[摘要]該研究以準實驗研究方法為主，結(jié)合初中信息技術(shù)教育中對程序設(shè)計模塊的教學(xué)要求，對如何運用虛擬機器人實施程序設(shè)計教學(xué)進行了設(shè)計和實踐；最后，運用問卷、訪談等方式對實施效果進行了調(diào)查。研究結(jié)果表明在信息技術(shù)課程中利用虛擬機器人教學(xué)能起到一舉兩得的作用，使學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了程序設(shè)計的基本知識也學(xué)習(xí)了機器人相關(guān)的知識，同時利用虛擬機器人于程序設(shè)計教學(xué)在一定程度上提高了學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計的興趣和動力。

[關(guān)鍵詞]程序設(shè)計；機器人教育；機器人；虛擬機器人；準實驗研究

[中圖分類號]G420 [文獻標識碼]B [論文編號]1009-8097(2010)12-0137-04

一 引言

隨著機器人教育受到社會越來越多的關(guān)注及其教育價值的逐漸彰顯，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者呼吁在課堂教學(xué)中以機器人課程的形式或與其他課程整合的方式開展機器人教育。盡管當(dāng)前的機器人競賽開展得如火如荼，但機器人課程卻仍游離于日常課堂教學(xué)之外，通過綜合分析各方因素，發(fā)現(xiàn)目前我國的機器人教育總體來說還處于起步階段。那么，如何在當(dāng)前的條件、資源、教育環(huán)境下，使機器人教育走進中小學(xué)教育?最大程度的體現(xiàn)其潛在的教育價值?尋求一種新的機器人教育載體，系統(tǒng)地研究如何將這一載體更好的應(yīng)用于中小學(xué)機器人教育中將具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。

二 相關(guān)研究

近年來，國內(nèi)外計算機教育領(lǐng)域的專家提出在計算機程序設(shè)計初級階段課程中應(yīng)用機器人作為教學(xué)輔助工具，尤其是在講授程序設(shè)計基本概念階段。一些研究結(jié)論得出基于機器入的項目有利于促進和提高學(xué)生ACM((Association for Computing Machinery)課程相關(guān)知識的學(xué)習(xí)。利用機器人開展教學(xué)利于解決程序設(shè)計初學(xué)者入門學(xué)習(xí)時遇到的常見問題，如邏輯推理和代碼編寫方面的不足。同時，學(xué)習(xí)者表示對利用機器人開展學(xué)習(xí)非常感興趣，覺得該類教學(xué)活動生動有趣。國外有關(guān)應(yīng)用機器人于程序設(shè)計教學(xué)的實證性研究不多，大部分有關(guān)機器人在教育中使用的文獻都是描述性的資料。因此，這類研究結(jié)果的可信度不高。然而運用實證研究的數(shù)據(jù)來評估機器人對學(xué)生學(xué)習(xí)影響的更少，以浙江大學(xué)圖書館為檢索源，共搜索到了3篇采用嚴格的量化研究方法的文獻。國內(nèi)有關(guān)虛擬機器人與程序設(shè)計教學(xué)相關(guān)的研究亦不多。其中一些研究都先后提及了結(jié)合機器人與程序設(shè)計的教學(xué)思想。還有部分研究者根據(jù)自身教學(xué)實踐經(jīng)驗，闡述了如何在信息技術(shù)課程中結(jié)合虛擬機器人開展程序設(shè)計教學(xué)的具體案例或?qū)嵤┙ㄗh。但上述研究都是一些理論探討或定性研究，沒有開展實證或基于教育調(diào)查的準實驗研究。

雖然相關(guān)文獻皆認為機器人或機器人模擬軟件有助于程序設(shè)計教學(xué)，但并未能提供機器人具有輔助程序設(shè)計教學(xué)成效的實證性資料?？梢姡瑱C器人教育的研究者應(yīng)該加大類似的研究，以便驗證機器人教育的實際效果，提供有效的實證依據(jù)，加速機器入教育的推廣。

