张伟民 梁凯文 王洋

摘要：2017年以来，信息技术素养和综合素质的培养逐渐成为中小学生教育中不可或缺的一环，机器人课程因其高度的实践性是进行信息技术素养和综合素质教育的平台之一。因此，面对中小学教育教学需要，基于项目式教学法、虚拟教学的思想，提出了一種基于Unity3D与模块化教学机器人平台的课程。试点课堂教学证明，该课程为中小学生接触机器人相关知识提供了安全、便捷的途径，增加了课程的可扩展性和灵活性，为机器人课程走进中小学提供了一种解决思路。

关键词：Unity3D；模块化机器人；课程改革

中图分类号：G434 文献标识码：A

2012年，我国提出推进高等学校实验室建设和实验教学改革与创新，为创新人才创造成长环境[1]。而机器人相关技术作为一大类新兴学科，逐渐被人们所熟知，机器人相关课程也逐渐增多。另外，近些年国内机械制造业的成熟，软件工程领域算法的迅猛发展，也为利用机器人进行实践教学提供了硬件条件。但有关课程动手操作性强、知识储备阶段趣味性差、设备购买及维护成本高等特点给相关课程的各年龄段推广带来了一定的困难。

2020年，受到新型冠状肺炎的影响，全国各地中小学、高校开学时间均有所延迟。这在一定程度上对预定的教学计划产生了重大的影响，但也推动了师生对在线教育的认可。在教育部“停课不停学”的号召下，各中小学、高校纷纷开展线上教学。但由于机器人相关课程实践性强、器材依赖性大的特点，传统教具无法适应线上教学的需要。这种情况下，可以适用于远程教学的机器人教具改革显得尤为重要。另一方面，相关课程实物教学成本较高，可能存在安全隐患、课后维护消耗大，一定程度上阻碍了在实物教学，特别是中小学实物教学中的推广。然而，远程教学在知识获取，特别是实践性知识的获取方面具有严重的弊端——真实感和自然感的缺失。这导致学生无法获得实时的反馈，导致教学质量下降。

因此，将Unity3D等新兴虚拟仿真技术用于模块化机器人等教学平台的前景十分可观，并对于教学改革背景下培养学生实践能力，特别是创新能力有一定推动作用。本文在新冠肺炎疫情影响下，结合线上和线下教学，综合模块化机器人以及虚拟平台的独特优势，以项目式教学法为指导，针对中小学教学的特点，利用Unity3D技术对已有的模块化机器人进行虚拟化建模，为疫情影响下的中小学机器人课程提供了一种教学新思路，对中小学生的信息技术素养和综合素质有一定的提升作用。

（一）虚拟实验技术

与传统教学不同，在线教育是一种基于网络技术的，促进学习者自主学习的教育形态[2]。而针对中小学生存在的自制力差的特点，其完全自主的在线教育往往难以收到很好的效果。因此，势必要采用多种方式增加学生兴趣，提高课程关注度和参与度[3]。另一方面，因中小学生的前置知识水平限制，本文所探索的课程主题——机器人，针对现有部分内容对中小学生群体趣味性不足，单纯的依靠传统远程录播、直播讲解内容的形式难以达到预期教学效果。其次，中小学阶段机器人相关课程更多的偏向于动手操作的工程应用及相关知识入门，而非机器人整体知识体系框架的搭建与丰富。

在这种情况下，一种可在远程教育中使用的，能够增加课程参与度的机器人教具显得尤为重要。而针对机器人实物在携带、维护上的不便利以及对中小学生群体隐含的电气、机械隐患，本文在对现有机器人教具进行调研的基础上，选择结构多样、灵活的模块化机器人作为机器人课程教学平台。

