基于Robosim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 兴化市昭阳湖初级中学
《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称《课程标准》）倡导创新教学方式，以真实问题或项目驱动，引导学生经历原理运用过程、计算思维过程和数字化工具应用过程，建构知识，提升问题解决能力，尤其强调要创设真实情境，引入多元化数字资源，提高学生的学习参与度。机器人项目化学习常被用来作为学生思维与能力双提升的途径之一，但选择机器人教学或参加机器人赛项常需学校购买昂贵的器材，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，它们能够不受时空限制使得学校低成本接入，给学生提供机器人学习和风采展示的机会，在创设真实情境、提供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。下面以Robosim虚拟机器人平台为例展现“未来基建”项目化学习的过程。
●Robosim虚拟机器人平台
1.平台简介
RoboSim是为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、促进学生逻辑思维的发展，更有排行等趣味竞赛功能，可全面激发学的学习兴趣、提高他们学习积极性。该软件平台由在线活动、主题训练、自由搭建、排位挑战、课程资源及场地设计六大模块组成（如图1）。学生在软件平台上能够自由进行机器人三维模型搭建并随时在线保存搭建文件，平台上为不同比赛主题提供的训练场地最大限度模拟了现实环境，教师可通过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，最具特色的是，平台上集成了未来基建、智慧农业、智能交通、NOC智能餐饮、能源分类、综合治理、冬奥盛会等社会热点话题项目供学生在线学习。
图1 Robosim虚拟机器人平台
2.与项目化学习的关联
项目化学习区别于传统知识本位的学习方式，是通过引导学生在现实社会情境中对真实问题不断探讨，历经发现问题、分析问题、解决问题等过程，促进学生核心素养的落地的一种学习方式。在问题情境方面，Robosim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现新的问题，激发学习热情。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行有意义的学习。在学习与项目评价方面，平台可以同步跟踪学生的学习进程并对学习成果进行评分，精细复杂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得到算法求解、系统设计、任务分解等深层次的能力提升，形成可迁移的思维方式。在项目成果展示方面，Robosim虚拟机器人平台提供了丰富的在线活动，活动期间学生们能够不限次数进行超能演练并累计积分，每月将进行一次超能实战成果计入总积分，并按总分进行排名，极大程度激发了学生的学习兴趣和热情。
●“未来基建”项目化学习实践
1.情境导入，确定任务
未来基建是随着物联网、大数据等新型智能技术发展而产生的新发展理念下的新型基础设施建筑，包括人工智能、5G基站建设等七大领域，涉及交通、能源等多诸多产业链。在“未来基建”项目活动中，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。学生们首先对未来基建项目进行考察，链接到每一位学生都是未来建造的主人翁，接着在规定的时间内使用 RoboSim仿真软件搭建机器人并编写程序以完成未来基建项目，围绕项目形成系统设计、规划、完成独立任务和组合任务的策略，包括建设5G通讯等三个独立任务和民生工程、产业升级、现代交通等5个组合任务（如表1），以升级建设我们的未来城市。
表1 “未来基建”项目任务
类型
任务明细
独立任务
出发
智能管理
建设 5G 通讯
组合任务
民生工程
获取安心食品
食品配送
智能环卫
极速运输
极速救援
极速配送
产业升级
特高压输电
智能制造
现代交通
跨海大桥
城际高速列车
新能源工程
潮汐发电站
充电桩
2.制定计划，搭建机器
学生根据项目建设决定执行任务的流程，包括明晰完成各个子任务的先后顺序，以及每个子任务所需要的功能器件。在未来城市内的不同区域共设置有 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（如图2），需要注意的是机器人搭建得遵守相应的规则：一个项目中只能搭建1台机器人且机器人只能使用1个控制器、只允许有两个着地的驱动轮、执行任务的过程中只允许使用AI视觉模块进行辅助运动。在搭建好机器后，学生需要依照计划清单罗列完成各个子任务的时间、任务顺序、任务对应的学科知识准备、活动探究步骤，并分析可能会遇到的困难及改进策略，预估最终的项目成果和展示形式，形成结构化、序列化的项目化学习实施方案。
图2 机器人搭建界面
3.程序编写，执行任务
使用基于Scratch开发的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，模块中的数值也可按照需求进行修改，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控制下从随机指定的启动区出发，前往场地中心的智能管理中心开启任务，并根据任务顺序及任务内容前往对应的任务区域完成动作，直至完成所有任务。在组合任务中，机器人每次只能获取一个种类的物品，且中途不得穿插其他任务，否则任务失败。其中当机器人接到民生工程任务后，需前往农场为居民区获取安心食品，并收集居民区产生的垃圾分类投放至环卫中心；当机器人获取急速运输任务后，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；当机器人获取产业升级任务后，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；当获取智能交通任务后，需首先完成跨海大桥建设，再使城际高速列车在跨海大桥上通行；当获取新能源工程任务后，需在完成潮汐发电站建设后，完成充电桩的设置。按照任务计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，改进完善
仿真模拟环境中能够随机产生摩擦力，真实还原现实环境，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，甚至机器人结构。每次机器人开始仿真运行程序后，数据面板上可以直观观察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直观跟踪任务进展。在这个环节，教师面临的挑战是引导学生分析问题，基于已有知识形成问题链，促进学生主动思考和问题求解；此外，项目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，尊重他们的兴趣，而不是要求他们按照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行自助学习，还可以向全班同学抛出问题，鼓励学生之间提出建议，容纳他们的奇思妙想，体现真实问题的导向，师生共同完善项目。
5.评估检测，拓展反思
什么是好的项目成果？“未来基建”项目实施的过程中，学生们均使用了不同的研究方案，就成果而言，应该紧扣项目目标的达成以及核心问题是否解决进行评定，可以有多种方式。比如“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：完成任务用的摆臂的长短、机器人的重心位置等方面，这些都是解决独立任务和组合任务的保障问题，直接影响到最终的项目得分。当然，仅仅依靠最终的得分来评定是不够的，《课程标准》强调素养导向的多元评价，坚持过程性评价与终结性评价相结合。应强调项目化学习过程中的能力转化，如团队协作能力、自主学习能力，包括程序内部的算法也是算法思维的体现。一个项目的结束并不是学习的终点，基于项目的反思改进有助于产生新的问题、生成新项目进行持续性研究。