三 研究方法

(一)研究樣本的選擇

本研究在2009年3月至6月在溫州第十四中學(xué)進行，研究對象是來自溫州第十四中學(xué)初三年級4個班級的同學(xué)，共計180名。鑒于初三學(xué)生已具備一定的邏輯思維和發(fā)散思維能力，能夠獨立完成一些較高要求的學(xué)習(xí)任務(wù)，而且他們也樂于接受新鮮事物，喜歡面對有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。同時，經(jīng)過小學(xué)和初中兩年的信息技術(shù)課程學(xué)習(xí)，已具備一定的信息素養(yǎng)，具備基本的信息搜索、處理和交流能力。

(二)軟件及硬件環(huán)境

本研究是在溫州十四中學(xué)的計算機機房開展準實驗教學(xué)的，硬件設(shè)施主要為計算機和網(wǎng)絡(luò)，所采用的虛擬機器人軟件則為上海未來伙伴機器人有限公司開發(fā)的一款商業(yè)虛擬機器人仿真系統(tǒng)VJC1.5仿真版。在該軟件環(huán)境中，用戶可利用光源、聲源、障礙物和彩色圖來創(chuàng)建各種環(huán)境，如房間、迷宮、排雷場地等，同時該軟件還提供了包括國際機器人滅火比賽標準場地在內(nèi)的16個現(xiàn)成的機器人競技場仿真環(huán)境。對于程序的編寫，用尸可用流程圖編寫機器人程序，系統(tǒng)自動生成JC(機器人C語言)代碼，便于讀者觀察、解釋或修改程序。該仿真系統(tǒng)能滿足一個50人的班級同時進行機器人教學(xué)與實施機器人項目，保證每個學(xué)生都能展示自己的創(chuàng)意并進行項目體驗。

(三)實施過程

根據(jù)新課標初中階段信息技術(shù)課程對學(xué)生程序設(shè)計方面的教學(xué)要求，結(jié)合實驗學(xué)校的教學(xué)實際，本研究采用VJC1.5仿真版虛擬機器人作為教學(xué)實驗工具，開展準實驗研究。教學(xué)實驗的開展以專題制作為主，安排在初三年級四個班級第一學(xué)期的信息技術(shù)課程教學(xué)當(dāng)中。本次教學(xué)實驗內(nèi)容以五個主題活動為牽引，在整個教學(xué)活動中根據(jù)主題活動難易程度的不同，采用或分組或獨立等方式讓學(xué)生完成作業(yè)練習(xí)。教學(xué)中穿插一些教學(xué)游戲和若干次競賽活動以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。教師在各個教學(xué)單元的教學(xué)過程中，依次加入程序設(shè)計相關(guān)概念、語法和機器人各部件功能模塊的操作實踐，使學(xué)生循序漸進的學(xué)習(xí)程序設(shè)計和機器人知識，并由各單元的實踐練習(xí)宋檢驗所學(xué)知識點；同時，確認學(xué)生在掌握相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，進一步拓展應(yīng)用，以便起到迅速提升學(xué)生知識應(yīng)用能力和問題解決能力的培養(yǎng)；最后，運用問卷、訪談等方式對課程實施效果進行調(diào)查總結(jié)分析。

四 研究結(jié)果及分析

本實驗是在所有教學(xué)計劃完成后開展相應(yīng)的調(diào)查以檢測教學(xué)效果，在該教學(xué)實施過程中實施的調(diào)查包括以下幾部分：①學(xué)生程序設(shè)計態(tài)度的前、后測問卷調(diào)查——旨在了解教學(xué)實驗對學(xué)生程序設(shè)計態(tài)度的影響情況；②學(xué)生對教學(xué)情況的網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查——旨在收集學(xué)生對教學(xué)活動的意見和建議；③教師的個別訪談——旨在了解教師對采用虛擬機器人教學(xué)的評價和建議。

(一)學(xué)生調(diào)查結(jié)果分析

問卷調(diào)查采用文本問卷加網(wǎng)絡(luò)問卷的形式，分兩個階段實施：第一階段在開展實驗教學(xué)之前，問卷內(nèi)容在于了解初中生對程序設(shè)計的認識和對機器人程序設(shè)計的態(tài)度：第二階段在實驗教學(xué)完成之后，在完成程序設(shè)計態(tài)度問卷的后測后，再實施學(xué)生對VJC仿真版虛擬機器人教學(xué)使用情況的調(diào)查。