虚拟实验技术是伴随网络、多媒体、通信、虚拟仪器、计算机等技术的发展而产生的一门新兴实验技术。玄兆燕等人早在2003年论述了虚拟实验室及传统实验室的优势，同时也指出了虚拟实验室发展的可行性[4]。近年来，随着虚拟现实技术的迅速发展，虚拟实验室、虚拟实验平台搭建逐渐普及，越来越在课程改革过程中发挥出巨大的活力，已有众多学者在该领域取得一定成果[5-8]。相比于传统课程体系[9][10]，虚拟实验教学由于其简洁、低成本等优点，必然是之后实验教学的重要发展方向[11]。另外，虚拟实验平台作为一种软件平台，在远程教育中具有巨大的潜力[12]。以本次新冠肺炎疫情为例，在以实物机器人平台为实验主体的实验课程中，由于其不满足远程授课需要，给课程展开造成了不便。而作为软件的虚拟机器人平台，则可通过互联网进行发布，进行正常教学。

（二）机器人课程

机器人的相关技术本身涉及多学科技术，硬件方面包括电力电子技术、机械结构设计、传感器技术与应用，软件方面包括运动控制算法、人工智能深度学习、多传感器数据处理等。现代的机器人是人们生活中必不可少的帮手，机器人相关课程也成为当前各阶段学校的热点课程。

机器人平台的选取是机器人相关课程教学当中最重要也是最困难的一步。机器人课程设计要能够吸引学生的兴趣，达到不断提升学生的科学素养、创新意识和综合实践能力的目的[13]，让学生认识到技术发展对于人类社会的影响，树立正确的科技观[14]。而我国生产和销售各品类机器人产品的厂家已超过一万家，每种品牌各有优劣。面对中小学的机器人课程需要教具体积小、操作简便、携带简单、功能多的特点，本文采取模块化机器人作为备选教具。

模块化机器人由简单且功能类似或完全相同的零部件组成，这些零部件就是“模块”。模块可以通过改变自身的状态和形状以适应外部工作环境或与人交互的需要[15]。相比其他种类的机器人适应性不强，只能完成单一任务的特点，模块化机器人因其方便拆解特点，更适合成为教学用具。而相比传统的书本教学，实验教学对学生综合素质的提高，对学生理论联系实际品格的塑造，对学生创新精神与实践能力的培养，具有重要作用[16]。

根据机器人重构方式的不同，可将模块化机器人划分为可重构与自重构两种类型。其中，可重构模块化机器人是由外界干扰，通过人为的方式摆出各种造型，以实现不同的运动功能。自重构模块化机器人则是利用模块自主的运动能力以及模块间的特殊机构便于自主运动时连接[17]。

在传统线下教学中，受实物成本、维护成本、运输条件等限制，學生往往无法人手一套进行操作，影响到了学生对于课程的参与度，也不利于其对于模块化机器人的便利性、适应性的认知，也偏离了实验课程所注重的实践原则。另外，面对机器人这一整体而复杂的对象，中小学学生存在整体认识不足、知识储备不够的问题，知识水平不足以达到进行整体系统学习的要求，因此，根据学生知识水平分阶段教学是一个较好的解决思路[18][19]。最后，对中小学生群体来说，机器人实物电气、机械结构在运行时具有一定安全隐患，带来了一定的危险性。因此，从改进传统线下教学的角度出发，设计一款虚拟仿真机器人平台教具对于满足课程教学需要与激发学生科研兴趣是十分必要的。

综合疫情背景下线上线下教育相结合的需求和传统机器人课程的改革思路，本文基于Unity3D对选用的模块化机器人进行了虚拟化建模。通过研究模块化机器人的控制系统原理，结合其构型方式、控制特性设计一种图形化人机交互系统，能够通过拖拽图元的形式完成模块化机器人的拼装与动作编程，并实现多模态下机器人的实时通讯控制。在底层编程的基础上，通过上位机人机交互系统，开放自定义接口，有助于相关课程的顺利进行。

