基于3D仿真虚拟机器人的信息技术课程研究

| 教育动态 | 教育行政 | 政务公开 | 党工建设 | 西湖教育 | 师生园地 | 教育资源您现在的位置：首页 师生园地 科海精萃 正文 基于纳英特 3D 虚拟仿真机器人的课程设计探究来源： 发布日期：2010-8-31 浏览次数：2873基于纳英特 3D 虚拟仿真机器人的课程设计探究杭州市学军小学 冯 岳汪培新 王振华 潘瑛璐 周 勇成果摘要随着智能技术的发展，智能机器人教育走进课堂已成为必然趋势，必将给信息技术教育带来新的活力。我校基于纳英特 3D 仿真虚 拟机器人软件深入开展智能机器人课堂教学研究，探索 3D 仿真虚拟机器人课程目 标与定位，编写纳英特 3D 仿真虚拟机器人校本教材，研究 3D 仿真虚拟机器人教学策略和教学方法， 创新和拓展了小学信息技术学科教学的内涵。我校通过开展 3D 仿真虚 拟机器人课堂教学，发展了学生信息素养与操作技能，提升了学科品牌和学校影响力。关键词： 3D 虚拟仿真 课程设计一、课题缘起（一）实物机器人课堂教学面临诸多问题当前从实物机器人课堂教学的开展情况来来看，较多的学校只是以课外活动、各种兴趣班、培 训班的形式开展机器人教学。通常的做法，是由学校购买若干套机器人器材，由信息技术课程老师或综合实践课程教师进行指导，组织学生进行机器人组装、编程的实践活动，然后参加一些相关的机器人竞赛。目前，只有浙江、上海、江苏等极少数的地区和学校将实物机器人纳入了正规课堂教学。目前，开展实物机器人课堂教学所面临的主要问题有：1教学目标和课堂体系尚欠完备。小学、初 中、高中机器人教学的分阶段目标的划分不够明确与合理，导致相关教材的区分度低、特色不强。 2缺乏科学规划与教学设计。目前机器人教学的“ 教材”较少，大多属于“产品说明书” 或“用户指南”式的，缺少课程与教学专家的参与和指导。 3实物机器人产品缺少规范。目前教育机器人的品牌十分繁杂，并且大多自成体系，互不兼容，开放度低。另一方面，适应于不同学段的性能价格比高的教育机器人产品却很少，特别是对学校而言，开展机器人课堂教学初期投入较高，持续费用大，难以长期发展。 4器材难以管理。目前的教育机器人都是以积木或零件式为主，型号多，配件杂，在开展课堂教学时，往往容易丢失零部件，教学过程中的器材难于管理，不利于大面积开课。5教育行政部门不够重视，缺少从教育视角进行的研究。当前中小学机器人教育的开展，在一定程度上是由教育机器人企业在推动。虽然企业在初期为此做出的贡献应当予以肯定，但是随着机器人教育的逐渐深入与普及，目前亟需教育行政部门、教学研究机构给予充分的关注、协调与引导。 （二）3D 仿真虚拟机器人成功应用于教育目前针对学校教学的 3D 仿真机器机器人软件还非常少，国内只有极少数仿真 软件开发成功运用于学校教育，其中比较有名的是 NSTRSS。NSTRSS 开发成功并应用于教育领域已经有两年多时间，从目前教育实践研究来看，它具有如下的特点：1全 3D 场景。用 户可自由控制 视角的位置和角度 进行场景漫游。2逼真的仿真效果。采用虚拟现实技术，高度接近实际环境下的机器人运动状态，大大简化实际机器人调试过程。3实时运行调试。运行时，依据 实际运行情况，调整机器人参数，帮助用户快速实现理想中的效果。4自由灵活的机器人搭建与场地搭建。用户可自由选择机器人及其配件，进行机器人搭建，可自行编辑 3D 训练比赛场地，所想即所得。 5单人或多人的对抗过程。用户可添加多个机器人自由组队进行队伍间对抗。6与 NST 实 物机器人无缝连接。 NST 实物机器人生成的控制程序代码可有仿真软件直接调用，大大节省编程时间。