1 教學(xué)實驗對學(xué)生程序設(shè)計態(tài)度影響的統(tǒng)計與分析

本研究自編學(xué)習(xí)態(tài)度問卷，問卷分為三個維度：分別是重視度(題3、4、5)、學(xué)習(xí)自信(題6、7、s)和學(xué)習(xí)興趣(題9、10、11、12)。問卷采用里克特5點計分，1表示非常不同意，2表示不同意，3表示一般，4表示同意，5表示非常同意。問卷中除第3和第4題為負向提問之外，其余題目為正向提問。項目信度系數(shù)檢測所得的克隆巴赫a系數(shù)為0.686，因為項目量少，該結(jié)果在一定程度上還是可以接受的，調(diào)查樣本共計180名，通過刪除無效問卷，根據(jù)前后測匹配原則，最后得到有效問卷155份，其中有78名男生，占503％，77名女生，占49.7％。其中學(xué)過程序設(shè)計的有25個，占16.1％，未學(xué)過的有130個，占83.9％，可見先前就擁有程序設(shè)計知識的學(xué)生還是比較少的。在處理統(tǒng)計數(shù)據(jù)時，將第3、第4兩個反向題重新計分后，采用配對樣本t檢驗比較了前、后測在三個維度上的差異(見表1)：

結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)后測的學(xué)習(xí)態(tài)度不論是從對程序設(shè)計的重視度、學(xué)習(xí)自信還是學(xué)習(xí)興趣上均比前測高，且差異都達到了統(tǒng)計上的顯著水平，表明該程序設(shè)計教學(xué)在提高學(xué)習(xí)態(tài)度方面非常有效。

2 學(xué)生對虛擬機器人教學(xué)使用情況調(diào)查的統(tǒng)計與分析

調(diào)查以網(wǎng)絡(luò)調(diào)查問卷的形式在完成教學(xué)實驗之后實施，問卷的設(shè)計是參照臺灣國立師范大學(xué)曾義智所用調(diào)查量表基礎(chǔ)上修改所得。參與調(diào)查的學(xué)生有180名，有效問卷177份，其中89名男生，約占總?cè)藬?shù)50.3％；88名女生，約占總?cè)藬?shù)的49.7％，男女生比例基本協(xié)調(diào)。統(tǒng)計結(jié)果時，依學(xué)生選填的非常同意、同意、一般、不同意、非常不同意，分別給予5、4、3、2、1分，表中的平均值即為學(xué)生該題的平均得分(保留兩位小數(shù))。以下為問卷填寫情況統(tǒng)計和分析。

(1)學(xué)生對VJC虛擬機器人操作環(huán)境的看法

從表2可知，學(xué)生對VJC仿真虛擬機器入操作環(huán)境的滿意度還是較高的(3個選項的平均值都在3.6以上)，持負面態(tài)度(非常不同意和不同意)的學(xué)生比率在6％以下。因此，VJC仿真虛擬機器人的編輯環(huán)境還是比較適合初中生使用的。(2)學(xué)生對程序設(shè)計方面學(xué)習(xí)的看法

表3是學(xué)生對有關(guān)程序設(shè)計方面學(xué)習(xí)的看法。第4、5、6題的數(shù)據(jù)表明(平均值超過3.6)，大部分的學(xué)生通過vJc編程環(huán)境的操作能很好的理解程序設(shè)計的三種基本結(jié)構(gòu)，并能掌握程序設(shè)計流程圖的制作；同時，第7、8題(平均值分別為3.94和3.83)表明，虛擬仿真機器人程序執(zhí)行的直觀形象有利于學(xué)生程序的設(shè)計。這驗證了虛擬機器人的編程方式及直觀形象性有利于學(xué)生程序設(shè)計基本知識的學(xué)習(xí)和掌握，