总体上看，本文所提出的基于Unity3D模块化拼装教学机器人平台能够有效地缩短开发周期，将课程更好地集中于对学生创新思维、编程及协作能力的培养。同时，相比线下课程，本文提出的虚拟教学平台在长期疫情防控背景下机器人课程的远程教育、课程拓展等方面具有更多的应用推广前景，具有更大的优势。另一方面，模块化机器人较低的价格也为其走进每个家庭提供了可能，这也进一步的提高了配套课程的授课效果。为配套课程打破疫情等带来的地理隔离，取得与同线下教学相同甚至更高的教学成果提供良好条件。

本文所设计的模块化机器人虚拟平台立足于远程在线教学中现有机器人课程所需的机器人平台携带不便、存在安全隐患的现状，着眼于解决当前新冠肺炎疫情带来的远程教学中学生注意力易分散、课程参与程度低、难以动手实践的问题。为中小学机器人入门课程提供了一个基础的模块化机器人虚拟平台，避免中小学教学中实物教学的弊端。在软件平台上进行相应操作即可完成实验目的，提高了效率和操作的安全性[20]。因此，根据实验教学要求，对本软件进行相应分析。

本文所设计的虚拟模块化机器人教学平台的功能结构，如图1所示。仿真平台基于Unity3D环境搭建，分为显示、交互及控制三个部分，以及仿真平台与实物机器人平台的通信部分。用于远程在线教学的虚拟模块化机器人主要由前三者组成，用于充分利用互联网、5G等通信传输手段实现便捷传播，并在上课过程中通过即时通讯软件进行实时操作，充分调动学生上课的积极性、主动性，提高课程参与感和授课质量。在完成设计功能的同时，本虚拟教学平台设计有机械模型库，预置了基本的臂部关节、腿部关节、轮式底盘等各类基本模块，并且开放接口，可以自行设计添加功能模块。另外，功能上教师也可以根据授课需求基于项目式教学法在项目教学的基础上选择“虚拟拼装”“实物操作”以及“整体布局”三种任务模式。对本虚拟平台进行二次编程开发，通过分阶段教学充分启发学生的创新思维。

（一）需求分析

根据疫情期间线上线下相结合教学示教教具的具体功能需求，以及机器人课程自身所需要的动手操作性这一情况，整个仿真系统需要四个功能模块：交互模块、通信模块、控制模块及显示管理模块。

1.交互模块

（1）通过点击界面中按钮来控制整体的操作逻辑，包括生成关节、删除关节、关节转向、控制手臂、控制不同的底盘、改变串口端口参数设置等；（2）通过拖动滑块实现对模块化关节的无极控制；（3）通过拖动生成的模块化关节实现不同模块化关节的拼装。

2.通信模块

通信模块主要包含三个部分，分别负责虚拟交互界面中模块化机器人的控制录入，交互界面将用户操作转化为与下位机控制器的通信协议，以及下位机主控制器与模块化关节的通讯转化。该模块在程序中内置，根据课程需要对学生开放，以达到更加灵活的授课目的。

3.控制模块

控制模块主要依靠交互界面实现，包括模块化关节的轨迹规划和运动控制。通过界面上直观的键鼠操作，以可视化的形式展示模块化机器人的预定动作。相比实物机器人控制编程的无界面操作，本软件所采用的控制模块更加安全、简便：通过拖动滑动条的方式，实现虚拟界面和实体机器人的联动；通过填补文本框的形式对模块化关节可运动角度进行调整设定。

4.显示管理模块

显示管理模块通过将实物模块化机器人教学平台建立三维图形的形式，实现了模块化机器人的虚拟化，从软件上实现了示教平台的构建。同时，通过虚拟模块化机器人教学平台和仿真交互界面的联合操作、显示，实现了实时仿真、同步显示。

（二）界面设计

该上位机人机交互系统的界面设计主要分为四个部分。

1.位于窗口主体左侧的功能区。主要包含常用功能的按钮，如“生成关节”“删除关节”“关节转向”“改变串口端口参数设置”“控制手臂”“控制底盘”等；

2.位于交互界面中部的机器人主体是虚拟模块化拼装机器人。常驻显示中间的主体壳外壳，通过点击不同的按钮以及拖动滑动条，可以连接通讯模块实现虚拟机器人的模型显示与实体机器人运动控制；