73D 虚拟仿真机器人软件安装成本低，使用与 维护非常方便，因此课堂教学推广基本无障碍。（三）3D 仿真促进了机器人教育推广发展当前我区只有极少数学校在开展了机器人课堂教育，而绝大部分学校都没有开设该类课程。其中主要因素是经费问题，从机器人硬件设备的购买，部件的配置及维护管理等等都需要庞大的开销。而 3D 仿真虚拟 机器人作为一种纯软件环境，具有不受实体机器人的硬件、场地限制等一系列突破学校经费限制的优势，便于大范围教学的开展和管理。目前很多公司已经开发了很多大量适用各个年级阶段机器人教育的虚拟机器人仿真软件，而且网络上也有很多开源代码供用户下载，这就使得利用虚拟机器人作为传统机器人教育的拓展和补充有了物质基础。这样，经济薄弱的地区和学校，可以通过虚拟机器人开展机器人教育；经济实力较好的学校，可以在课堂中直接使用实体机器人进行教学，也可以先采用 3D 仿真虚拟机器人开展教学再 进行实体机器人深化教学。这种方式既可以扩展机器人教育的普及基础力度，同时可以减少零部件的损耗，增加机器人的使用率。因此，3D 虚 拟仿真机器人教学是 对当前机器人教育的完善和推广。二、 理论依据（一）小学综合实践课程（机器人）相关标准学会设计和制作简易机器人，体验“采集信息- 处理信息-控制动作” 的基本过程。能识别简易机器人的基本构造；说出各类传感器（如声音、光敏、红外、温度、触摸）的功能及其对人类功能的模拟。能描述机器人各部分的功能和工作原理，如通过传感器搜集信息、通过程序来判断处理信息、控制外部动作等。研究和了解现代机器人的发展趋势，讨论机器人与人类在解决相关问题上的优缺点，例如，机器人对复 杂情况的反应；机器人可以完成哪些人类难以完成的任务等。学会根据生活和学习中的实际需要，设计、动手制作或组装简单的实物机器人（如：机器人导盲，机器人迎宾，机器人灭火，机器人踢足球，机器人走迷宫等），将编制好的控制程序（使用流程图方式）导出到实物机器人，运行机器人并对机器人及其控制程序做出必要的调试和修改。在不具备实物机器人的情况下，也可以利用机器人仿真环境来模拟机器人的运动和调试使用流程图编制的简单的控制程序；初步感受利用程序解决问题的一般过程。（二）3D 仿真虚拟机器人的教育价值1符合学生认知规律，从简单到复杂、从局部到整体。现代教育心理学研究指出，学生的学习过程，不仅是一个接受知识的过程，而且也是一个发现问题、分析问题、解决问题的过程。这个过程一方面是暴露学生产生各种疑问、困难、障碍和矛盾的过程，另一方面是展示学生发展聪明才智、形成独特个性与创新成果的过程。智能机器人的教学与以往的信息技术课教学有很大的不同，涉及软件、硬件的知识较多，体验的学习过程比较复杂，不同学段的学生对智能机器人的认识程度也不同，他们的思考方式、学习需求、学 习优势 、学习风格也不一样。学生的学习客观上存在着个体差异，不同的学生在学习同一内容时，实际具备的认知基础和情感准备以及学习能力倾向不同，决定了学生对同样的内容和任务的学习速度和掌握程度及所需要的帮助不同。实践过程中发现，因为智能机器人教学涉及软件、硬件的知识较多，所以初步接触的学生对于故障很难判断出是程序有问题还是机器人机械方面有问题。在学生对智能机器人机械结构方面理解不够深刻的情况下，仿真软件就体现出它的优越性。学生浓厚的兴趣是学习机器人的源动力，为了让学生保持浓厚的兴趣，对于初学者，教师可以先抛开机器人硬件方面的知识，降低难度，减少学生负担，只要求学生在仿真软件中完成一些比较简单的活动，在没有环境误差下，引导学生先学好程序设计。这样一步一个脚印，从简单 到复杂，从局部到整体，不知不 觉 中学生学到东西了，自然他就能保持兴趣来学。2没有环境误差的影响，学生更能深刻理解程序设计。