(3)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

表4中問卷的9－14題是調(diào)查學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。統(tǒng)計結(jié)果顯示，學(xué)生多認為在課程中獲得了成就感(第9，平均值4，03)。至于在學(xué)習(xí)動機上，由于本次教學(xué)活動自由開放，充滿新鮮感且好玩，學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)的意愿較強(第10、11、13題，平均值分別為3.81、3.73、3.73)，都表示希望以后在課程中繼續(xù)學(xué)習(xí)程序設(shè)計相關(guān)知識(第12題，平均值3.71)?？梢姡敬谓虒W(xué)實驗在一定程序上培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計的成就感，并提高了程序設(shè)計的學(xué)習(xí)興趣(第14題，平均值3.79)。

(二)教師訪談結(jié)果及分析

筆者對開展虛擬機器人教學(xué)的若干學(xué)校教師進行了訪談，訪談內(nèi)容和結(jié)果分別如下：

1訪談內(nèi)容

①您如何看待虛擬機器入輔助學(xué)生開展程序設(shè)計教學(xué)?

②您在實際教學(xué)過程中遇到的主要問題有哪些?

③根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗，請說說利用虛擬機器人輔助程序設(shè)計教學(xué)的意見或建議?

2 訪談結(jié)果

筆者通過對帶隊參加第七屆(2008年)浙江省青少年電腦機器人競賽——虛擬機器人軌跡滅火賽事的11名帶隊指導(dǎo)教師以及杭州十四中、杭附中、寧波洪塘中學(xué)、仁和中學(xué)、溫州十四中、十七中等若干開展虛擬機器人教學(xué)學(xué)校的9位任課教師(共計20名教師)進行了虛擬機器人在初中程序設(shè)計教學(xué)模塊中應(yīng)用的訪談，結(jié)論如下：在信息技術(shù)課程中利用虛擬機器人來開展程序設(shè)計教學(xué)，得到了大部分老師的認可。虛擬機器人的引入降低了程序設(shè)計學(xué)習(xí)的難度，使得程序設(shè)計知識淺顯易懂，易于掌握。它不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計的積極性，也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但部分教師認為當(dāng)前的虛擬機器人還不夠完善，在日常教學(xué)中常出錯，不利于課程的順利開展，設(shè)計上也有一定的局限性，不利于發(fā)散思維的發(fā)展和學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計能力的進一步提高，希望公司和設(shè)計者能夠?qū)⑵溥M一步完善，以便能更好的投入教學(xué)使用，取得更好的教學(xué)效果。

五 結(jié)論與建議

從整個教學(xué)實驗過程及最后的評價可以得出：在信息技術(shù)課程中，利用虛擬機器人仿真軟件進行程序設(shè)計教學(xué)或機器人教育是可行的。它能夠突出程序設(shè)計在活動中的中心位置，使“算法”變得形象直觀，提高學(xué)生對程序設(shè)計學(xué)習(xí)的投入度，有利于提高學(xué)生整體規(guī)劃能力、解決問題的能力、連續(xù)運用推理的能力、合作溝通能力；同時，它能起到降低程序設(shè)計學(xué)習(xí)難度，循序漸進，促進學(xué)生對程序設(shè)計的興趣，也有利于學(xué)生理解程序結(jié)構(gòu)，方便教師教學(xué)。但是，當(dāng)前的虛擬機器人仿真軟件在功能上還存在著一定的不足，需要不斷改進和完善，以最大程度地解決實體機器人缺少帶來的限制，如機器人提供零部件設(shè)計接口，提供環(huán)境設(shè)計的外部接口等。為了能夠廣泛推廣，該產(chǎn)品在價格上和對計算機的硬件配置要求上也需做進一步的改進；此外，如需大規(guī)模的開展機器人教學(xué)活動，單靠仿真軟件難以達到最理想的效果，機器人的軟件和硬件都是主要的，所以筆者建議可以考慮采用購買少數(shù)設(shè)備，配置仿真軟件，即“虛實結(jié)合”的方式開展教學(xué)，輔以相應(yīng)的實體或虛擬競賽。

編輯 小禾