3.在某一确定类型模块化机器人（双足机器人、轮式机器人、履带式机器人等）拼装完成后，通过按键盘Z键可在当前鼠标所在位置生成对于某条“模块化关节手臂”的相关控制面板；

4.对于特殊的底盘履带式和轮式，设有不同的控制面板，面板包含前进、后退、转向按键，通过输入不同的代码来切换底盘，通过输入数值控制底盘运转的速度。

（三）软件设计

本文所设计的虚拟模块化机器人实验平台软件系统选用Windows 10操作系统作为程序的开发和运行环境，利用3D Max和SolidWorks进行模型的构建和格式转换，使用C++语言对下位机主控制板STM32算法进行编程调试，使用C#语言在Visual Studio的环境下对上位机图形化人机交互系统的算法进行编程，在Unity3D软件环境下对模型和算法的功能进行调试。

软件开发主要包括两部分任务：通过软件仿真的形式，操作者可以自由拼装模块化机器人，并实现虚拟仿真和实体机器人联合共同运动；通过开放一些自定义接口，以滑动条和文本框的形式让操作者间接接触底层架构，实现教学的目的。该软件的工作流程如图2所示。

首先启动主程序“模块化教学机器人”。随后，在控制区可点击生成关节1（长关节）或关节2（短关节），可在当前鼠标的位置生成虚拟化的长关节和短关节，将鼠标放在对应的关节模块上，点击鼠标左键即可进行拖动，可根据教学中布置的教学需求，将两种关节随意在主体机壳上拼装，并在后续通过输入控制端口等信息进行实物控制。

按照教学需求拼装完成后，点击“拼装完成”按钮，即可完成拼装环节。此时交互模块中拼装功能锁死，通信模块开始处理协议。在交互界面中，鼠标右键选定所需控制的模块（机械臂、腿或轮式移动底盘等），按下Z键即可在不影響观看仿真效果的当前鼠标位置上生成该条手臂的控制滑动条和舵机编号文本框。

在线下模块化机器人实体拼装完成后，查看各舵机编号。在交互界面中相应舵机位置输入机器人实体对应的舵机号，鼠标拖动滑动条即可完成虚拟模块化机器人与实体模块化机器人的同步控制。特别的，对于模块化机器人腿部控制及底盘控制，需要点击左侧控制区域的控制左右腿和底盘的按钮，即可调出腿和底盘的控制表，通过输入相应代号、行进速度并点击按钮即可完成对整体模块化机器人的控制。

对于初步线上教学，无法完成与模块化机器人实物通信控制，会对教学效果造成一定影响。针对这一点，可利用即时通讯软件在教师端进行操作，即在教师发布课程任务、学生完成相应操作后，学生远程利用教师端PC机完成对实物机器人的控制。

（四）运行效果

为了提高机器人操作的真实程度、激发学生兴趣、提高学生参与度，进而提高教学质量，本文所设计的虚拟模块化教学平台利用简单的模块进行机器人搭建，并就机器人模块显示做出可修改添加及优化，即教师可根据教学需求，自行或启发学生对虚拟模块进行建模。以实例模型为例，虚拟模块化机器人拼装、控制测试和仿真软件与实体模块化机器人的联合运动方面测试效果如下。

1.虚拟拼装测试

如上文所述，模块化机器人最终构型可以根据教学需要与目的进行改变，如根据作业任务需求，将轮式底盘与机械臂组合，对机器人可达空间进行分析以达到作业目的；或根据仿人形机器人来对机器人结构布局调整，以达到实物仿人形机器人可以行动而不至于倾倒的目的。