目前在学校教育中使用的智能机器人虽说比较简单，但已经集合了计算机、声、光、电等多种技术，可以让学生全面接触传感器、计算机软硬件、人工智能、自动控制等高新科技知识，激发学生的兴趣，培养学生的综合思考与动手能力、团队合作精神、创造能力和进取精神。归结到具体的教学内容上，一样的模块配置，一样的场地条件，却能使不同的学生“ 做” 出来的机器人判若两 “人” ，这其间的关键就是左右着机器人动作的程序。从这 个角度来看，所谓机器人竞赛， 实质 上就是学生编程的竞赛。在实际教学活动中，占用 时间最多的也是机器人程序的编制和调试。机器人的结构模块、传感器、接口等硬件只是“ 骨骼” ，程序才是它的“ 灵魂” ，是它的“大脑”和“ 神经中枢”，正是在这个“灵魂”的指挥下，机器人才会有多姿多彩的动作表现。对于初学程序设计的中小学生来说兴趣是学习的动力，仿真软件没有环境误差的影响，更有利于学生理解程序的结构。在学生能够理解程序情况下，再教学生如何在仿真软件中配置自己的机器人，配置完之后要求学生还是用已经调试成功的程序，来指挥这机器人走迷宫。很多同学就不成功了，学生不难体会出智能机器人走迷宫还要受到硬件方面的影响。智能机器人仿真软件教学，能够从易到难、循序渐进，引导学生掌握程序结构。学生也能够体会出智能机器人要能完成动作，受到硬件和程序两方面的影响。3完美的优化环境，提升了教与学的效果。优化教与学效果是指以较少的教育投入（包括人力、物力、财力、时间等）取得较大的教育效果（主要指学生的知识获得、技能形成、情感培养等）。因为我们施教的对象是全体学生，总有个别同学会粗手粗脚，如果电机或电子器件的接线焊接不牢，容易松落，那必将影响教学的顺利进行，如有些机器人的驱动机械机构是塑料做的齿轮很容易坏，有些机器人电机或传感器的接线不能很好的固定，学生在上课的时候不小心稍拉一下就脱焊。如果学生编写好的程序下载到一台机械结构有问题的机器人上调整，肯定不能够准确地理解程序的功能。仿真软件避免了出现这类问题，可以先让学生在仿真环境中，把程序调试好，准确理解程序的功能。这样子可以避免学生和老师少走弯路，提高教学效果。实践 过程，确 实 存在有些学生因为不理解他所写程序的功能，而乱弄机器人机械机构的情况。 智能机器人仿真软件教学能够方便、快速的配置机器人，以及调整传感器的位置，能更有效的训练学生逻辑思维能力、规划能力，提高学生分析问题和解决问题的能力。解决问题的不同策略，能够很快的在仿真软件中实现。虽然使用真实的机器人和实际场地也能够作到，但在仿真软件中训练学生更容易、快捷理解这种思路。俗话说磨刀不误砍柴工，当学生深刻理解之后，让他们用真实的机器人来试也不迟。利用仿真软件进行机器人教学是能够取得好的效果的。三、 课程设计（一）课程概念界定13D 仿真虚拟机器人早在 1997 年就有 ISO14772 标准制定了 VRML97 的 web3d 规范，此后出现了java3d、cult3d 等许多实现网络虚拟现实的技 术。在机器人仿真 领域也有众多相关项目，如 The RoboCup Soccer Simulator 是一个用于多智能体系统的研究和教学目的的工具，它支持两个具有 11 个模拟自动机器人的团队进行足球比赛。多机器人系统仿真平台-Multi-robot Simulation System，采用面向对象模型化技 术 OMT（Object Modeling Technique）, OMT 对多机器人仿真系统进行分析，建立了仿真系统的对象模，型动态模型和功能模型，并实现了基于该模型的分布式多机器人仿真系统 MultiSim（Multi-robot Simulation System）。