中学生信息技术课程中虚拟机器人教学的应用与计算思维培养

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    探索并大胆走向项目式教学——以胡萝卜圈虚拟机器人为例的项目式教学实践研究摘要：随着科学技术的不断发展，越来越多的机器人相关竞赛层出不穷，虚拟机器人也出现在我们身边。本文提出在中学生信息技术课程中运用虚拟机器人教学，改变以往技术教学的目的，以思维教学为目标，培养学生在发现问题、解决问题的过程中的计算思维。机器人在线仿真平台项目较多，难度各异。其中，“汽车酷体验”项目被选为教学实例。从项目需求、设计、实践、调试四个阶段入手，有意识地培养学生的计算思维和信息素养。希望在未来的信息技术教育教学中，能够极大地改变学生对信息技术课程以及计算机在我们生活中的作用的认识，同时也对培养学生的计算思维进行研究和展望。教学过程。关键词：虚拟机器人；计算思维；在线模拟平台。随着科学技术的不断发展，越来越多的与机器人相关的竞赛层出不穷，虚拟机器人也出现在我们身边。虚拟机器人教学让学生充满兴趣，编程过程充满刺激和挑战。学生们的热情可想而知。也正是因为如此，我对虚拟机器人教学产生了浓厚的兴趣。希望通过虚拟机器人的不断学习和实践，让学生理解编程的意义，培养学生的计算思维，从而极大地改变学生对信息技术的认识。认识课程以及计算机在我们生活中的重要性。

    因此如何在中学生信息课程中培养学生的计算思维已成为我们教育教学工作中的一大课题。基于此，我提出利用虚拟机器人教学来改变以往技术教学的目的，瞄准思维教学，培养学生在发现问题、解决问题的过程中的计算思维。本文以机器人在线仿真平台“汽车炫酷体验”项目教学为例，对项目完成过程中学生计算思维的培养进行研究与展望。 1、虚拟机器人平台概述及在线机器人仿真平台介绍（一）虚拟机器人平台概述《综合实践活动课程指南》中指出“在没有实体机器人的情况下，机器人仿真可以使用环境来模拟机器人的运动并调试使用流程图编写的简单控制程序，初步体验使用程序解决问题的一般流程。目前的情况下，虚拟平台有很多，如Naint 3D机器人仿真软件、西米亚虚拟机器人、BDS虚拟机器人系统、机器人在线仿真平台等。本文以机器人为例进行分析学习。 （二）机器人在线仿真平台简介是一个基于机器人的科技创新平台。它通过网络交互方式进行机器人在线仿真，并拥有强大的物理引擎作为技术支撑。利用机器人在线仿真平台，可以组织学生设计机器人，让更多的学生有机会接触机器人，也有利于竞赛和交流。

    二、计算思维的概念及中学生的计算思维 (1)计算思维的概念。 2006年3月，美国卡内基梅隆大学计算机科学系系主任周以真教授（.Wing）在美国权威计算机杂志上发表文章《ACM中计算思维（g）的给出和定义》期刊“CM”。周教授认为，计算思维是运用计算机科学基本概念解决问题、设计系统、理解人类行为的一系列思维活动，涵盖了计算机科学的广度。 (2)中学生的计算思维。中学生的计算思维目前还没有确切的定义。我个人的理解是，学生可以通过完成项目活动，从分析和定义问题开始，到抽象地建立模型，体验用编程解决问题的基本过程。设计合理的算法形成问题的解决方案，通过编程将实际问题转化为计算机可以处理的程序，最终实现自动化问题解决。这样一个过程就是学生计算思维形成的过程。三、以“车酷体验”项目为例，在虚拟机器人教学中培养学生的计算思维 （一）“车酷体验”项目的任务描述 1、比赛场景 比赛场景是一个大场景。比赛期间，不同的起点和终点将从比赛现场随机确定。赛道上也会出现各种道路形状（直道、弯道、上坡下坡等），并会出现用户。能量补充站，用于补充能量。

   

    比赛场景中，赛道上将设有行车道、路肩、各种记分区、栏杆以及各种路边建筑物。值得注意的是，行车道、路肩以及各个得分区域都会有比较明显的颜色区分。 ，系统指定起点和终点。场景图1如下： 图12.其他任务要求 （1）任务总时间，每个在线任务时间为120分钟，每次模拟开始，机器人完成任务的最长时间，初中学校组为160秒； (2) 每条赛道可能会有一些变化，例如：得分标记会有不同的数字和位置；快速转弯时，它们的有效时间会有所不同；而遇到每个路口时，可能会有不同数量的道路隔离栏杆。 （3）任务得分为基本分+附加分+（任务时限-任务耗时）（秒）*1分（2）基于项目的任务描述，学生在完成的过程中需要完成以下具体任务任务： 1. 在平台上，在虚拟的物理环境中，您可以设计并搭建一个机器人来完成任务，使其能够从系统内随机出现的轨迹起点到达终点。指定时间。学生的任务是建造一辆机器人汽车。 2、编写相关程序，在赛道上设置很多记分标记、快速弯道、超速路段、能量补充站等。你完成的动作越多，花费的时间就越少，你的分数就越高。学生需要思考：编写一个程序，让搭建的汽车能够根据编写的程序执行任务。 3、汽车在运行过程中，会出现很多问题和突发情况。学生需要利用计算机概念和方法解决出现的问题，修改之前的设计方案，改进自己的机器人和程序，然后更好地完成任务。

