民生工程、极速运输、产业升级、现代交通、新能源工程等5个组合任务，如下表）的策略，以升级建立将来城市。

2.制订规划，搭建机器

学生依据工程建立打算执行任务的流程，包括明晰完成各个子任务的先后挨次，以及每个子任务所需要的功能器件。在将来城市内的不同区域共设置13类任务模型，它们之间由黑色的主干道连接，各个任务模型对应需要完成组合任务或独立任务。在机器人搭建界面使用积木、马达和传感器组装机器人（如下列图）。需要留意的是，机器人搭建要遵守相应的规章：一个工程中只能搭建1台机器人且机器人只能使用1个掌握器、只允许有两个着地的驱动轮、在执行任务的过程中只允许使用AI视觉模块进展帮助运动。在搭建好机器后，学生需要依照规划清单排列完成各个子任务的时间、任务挨次、任务对应的学科学问预备、活动探究步骤，分析可能会遇到的困难及改良策略，并预估最终的工程成果和展现形式，形成构造化、序列化的工程化学习实施方案。

3.程序编写，执行任务

使用图形化编程方式为机器人编写程序，按住鼠标左键拖拽即可将模块拖至编程区，靠近模块后松开鼠标即可自动拼接起来，模块中的数值也可根据需求進行修改，如设置马达速度不仅要修改速度数值，还要选择相应的M1和M2端口。机器人在预编程序的掌握下从随机指定的启动区动身，前往场地中心的智能治理中心开启任务，并依据任务挨次及任务内容前往对应的任务区域完成动作，直至完成全部任务。在组合任务中，机器人每次只能猎取一个种类的物品，且中途不得穿插其他任务，否则任务失败。其中，当猎取民生工程任务后，需前往农场为居民区猎取安心食品，并收集居民区产生的垃圾分类投放至环卫中心;当猎取急速运输任务后，需分别前往医院及仓储中心完成极速救援和极速配送任务;当猎取产业升级任务后，需首先完成特高压输电任务，再前往智能工厂完成智能制造任务;当猎取智能交通任务后，需首先完成跨海大桥建立，再使城际高速列车在跨海大桥上通行;当猎取新能源工程任务后，需在完成潮汐发电站建立后，完成充电桩的设置。在根据任务规划搭建好机器人程序后，进入仿真模拟界面，测试机器人的运行效果，并执行任务。

4.点拨引导，改良完善

仿真模拟环境中能够随机产生摩擦力，真实复原现实环境，具有物理模拟效果，这就使得学生需要在真实问题中运用科学思维和方法持续探究，不断调整程序，甚至机器人构造。每次在机器人开头仿真运行程序后，在数据面板上可以观看到机器人马达和传感器当前的检测数据，借助仿真用时和当前仿真所获得的任务分数能够跟踪任务进展。在这个环节，教师面临的挑战是引导学生分析问题，基于已有学问形成问题链，促进学生主动思索和问题求解。此外，工程化学习中问题解决的方案并不唯一，教师要学会倾听学生的想法，敬重他们的兴趣，而不是要求他们根据既定的方案开展探究活动。当学生提出有问题时，除了通过在线资源进展自助学习，还可以向全班学生抛出问题，鼓舞学生之间提出建议，容纳他们的奇思妙想，表达真实问题的导向，师生共同完善工程。

5.评估检测，拓展反思

什么是好的工程成果？在“将来基建”工程实施的过程中，学生均使用了不同的讨论方案，就成果而言，应紧扣工程目标的达成以及核心问题是否解决进展评定，可以有多种方式。例如“机器人搭建问题”，没有明确的参考方案，但是学生搭建需要考虑几个核心问题，包括完成任务用的摆臂的长短、机器人的重心位置等，这些都是解决独立任务和组合任务的保障问题，直接影响最终的工程得分。固然，仅仅