NSTRSS 是纳英特科技新近推出的一款以.NET 平台为基础，使用 Microsoft DirectX9.0 技术的 3D 机器人仿真软件，可以 让用户轻松的构建虚拟机器人、虚拟环境，编写与实际机器人完全相同的虚拟机器人驱动程序，模拟现实情况下机器人在特定环境中的运行情况。采用选手需利用指定软件构建虚拟机器人、虚拟环境，编写与实际机器人完全相同的虚拟驱动程序，控制机器人在特定环境中按指定规则完成特定的任务。学习者通过设置一系列参数，做出了带有驱动、马达、雷达探测仪的 3D 机器人，机器人可以按设定好的速度前进，还可以在前方有障碍物的时候自动转弯，和真正的机器人相比毫不逊色。2虚拟机器人教育虚拟机器人教育是指利用仿真软件开展智能机器人课堂教学。学生通过电脑和网络，在仿真系统中开展智能机器人学习和研究，模拟实物机器人一切功能和动作：建虚拟机器人、虚拟环境，编写与实际机器人完全相同的虚拟驱动程序，控制机器人在特定环境中按指定规则完成特定的任务。更有利于学生理解体会程序是机器人的灵魂，可以使学生了解机器人是怎样在程序指挥下进行工作的，提高学习计算机程序设计语言的兴趣；在学习为机器人编写程序的过程中，学到科学而高效的思维方式，提高逻辑思维能力、规划能力，提高学生分析问题和解决问题的实际能力，并使计算机程序设计语言教学在现有的基础上有重大突破。（二） 课程质量要求基于纳英特 3D 仿真虚拟机器人课程具有以下三方面的特征：该课程是根据学校自己的教育哲学，自主进行的适合学校特点和条件 的信息技术课程设计；该课程开发是对信息技术国家课程的开发局限性而采取的一种与国家课程相对应的课程开发策略；该课程是小学信息技术课程的重要补充。该课程的质量要求达到：利用 3D 仿真虚拟软件进行智能机器人课堂教学，学会 设计和制作简易机器人，体验 “采集信息-处理信息-控制动作” 的基本过程；通过 3D 仿真虚拟机器人学习平台，了解机器人是怎样在程序指挥下进行工作的，进一步提升信息技术综合应用能力；通过虚拟仿真任务活动，组织开放有序的学生自主研究，学习科学而高效的思维方式，提高学生的逻辑思维能力、规划能力，提高学生分析问题和解决问题的实际能力。（三） 课程设计原则虚拟仿真机器人在中小学既不是一门学科也不是一门独立开设的课程。随着科学技术的发展和课程改革的深入，智能机器人的教学内容将渗透到越来越多的中小学校的多门课程和课外科技活动中，成为这些课程或活动的重要组成部分。在开展小学虚拟机器人课堂教学时要把握以下几个基本原则：1创新性原则智能机器人的研发与应用，虽然已有一段较长的历史，但其快速发展与较大范围的普及则是近几年的事情；虚拟仿真机器人作为教学内容进入中小学，无论国内还是国外，目前都处于起步阶段；不能简单地把现有的工业机器人或玩具机器人引入中小学，研发制作具有良好适用性的中小学教学用机器人本身即具有创新性；中小学智能机器人教学的主要目标之一是培养学生的创新精神，其教学设计、教学模式、教学方法和教学评价也必须具备创新性；开展各种展示和竞赛活动是普及 3D 虚拟仿真机器人的重要途径之一，虚拟 机器人竞赛项目的内容、规则以及评分办法等的创意设计都极富创造和挑战性。2综合性原则智能机器人集材料、机械制造、能源转换、生物仿真、信息技术之大成，是综合性很强的现代技术。1994 年，联合国教科文组织(UNESCO)委托国际信息处理学会(IFIP)，编写了指导世界各国计算机课程设置的文件中学信息学课程。对于程序设计这样解释：“这里所指的程序 设计 非技术性的程序设计 ，更确切地说应该是把 你自己做的事情转变成 别人能做的事情。这就要求能详尽地描述完成任务的过程，以便其他的人或其他的设备能准确地重复这一项工作。”