基于计算思维培养的3D仿真虚拟机器人在初中编程教学中的应用

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》明确提出倡导真实性学习的教学理念，同时建议在设计课程结构时，应充分考虑学生的学习发展规律，构建一个包含数据、算法、网络、信息处理、信息安全以及人工智能等核心要素的系统化框架。初中编程教学作为锻炼学生计算思维的关键环节，应强化学生的实践操作和创新能力。为夯实学生的信息素养与人工智能理论基础，初中信息科技课堂应当融入3D仿真虚拟机器人的教学内容。这种创新的教学方式能够使学生摆脱实体机器人的物理限制，突破空间的局限，在虚拟环境中完成各种程序任务。

一、开展虚拟机器人教学活动的优势

虚拟机器人是近年来崭露头角的机器人教育工具，也被称为软件机器人。它仅凭一台计算机便能实现机器人的组装、编程和调试全过程。以3D One AI虚拟机器人平台为例，该平台主要由三部分构成：一是用于编辑虚拟场景的地图平台，二是集模型设计与编程于一体的平台，三是用于模拟机器人运行的仿真平台。“智慧运输”项目将使用人工智能三维仿真软件3D One AI，在农业生产完成后农产品会配送到各个楼宇中，实现一个基于人工智能和物联网的物流配送系统，能够通过图像识别包裹信息，自动匹配物流资源，改进配送路径，提高物流配送的效率和正确性。该系统采用中国芯作为核心处理单元，确保数据采集、传输和处理过程的稳定性和可靠性。与传统的实体机器人教学相比，虚拟机器人教学具有以下优势：首先，它降低了硬件故障的风险，使学生无需担心实体机器人可能出现的硬件问题，从而更专注于理解机器人在程序控制下的运作机制。其次，虚拟机器人教学通过直观形象的软件界面，使算法和程序变得易于理解，有助于培养学生的数字素养和创新思维能力。最后，虚拟机器人软件提供丰富的构建组件和任务元素，为学生创造个性化、创新性的机器人设计提供了坚实基础，有助于培养学生的创新能力。

二、虚拟机器人教学实践案例

下面以3D One AI平台“智慧运输”项目中的《灰度空间》一课为例，本节课主要运用任务驱动法，以掌握“灰度传感器”的关键技术原理、使用场景与用途为主要学习目标。通过了解“巡线机器人”的应用场景，让学生能够识别“电子件”模块化编程中关于“灰度传感器”相关工具的使用，能够拆解、分析并理解“智慧社区”场景关于“灰度传感器”部分的编程内容。本课的教学过程如下：

教学环节一：情境导入

教师活动：以南方电网智能巡检机器人为例，巡检机器人可以对变电站进行智能化、全方位、无死角的巡视，以确保变电站内的安全。师：那同学们思考一下巡检机器人是如何实现自动巡逻的呢？用到了哪个传感器呢？进一步引出本节课的重点：灰度传感器。学生活动：观察思考。设计意图：通过实例展示和概念介绍，激发学生的学习兴趣，并为他们后续的学习提供背景知识。

教学环节二：任务驱动，学习新知

教师活动：任务一：巡检小车解析。工作原理：单灰度传感器小车。 一个白色高亮发光二极管与一个光敏电阻配合工作，实现了灰度值的测试功能。发光二极管发出的光线在照射到不同灰度的地面时，反射回来的光线强度各异。光敏电阻能够接收这些反射光，并根据其强度变化而调整自身的阻值。由于不同灰度导致的反射光强度差异，光敏电阻的阻值也会相应变化，从而实现了对灰度值的准确测量。这一设计原理使得我们可以有效地利用光敏电阻与发光二极管的配合，实现灰度值的精确测试（思考：双灰度传感器的工作原理）。任务二：“寻路”工具应用解析。逻辑运算符：“和”“或”。本课主要涉及到两种逻辑运算符：①和运算符（&）：只有当两个条件都为真时，结果才为真。例如，在Python中，x>0 and y>0只有当x和y都大于0时，结果才为True。②或运算符（|）：只要至少有一个条件为真，结果就为真。例如，x>0 or y>0，只要x或y中有一个大于0，结果就为True。学生活动：   1.按照教师的指导，进行灰度传感器的安装、调试和编程环境的配置，并记录遇到的问题和解决方法。 2.分组进行实践操作，练习灰度传感器的基础操作，完成应用案例实践，并在讨论中分享自己的经验和问题。3.分组进行灰度传感器的基础操作练习和应用案例实践。在实践过程中，学生会记录实验数据、分析实验结果，并撰写实践报告。设计意图：在进行程序设计之前，先进行任务分析，可以让学生明确程序设计的目的，理清楚编程思路。

教学环节三：专项训练

学生学习编写程序，并进行仿真训练。

小车的行驶状态可以分为四种情况：①小车的起始位置为位置1，使用灰度2进行巡线，灰度2在白色位置，需要靠近黑线，小车右转；②小车右转直到灰度2检测到黑线，小车需要远离黑线，小车左转；③小车左转直到灰度检测到白色，小车继续靠近黑线，小车右转；④小车重复循环，实现沿黑线前进。学生活动：1.小组合作，搭建机器人；2.学生分小组完成程序编写，并进行程序仿真和调试。设计意图：1.让每个学生都能学会编程；2.小组合作搭建和测试，培养学生的合作精神。教学环节：交流展示，总结提升。

三、虚拟机器人教学效果与分析

现随机抽取学校八年级的10位同学开展一个学期的虚拟机器人教学研究，研究发现大部分学生从无到有，能掌握编程的思维与方法；少部分学生能基本掌握编程基础；极少部分学生未能完全掌握编程的内容。综上所述，在学习虚拟机器人课程之前，学生可能对机器人的了解仅限于一些基本概念或表面知识。但通过学习虚拟机器人课程，他们将接触到更多关于机器人技术、编程语言、算法等方面的知识，从而大大扩展了他们的知识储备。随着学习的深入，学生将逐渐掌握更多高级技能，如机器人路径规划、运动控制等，这些过程将锻炼他们的编程能力、问题解决能力和逻辑思维能力。

【注：本文系深圳市教育科学“十四五”规划2023年度人工智能专项课题“基于VR技术的初中人工智能校本课程的开发与实践研究”（课题立项号：rgzn23013），广东省教育科学规划2025年度中小学教师教育科研能力提升计划项目“基于一核三阶五维的科技拔尖创新人才初中培养模式的探索与实践”（课题立项号：2025YQJK0198）阶段性成果】

责任编辑 邱 丽