浅谈仿真机器人教学中任务设计的有效性_机器人仿真课程设计
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浅谈仿真机器人教学中任务设计的有效性
宁波镇海区仁爱中学 熊国全 315200
由于仿真机器人教学便于组织管理，便于有效普及机器人基本知识，越来越多的学校开展这方面的活动。随着仿真机器人教学和实践的不断深入，由于仿真机器人软件先天不足和教学经验缺乏等原因，不少老师为完成教学任务而拼凑任务，甚至直接将竞赛任务用于课堂教学，忽视任务设计的有效性，让仿真机器人教学又成了“培训式教学”，以致影响了仿真机器人教学的效果，不利于学生信息素养的培养。
什么是任务的有效性？任务的有效性是指在教师的帮助下，在强烈的问题动机的驱动下，学生通过对学习资源的积极主动应用，完成既定任务的同时，应该在知识、技能、情感等方面获得全面的发展。如何设计有效的任务，让仿真机器人教学焕发出强大的生命活力，是一个值得深思的问题。经过几年的探索，笔者对仿真机器人教学中任务设计的有效性有了一点浅薄的认识，现抛砖引玉，供同行参考。
一、创设情景 突出趣味性
新课程强调“营造良好的信息环境，打造终身学习的平台”。笔者认为学生对机器人充满着好奇心，对学习仿真机器人抱有很高的热情,但是，在仿真机器人教学中，没有创设趣味性情景的任务对延续学生的学习兴趣是一个极大的伤害,就谈不上任务的有效性。为此，要设计有效的任务，就要创设有效的任务情景：一方面任务情景要以激发学生兴趣为基点，生动具体，形象逼真，有趣味性，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，在后续操作探究教学环节中能让学生兴趣持续下去，激发思维的积极性，持续情绪的活跃性，从而有利于学生有效完成任务；另一方面任务情景要以积淀学生信息素养为重点目标，与具体的知识与技能、过程与方法相关联，切不可喧宾夺主。这样，学生在学习过程中，才能通过完成任务能够掌握本节课内容，达到相应的学习目标，获取一个有价值和有意义的成果，否则任务情景再精彩也没有价值。
例如讲授灰度传感器的作用时，若按以往方法，我会将任务设计成小车走轨迹。学生在完成任务的过程中也能够掌握部分与灰度传感器相关的知识，但任务情景为教学需要而有意杜撰，比较单一，缺乏真实感、趣味性，也没考虑后续阶段如何持续学生兴趣，学生就感到没有意思，自然没有了学习的兴趣和欲望。后来，由于杭州萝卜圈公司的3D仿真软件突出了基于物理引擎的设计，能模拟真实的刚体运动以及物体的密度、质量、速度、加速度等各种现实物理动力学属性，在发生碰撞、受力、摩擦的运动时能模拟出因不同属性而发生的不同运动效果，我用萝卜圈公司的3D仿真软件设计了生动具体的《环游金字塔》情景。刚上课，逼真的隧道、高高耸立的金字塔等场景一下子吸引学生的注意力，把学生从极具诱惑力的网络世界引到我设计的教学任务中，从而激起学生浓厚的学习兴趣和主动探究的欲望。完成任务伊始，机器人走在规定的路线上如何避免掉下车道的情景引起学生兴趣，而后机器人穿越隧道时惊险纷呈，再其次，程序不够完善的机器人被旋转的木头打下车道，又引起学生的惊呼，„„。同时在完成任务的过程中，学生必须利用灰度传感器的作用来编写程
序，结合使用前几节课所学的传感器，才能让自己的小车顺利通过一道道关卡。这样，这个任务精彩迭起，足以持续引起学生的兴趣，使学生更主动参与完成任务的操作，又至始至终贯穿着本节课的学习内容。为了使自己的机器人顺利环游金字塔，学生能以高涨的情绪开展思维，运用与灰度传感器相关的知识编写程序。这样通过老师创设一定的教学情境，在有效任务的驱动下，学生利用所学的知识进行机器人知识的综合运用，同时提升了学生的机器人学习和创作能力，最终有效地培养了学生的信息素养。
二、回归现实 突出科学性