由此我们 可以看出：虚拟机器人作为实物智能机器人的拓展延伸，更具有信息技术相关的综合性，虚拟机器人编程软件采用的是图形化编程界面，采用直观的设计搭建，能更综合全页地利用软件平台来实现信息技术教学的设计与理想。3开放性原则3D 虚拟仿真机器人应具备开放性。目前，有些试图进入中小学的虚拟机器人还无法实现实物机器的功能。市面上很多的虚拟机器人只是为了推广自家的产品而设计的附属品。厂家的意图是学生只要“使用”就可以了，不必深入了解机器人的构造与工作原理。这显然有悖于我们开设本课程的初衷。虚拟仿真机器人应该突破传统课堂教学的封闭性，打破 课内课外、校内校外的界限，要充分利用社会的多种教学资源，从而作到以较少的投入实现本课程的教学目标。4发展性原则机器人技术发展迅猛，虚拟机器人的应用领域也在迅速扩大。同时，随着本课程教学实验和相关研讨的深入开展，虚拟机器人课程建设一定会有长足的进步。因此，必须对本课程的发展性有足够的认识。要处理好课程内容相对稳定与健康发展之间的关系，要注意避免因某种已经进入学校的机器人产品的固定功能而导致本课程僵化现象出现。5实践性原则 智能机器人在中小学属于技术类课程，实践性是其本质特征之一。本课程的教材编写、教学 设计以及评价方法都应突出实践性，强调培养学生的动手能力。虚拟机器人是对实体机器人在理想状态下的一种模拟，同类传感器没有性能上的差异，马达也没有功率上的差异，很容易给学生创造一个良好的机器人学习玩意，只要程序设计正确，那么机器人就能达到程序要求的效果。6探究性原则智能机器人课程为实施探究性教学提供了载体和条件。面对一个新的机器人项目，为了完善自己的设计，学生们要不断改进方案，根据自己的机器人结构，来定制和优化程序，并通过虚拟仿真运行，来修改调试各传感器参数等，从中找出最优设计。通过这样的不断尝试和循环，培养学生严谨的科学探索精神和专注的探究精神。四、研究实践智能机器人走进信息技术课，不但为信息技术课程的教学内容增添了新的素材，同时也为信息技术课的教学模式和教学方法提供了创新的舞台。基于纳英特 3D 虚拟机器人仿真软件开展的信息技术课堂教学，能够突出程序设计在教学的中心位置，使“ 算法 ”变得直观而形象，大大提高了学生对学习的投入度，有利于学生高级思维能力、整体规划能力、问题 解决能力、连续运用推理能力、合作沟通能力、创新能力的提高。同时利用虚拟机器人仿真软件教学能够减低难度，循序渐进，充分调动学生兴趣并投入到程序设计之中。（一）课程目标制定1学会设计和制作简易的虚拟机器人，体验“ 采集信息-处理信息-控制动作” 的基本过程。2认识虚拟机器人基本构造；说出各类传感器（如声音、光敏、红外、温度、触摸、灰度）的功能及其对人类功能的模拟。3学会根据生活和学习中的实际需要，设计、动手制作或组装简单的虚拟机器人（如：机器人导盲，机器人迎宾，机器人灭火，机器人踢足球，机器人走迷宫等）。4学习使用流程图编制的简单的程序；初步感受利用程序解决问题的一般过程。5初步了解程序设计语言的三种控制结构顺序、条件、循环，了解变量的使用及使用各种控制结构用来解决较复杂的问题。（二）课程内容开发本内容以由三个单元活动组成，从了解纳英特 3D 仿真虚拟机器人开始，由初级到中级的走直线，到最后以融会贯穿之前所有教学内容的虚拟机器人循迹灭火为止。在整个教学活动中根据主题活动难易程度的不同，或分组或独立等方式让学生完成作业练习。教学中穿插一些教学游戏和竞赛活动以提高学生的主动性和积极性。教师在各个教学单元的教学过程中，逐步加入机器人各部件功能模块的操作实践和程序设计相关概念，使学生循序渐进学习程序设计和机器人知识，并由各单元的练习题来检验所学的知识点。