    学生会不断地产生思维的碰撞，思考的问题会越来越多，也会变得越来越细致，比如：考虑传感器安装的位置甚至角度是否合理；汽车转弯速度是否太慢；遇到障碍物时，是否可以优化小车的操控方法等。 4．具体问题，具体分析。在实际教学过程中，会出现很多问题，学生需要完成的远远不止上面提到的。这些只是少数学生需要完成的任务。还有许多更实际和具体的任务。正是在这样的情况下，学生不断地自我成长，形成自己的计算思维，而不是被老师强加给他们。 ，他们更加享受它。 (3)项目流程以Cars项目为基础，主要描述了基于项目活动四个阶段的教学过程：需求分析、设计思路、实际操作和调试完成。每个阶段的特点不同，学生也会有相应的计算思维训练方向，大大提高了教学过程的有效性，达到了预期的教学目标。在作业开始时，学生需要创建一个项目提案。根据项目需要，学生计划分为两部分。一个正在建造一辆机器人汽车；另一个是编程。在需求阶段，主要是施工；在设计阶段，主要是程序设计；在实际操作阶段，实际上是前两个阶段的综合，也包括后续的修改和改进；最后的调试完成，其实是最难的，需要学员不断突破自我，完善任务过程中出现的各种问题。

    下面简单介绍一下这四个阶段。 1、需求分析，培养学生计算思维的基础。这个阶段主要涉及建造机器人。由于任务中对机器人有相关要求，因此学生必须严格按照规定进行搭建。机器人直径不得超过5米；最多安装6台直流电机和5台直流电机。灰度传感器；所有零件的数量不超过100个；机器人能量初级组为1000单位能量。在搭建过程中，学生需要思考机器人完成不同任务时要安装哪些部件、安装在哪里以及如何安装。这是虚拟机器人教学的基础。如果没有机器人，后续的所有任务就无法完成。因此，学生必须有全局意识，细化任务，完成搭建工作。这也是培养计算思维和抽象实际已完成任务的基础。化并建立相应的模型设计。 2、设计思路，实现学生的创新设计，培养学生的创造力。机器人已经初步成型。需要编写相应的程序让机器人执行任务。在编写程序的过程中，学生根据任务描述的要求完成任务。每个学生都是一个个体。当面对同样的问题时，他们会有不同的解决方案。那么该用谁的方法才能达到更好的效果呢？这些都是需要在操作过程中发现的。学生不断尝试创新，互相分享成果，互相学习，解决遇到的问题，修改自己的程序流程图，编写程序，更好地完成任务。

   

    设计过程中需要考虑的问题很多，学生要有自己的想法和想法。如果有多个传感器，车削过程中应该选择哪个传感器？转弯时，速度也是一个关键因素。 20个好还是30个好？这些问题都需要学生反复设计、调试才能决定。因此，作为教师，我们必须鼓励学生设计和创造自己的编程方法，勇于尝试和创新自己的编程，真正体现学生的创造能力。 3、实际操作提高学生的动手能力，培养学生的计算思维。实践阶段的有效过程主要是训练学生的动手能力。通过前期的搭建和程序流程图的设计，进入平台进行实际操作，熟悉整个流程。同时，学生通过虚拟机器人的学习，可以有效培养学生的计算思维。该阶段集成在前两个阶段中，没有一个阶段是独立执行的。在操作过程中，学生必须熟悉操作界面，了解各个部件的用途，具备一定的操作技能，并高效地实现自己设计的机器人和相应的程序。在构建机器人时，需要了解每个传感器的用途，准确有效地定位，并达到最稳定的状态。在编程过程中，需要设计出简单有效的程序，并根据流程图对程序进行优化。在这次操作中，学生深入体验了计算思维、发现问题、解决问题、抽象要素、构建模型、自动化计算思维的有效过程。 4．调试完成后，引导学生展开思路，体现计算思维的可扩展性。这是学生最难也是最喜欢的阶段。

    在这里，同学们必须一次又一次突破自我，挑战自我，实现自我价值。一般情况下，学生总会遇到各种问题并不断调试和完善自己的程序，甚至修改搭建好的机器人。当问题出现时，学生会有不同的反应，有积极的，也有消极的，这就需要教师给予适当的指导，共同解决问题。学生的能力是无限的。教师要适时打开学生的思路，站在学生的角度思考，多角度考虑问题，体现计算思维的可塑性，帮助学生轻松解决问题。 4.总结与展望 总之，在虚拟机器人教学时，我不断地探索和研究，希望找到更好的、更容易让学生理解和喜欢的教学模式和方法，培养学生的计算思维，让学生学会学习。通过玩，通过玩了解。更重要的是，学生可以明白学习编程不仅仅是掌握编程语言；更重要的是掌握利用计算机解决问题、形成抽象元素、构建模型以及自动化计算思维的方法，并能够运用计算思维来执行任务。解决问题和科学创新。我相信，在不断发展的今天，同学们通过不断的努力和创新，一定会创造出属于自己的天地。参考文献：[1]周以祯．计算思维[J].中国计算机学会通信，2007，（3）。 [2] 熊国权.机器人教学中计算思维的培养——以Cars项目为例[J].中国信息技术教育，2017，（13）。 [3]朱剑锋.拓展计算思维+培养创新能力——基于计算思维的《汽车总动员》项目教学实践与研究[J].中国信息技术教育，2017，（13）。 [4] 李改娟，潘爱文。浅谈计算机教学中如何培养计算思维[J].科技情报，2013，（8）。