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，提高逻辑思维能力，培养分析和解决问题的能力。但是，仿真机器人教学毕竟是在计算机中模仿真实机器人的运动，以往受仿真软件限制，教学中设计的任务常常不考虑现实生活中很多的不可忽视的因素，以致往往出现机器人运动过于理想化，虚拟化的现象，如：仿真机器人上坡与下坡速度一样，运动时不用考虑摩擦力和动力等。学生与这种远离现实的仿真机器人的频繁接触，容易片面强化仿真的虚拟性、仿真性，而不会考虑真实环境中不得不面对的因素，如摩擦力，物体的惯性等，这样就容易割断仿真世界与客观世界的联系，导致学生感受不到来自自然与自我的挑战，容易忽视科学解决问题的重要性。这样的教学，不但难以达到仿真机器人的教学目的，而且不利于学生思维严谨性和周密性的培养，不利于学生科学素养的形成。
机器人的运动本身就是综合了多门学科知识的运动，因此仿真机器人教学中，设计教学任务时不能理想化，虚拟化，应回归现实突出任务的科学性，引导学生把信息技术作为获取信息、探索问题、协作解决问题的认知工具，在探索中掌握其他学科和信息技术的知识，在潜移默化中培养学生科学、综合地分析和解决问题的能力。
例如，设计任务《驾驶员考驾照》时，我利用杭州萝卜圈公司的3D仿真软件，将任务回归现实，如道路有起伏，有弯道，有上坡和下坡等。学生在完成任务时就发现：汽车速度过快，在启动时会颠簸，导致改变行驶方向，甚至于冲下道路。于是我引导学生联系实际生活来思考小车的变速运动，学生最终提出方案：在启动时，先慢速起步，等速度上去了再加速至高速就不会颠簸。学生很快又有新问题：在走弯道时，高速行驶的小车很容易冲下道路；由于道路有起伏，高速行驶的小车会颠簸，也容易冲下道路。于是我引导学生分析走弯道时汽车速度不能过快的原因，引导学生分析某个瞬间汽车的受力方向，将相关科学知识迁移过来，以完善学生的知识。这样，通过模拟逼真的现实物理运动来促使任务回归现实，强化了现实生活中很多的不可忽视的因素，突出了科学性，大大加强了机器人教学与其它学科知识整合，有效促进学生科学素养的形成。
三、以生为本 突出操作性
不少比赛任务非常新颖，对学生有很大的吸引力，但对于学生而言，这些任务作为课堂任务却没有可操作性，如，NOC的比赛任务《野外生存》非常有趣，可在一个课时内大多数学生是没有能力完成这项复杂任务，少数有能力完成任务的学生因缺少足够的时间也无法完成。仿真机器人教学中，通过上机操作学生能完成的任务才可能具有有效性，为此，教师设计任务时，应秉持一切从学生出发的原则，充分考虑学生现有的文化知识结构、认知能力、年龄、兴趣等特点，设计出贴近学生的操作能力和思维水平的任务，这样的任务才能称得上有效的课堂任务。
例如，在讲授伺服电机时，我进行任务设计时，以学生为中心，设身处地的为学生着想，考虑到学生对《野外生存》感兴趣，于是从NOC的比赛任务《野外生存》中分解出适宜学生学习的《飞渡天险》任务：基本任务是机器人沿着弯曲的道路来到铁索下，伸出手臂抓住铁索越过峡谷滑至另一端的山顶，最后放开手臂落到山顶平地，提高任务则是在此基础上调整机器人方向，继续沿着山路前进至终点。任务《飞渡天险》考虑到学生特点、知识接受能力的差异，容易被学生接受；其次是设计《飞渡天险》时考虑了任务的大小、知识点的含量、前后的联系等多方面的因素，任务规模小，完成任务的程序比较短，容易被学生理解；再其
次是《飞渡天险》任务中涉及到许多学生能理解的科学原理，如惯性，重心等，符合学生的现有的文化知识结构，完成任务过程中，师生可以适时地加以总结，概括出其规律性的知识，实现从现象到本质，由感性到理性的过渡。这样，相对初中学生来说，《山地赛车》任务具有一定的可操作性，学生在操作中探求新知，实践中把握真知，学习中掌握方法，有效地帮助学生获取新知、熏陶科学情感。
四、关注问题 突出生活性