同时 ，在掌握知识的基础上， 进一步拓展 应用，从而迅速提升学生的知识应用能力和问题解决能力的培养。通过前面三个单元式学习的铺垫，最后拓展拔高到竞赛单元，提升学生的学习兴趣。教学内容详见下表：单元 教学内容 教对象 实施意见 课时/学年基础认识虚拟机器人 四年级使学生了解智能机器人这个信息技术前沿领域的发展和 6 课时篇 我的虚拟机器人我的避障机器人应用状况，了解智能机器人的概念和工作方式。为进一步学习智能机器人技术的有关知识打下基础。实践篇机器人走黑线机器人寻找火源机器人碰碰车机器人巡逻机器人寻宝五年级了解虚拟机器人的传感器和作用，掌握程序下载方法，理解体会程序是智能机器人的灵魂，了解虚拟机器人是怎样工作的。学习编写程序，通过程序编写学到科学而高效的思维方式，提高规划能力，提高分析问题和解决问题的能力。10 课时竞赛篇机器人竞速机器人灭火机器人迷宫六年级通过完成项目任务和比赛项目，使学生充分了解虚拟机器人的各项功能。通过竞赛培养学生的动手能力、团队协作能力和创造能力。8 课时（三）课时计划整理我校目前采用的教材是浙江摄影出版社出版的省编小学信息技术三六年级版。该教材由于要照顾到全省的小学生，因此教材中所要求的信息技术定位和起点较低。相对于我校学生的信息技术实际水平，书本中的知识和内容偏易，因此，我根据学生的具体学习情况，更大胆地对每册教材的课时计划进行改进，对课时进行重新归类整理，一般每册 20 课时的教学内容，我都将它们调整到 15 课时以内，调整出来的 5 课时就开展 3D 仿真虚拟机器人课程教学。例如：以小学五年级下为例。本册是省编小学信息技术系列教材五年级下。本册共 15 课共三个单元，主要是围绕学习使用 PowerPoint。学会创建演示文稿，能够在幻灯片中插入文字、艺术字等，会设置对象动画效果、幻灯片的背景。同时本册还开始让学生进行动画初步设计制作。笔者对信息技术原来课程进行大胆改革，将第 1 和 2 单元教学内容进行重新整理，将教学计划分别压缩 2 个课时，调整出来的这 4 个课时安排进行虚拟机器人课堂教学内容，一般以 2 个课时来实施一次虚拟机器人教学计划。如本册笔者安排虚拟机器人课程为：单点灭火、公园捡垃圾两个主题。同时在期末根据机动，可以再上一节虚拟机器人课，主要是相关竞赛演示与介绍。如下表所示。经过这样两个学期的尝试，笔者进行学生的信息技术学科成绩评定跟踪，发现学生的信息技术水平和技能与上几届相差不大。同时，让人感到高兴的是，学生的课外信息技术学习热情更高了，特别是对虚拟机器人课程的学习兴趣是越来越浓，很多学生都自己购买单机版纳英特 3D 虚拟仿真软件，在 课外进行自学研究。（四）教学策略探讨为了让学生在 3D 仿真虚拟机器人环境中潜移默化地学习程序设计概念，在教学 过程中并不是特别强调特定的程序概念，而是将程序概念隐含在程序设计的情境中，学生通过制作流程图，将流程图转化为纳英特流程图，编辑修改源程序，然后在虚拟仿真环境中运行程序，观察虚拟机器人执行程序等过程来验证程序概念，加深印象，增强观念。每一个单元均提供一个范例与练习，每个范例均提供完整的程序源代码供学生在实验操作中执行和修改。利用虚拟机器人开展学习，突破了传统问题解决方法的唯一性，方法的多样性，有利于学生发散思维的培养。因此在教学的过程中，对于一个目标的实现，往往会有多种实现方法，学生在此过程中通过逐渐领悟，能有效锻炼其逻辑思维能力。比如:在“机器人巡逻”这个 实例课的学 习中，起初只是给学生 们分析了整个运动过程:先直行一段时间而后右转 90 度，再继续直行一段时间再次右转 90 度，然后重复四次这种运动。许多学生在程序设计时就完全按照这种单纯的思路拖动了许多直行模块和转向模块，但也有学生使用了循环的结构模块，将四分之一的过程放在了循环中。显然这种方法是最好的更胜一筹，不 仅完成了功能要求，而且程序界面简单易懂。在课程的总结部分，教师在再综合分析了两种方法各自的特点，并对于使用循环语句完成程序的学生加以表扬，鼓励学生们在设计时求新求简。（五）教学模式探究所谓教学模式是指在相关教学理论与时间框架的指导下，为达成一定的教学目标而构建的教学活动结构和教学方式。它是将相关教学理论转化为具体教学活动结构和操作程序的中介，是将相关教学理论和实践框架同具体教学情境相结合的结果。在信息技术课堂开展虚拟机器人教学，根据教学内容和目标的不同，在教学中一般可采用如下几种教学模式：1导入课模式导入课模式通过创设一个最佳的课堂情景，使学生在心理上、生理上、情绪上产生积极的效应，形成良好的心理、生理、情绪定 势。通过讲、展、 问、看等多种形式，利用媒体呈现，结 合虚拟机器人实景，可以强化学生的表象，调动学生学习情绪，激发学生的兴趣，在此基础上，提出课程目标，明确教学目的，提出教学任务和实验要求。导入课模式主要应用于机器人概括和机器人应用模块的教学上。通过认知过程，培训学生学习的兴趣，激发学生的学习积极性，帮助学生树立正确的学习观，同时学生对课程有清醒的认识和更为明确的学习目标。2实验引导模式实验引导模式主要着重于程序设计的基本语法(顺序、分支和循 环)在程序设计教学中的应用。特 别是在对纳英特 3D 仿真虚拟 机器人基本部件的使用上(红外传感器、灰度传感器、角度传感器等)的掌握，利用 3D 仿真虚拟机器人，老师先演示一个情景，让学生先模拟再思考，想出处理方法、对策，再加以应用，通过引导过程解决知识应用问题，使学生由开始的被动学习逐步转为主动学习和创造性学习。3任务驱动模式任务驱动模式就是在教学中学生知识和技能的获取以完成“任务” 为主，这个“任务”的设计应注重体现重点、难点。考虑学生在学习能力上的个体差异，通过任务的完成，培养学生学会从多角度提出问题、解决问题的能力，充分发挥学生的主动性和创造性。这也是我们小学阶段在开展 3D 仿真虚拟机器人课堂教学时最常用的一种模式。4自主学习模式所谓自主学习是指学生对自己的学习活动能自我导向、自我调节、自我反馈、自我监控，使传统 的以教师为中心的知识传递向以学生为中心的认知发展模式转换。一般多用于小学高段，特别是社团的竞赛辅导等。5团队项目合作学习模式团队项目合作学习模式是在综合实践活动或虚拟机器人竞赛中，在小组之间、班级之间或学校之间来开展的，它是课堂教学和实验教学的延伸，充分展现了虚拟机器人平台游戏竞赛特性。在该种模式下，作为指导教师应着重检查项目计划的可行性和分工的合理性是否可行，其目的是通过项目(竞赛)，提高学生组织能力、管理能力和执行能力。（六）教学案例分析1、教学案例一机器人避障 基础篇教学目标：知识目标：知道机器人仿真软件的主要功能技能目标：1、熟练掌握机器人仿真软件的搭建，设计出一个避障机器人。2、能根据实际要求，初步编写出一个机器人避障程序。3、在指定的场地上，让机器人运行程序，顺利完成避障测试。情感目标：旨在培养学生信息综合处理能力和创新思维。教学重难点：重点：根据需要环境和要求，编写出合理的程序流程图。难点：在仿真平台中，将自己的搭件与程序设计有机结合，完成任务。教学准备：NST3D 仿真平台（机房版） 及客户端 机器人演示平台一个避障地图、避障规则、示范流程图、 课件、实物机器人一台、USB 线等教学过程1) 任 务分析：让虚拟机器人从启始位置出发向前走，遇到障碍物，自 动停止。