与学生的生活相去甚远的课堂任务是很难吸引学生的。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。机器人的产生是基于人类社会生产力发展的需要，是人类认识自然、改造自然的产物。因此，在仿真机器人教学中要关注生活中的问题，突出任务的生活性，比如我们可以引导学生发现生活中的问题，使学生对新的知识产生强烈的探究愿望、解决问题的热情与责任感，促使学生尝试在完成任务的过程中掌握应用机器人基本知识解决问题的思想和方法，从而有效培养学生的思维能力和探究能力。
设计任务时教师既要根据教学实际，又要联系学生实际，关注问题突出任务的生活性。实践证明，学生在完成一个与他们实际生活和学习密切相关的学习任务时，会持续保持一种良好的学习状态。例如为了讲授测障传感器和测距传感器的作用，我提出一个现实问题：现在随着社会发展，汽车普及的很快，汽车追尾事故的发生非常频繁。同学们，假如现在你是汽车设计师，你会如何从技术上避免汽车追尾事故的发生？这个问题一提出，不少同学都建议：在汽车前方加上某种设施帮助驾驶员预防追尾事故。从而引出：在汽车前方加上测障传感器作为检测装置，当检测到汽车前方有物体，将要发生追尾时，汽车在机器人控制下自动刹车。待学生完成这一任务，我又提出新的质疑：大家坐过公交车，当司机突然刹车，站着的乘客会有什么反应？学生：容易摔倒。老师：对，汽车在机器人控制下突然刹车，对乘客会产生很大的安全隐患，那么我们如何改进设置以减少安全隐患？于是老师引导学生了解测距传感器的作用，让学生积极主动寻找问题，主动获取新的知识。最后，师生利用提问与讨论等方式，发挥课堂的群体作用提出新的方案：在汽车前方加上测距传感器作为检测装置，当测距传感器检测到汽车与前方有物体的距离小于一定值时，汽车在机器人控制下自动给驾驶员发出警报或控制汽车减速，当汽车与前方有物体的距离小于危险临界值，易发生追尾事故时，汽车在机器人控制下自动刹车，此时由于汽车速度不快，急刹车产生的安全隐患对乘客影响比较小。这样设计任务，学生容易在探索生活实际问题的过程中提出自己的实践内容或学习目标，形成开放式的教学模式，达到预先教学的效果，才能有效地将信息技术的学习与生活应用有机的结合起来。
五、倡导成功 突出层次性
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注意学生知识结构，要考虑到学生能力的多层次情况，由浅入深，化繁为简，循序渐进地来设计任务，让学习能力强的学生感到吃得饱，让学习能力较差的学生不会感到消化不了。这样学生在完成一些与自己有能力完成的任务时，往往会专心致志，乐此不疲，待他体验到成功的喜悦，面对自己的成果，充满自豪，从而进一步激发他探索的激情和信心，使学习从一个水平进入到另一个更高的层次。
例如：讲授迷宫搜索算法时，《山地赛车》任务：基本任务是小车从起点出发，沿着弯弯曲曲的盘山公路到达指定地点，提高任务是小车从指定地点原路返回出发地，终及任务则是按NOC的《野外生存》比赛任务的要求，小车快速行驶在盘山公路上。由于基本任务比较简单，又有师生示范，绝大多数学生容易理解任务，也能够及时完成任务。当大部分学生完成基本任务，教师可引导学生完成提高任务。中学生具有很强的表现欲望，希望自己的行为被其他同学和教师所认可，一般会有一半以上的学生尽自己的最大努力去完成它。当有部分学生完成提高任务，教师可以展示3D仿真软件的在线比赛模式，引导学生思考、探究：如何让
自己的小车快速在山道上行驶？经过一段时间，有部分学生受小时候玩过的四驱车的启发，创新地提出在小车上加上导轮，在编程时让小车偏向一侧行驶，从而将速度提高许多，小车完成任务的时间大大减少。这样，通过层次性任务设计，层次较低的学生也能面对自己的机器人体验到成功感，而层次较高的学生在面对成功时会努力尝试各种新颖的方法，激发他们进一步探索的激情和信心。
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