研究步骤： 分析任务 设计机器人 设计程序结构与程序调试 完成任务与小结2) 结 构设计首先请同学们进入 NST3D 仿真平台，点击进 入“机器人搭建”设计一个自己的避障机器人，并保存。纳英特 3D 机器人仿真系统界面 “避障机器人”搭建完成后的 3D 效果图其实，要提醒同学们注意什么：（1） 马达方向不要装反。（2） 设置马达的端口号：左马达端口为 0 号，右马达端口为 1 号。（3） 设置“红 外避障传 感器” 的端口为 7 号。（4） 设置“红 外避障传 感器” 的“感应区是否显示，要打上勾，同时要调整传感器的感应夹角和半径（不能过大或过小）。想一想，你在搭建机器人过程中，还有什么经验总结，可以跟全班同学继续交流。3）程序设计 （1）当我们完成了避障机器人的搭建后，下一步将让师生讨论实现机器人避障的程序算法，教师适当引导，以学生的回答为主导，通过讨论得到一个意识上认为比较可行的方案。师生可能的讨论结果如下：方案一：机器前进几秒，检测是否有障碍物，有就停止，没有就继续前进方案二：先检测前方是否有障碍物，有就停止，没有就继续前进，循环往复。（2）在纳英特 3D 机器人仿真系统界面中的操作方法：在主界面上选择“进入仿真 ” “选择程序栏”中选择“ 新建”选择“流程图 文件” 进入 编程软件界面（3）程序实现：“机器人避障” 程序流程图 避障机器人仿真界面4） 实践探索 小组进行合作编程序，调试，可以借鉴一下别的组的方法。分两次进行测试比赛，看哪一组方案设计得好,成功率高。其他组可以借鉴他人的经验，再次改 进自己人的机器人结构或程序。5） 拓展提高师：机器人发现障碍物后就停止了吗？是否能做一些其他解决方案，如：转弯或后退？生：以小组为单位进行自主实践研究。教师个别指导。案例分析：这是学生接触传感器的第一节课，这节课的成败对学生以后的学习是很重要的，因为若成功则可以提高学生的学习兴趣，增加更进一步学习的渴望，反之若失败则会影响学生的学习情绪，使学生失去继续学习的兴趣。本节课教学流程采用：分析任务设计机器人设计程序结构与程序调试完成任 务 五个环节来推进，课堂学习效果很好，而且为以后的学习开了一个好头。但是运行仿真的时候很多同学明明遇到障碍了，机器人还是不会停下来，原来是最后的马达没有停止造成的。这就需要教师在不断的实验中把握尺度，总结规律，也需要让学生不断的进行调试，让他们能自己总结出规律，加深记忆。2、教学案例二迷宫寻宝 实践篇教学目标：知识目标：知道机器人仿真软件的主要功能技能目标：1、进一步熟悉流程图，编写出一个较合理的走迷宫程序。2、让机器人执行自编程序，能较顺利完成走迷宫。情感目标：旨在培养学生信息综合处理能力和创新思维。教学重点：根据实际线路图，编写出合理的程序流程图。教学难点：在仿真平台中，测试自己的程序设计是否合理有效。教学准备：ST3D 仿真平台（机房版） 及客户端 寻宝地图一幅（草图）、探宝规则等教学过程1) 任 务分析师：今天我们一起研究学习共同来完成一个更有趣的任务：迷宫寻宝。这是一个比较复杂的任务，我们将花三节课时间来学习和完成。生：能介绍一下迷宫寻宝的具体规则吗？师：OK！迷宫中有很多宝藏，各种宝藏的分值各不相同。寻宝机器人统一提供给大家，同学们 有 120 秒的寻宝时间，从起点开始路途经过各个宝藏区域或进入各个房间（进入灰线有效）都可以算寻宝成功并得分。在规定时间之内到达终点，计算寻宝得分总值并排名。超过规定时间不记分。 2) 路 线选择师：你的机器人进入迷宫后准备如何寻宝？生 1：把所有的房间有路线都走一遍。生 2：尽量在规定时间内找那些分值大的宝贝。生 3：要设计一条合理的寻宝路线师：请仔细考虑寻宝路线和相应的各种宝贝的分值。生：请再根据迷宫中宝贝的分值重新