2.虚拟运动测试

在完成机器人结构的拼装后，点击“拼装完成”按钮完成机器人拼装任务，进入虚拟控制与通信协议生成任务。此时，根据机械臂长度不同，生成舵机相应数量的滑动条，拖动滑动条即可完成各“手臂的虚拟运动”，此时软件自动根据底层算法进行运动计算，并根据通信协议准备进行通信。为检验模型、算法是否正确，可利用串口软件进行模拟通信，在虚拟运动测试通过后，方可进行下一步联合运动测试。

3.联合同步运动测试

在拼装完成且通过虚拟运动测试后，可将虚拟仿真平台与模块化机器人实物进行链接，进行联合运动测试，如机械臂控制、轮式底盘控制及腿足部控制等。

2017年，教育部发布的《中小学综合实践活动课程指导纲要》中指出，要以学生的真实生活和发展需要设计综合实践活动课程，要从学习者在实际生活中发现的实际问题出发，通过引导学生探究、体验、制作等多种形式设计课程，培养学生的综合素质[21]。此外，2020年起，因新冠肺炎疫情影响，各地中小学及教育机构都需要面对因疫情影响随时会将课程从线下移到线上的情况。本课程遵循“培养学生综合素质”的原则，以“项目教学法”为核心理念，通过一系列的体验和教学设计加强学生对于机械拼装以及浅层程序逻辑知识的理解和学习。以设计的教学平台为载体，通过设置单人独立、多人写作和原理逻辑解读等环节锻炼学习者的独立学习思考、小组沟通协作以及逻辑表达能力。在面对突发的疫情时，因图形化上位机虚拟化的形式优势，可以方便得快速从线下转为线上而不影响正常的教学进度。

（一）课程内容定位与目标

1.课程定位

近年来，随着互联网和人工智能技术的飞速发展，学生的求学就业方向的成功道路透明化以及课下辅导机构的专业体系化，越来越多高等级高层次的知识课程提前下放，如编程的理念和知识已经在一、二线城市的中小学普及开来。机器人教育正是新课改中将信息技术与各学科课程进行整合的落地实践，本文提到的以Untiy3D和模块化教学机器人为平台的课程作为一项综合实践活动课程，旨在引导学习者在学习过程中利用信息技术的手段丰富学识，在动手实践过程中锻炼信息素养。

2.课程目标

（1）理论学习。软件层面：学习者需掌握模块化拼装机器人舵机间控制通讯原理、主控制器与舵机、与上位机之间的通讯原理与逻辑；Unity3D中组件类的嵌套关系、事件函数的执行机制；模块化关节虚拟运动算法，关节起点终点同步，角度换算；模块化关节库的生成、拖动、碰撞检测和关键控制变量的改变存储方法。硬件层面：学习者需掌握舵机的选型原则，该模块化机器人所使用的舵机参数及相关优缺点；舵机、主控制器与上位机的接线方式；通讯的指令包形式；各个模块化关节的固定与连接等。

（2）实践方法。本课程在实践教学中主要通过机器人拼装、调参到同步运动的方式实现。在实际拼装的过程中，培养学习者的动手能力和行为习惯，通过自由拼装的形式培养学习者的创造思维；在运用程序虚拟拼装的过程中锻炼学习者的逻辑能力；在“项目式教学法”中的小组协作任务中，提高学习者交流沟通相互协作的能力；在总结汇报的过程中，锻炼学习者总结归纳和语言表达的能力。

（3）综合素养。学习者通过机器人课程的学习，了解不同种类的机器人在生活中的实际应用和机器人的通用工作原理；在实际拼装和虚拟拼装过程中，培养学习者的创新意识，引导学习者对科学技术的好奇心；在各类实际操作问题的解决中，锻炼学习者独立思考和协作配合解决实际问题的能力；在总结汇报的过程中，培养学习者的批判思维和多角度看待问题的能力。

（二）课程教学内容与活动

本课程主要面向中小学生，针对不同的年龄段开放不同等级和内容的课程。根据皮亚杰提出的认知发展理论，中小学阶段（6、7岁—11、12岁）正处于具体运算阶段，这个阶段年龄段的学习者已经可以在心理进行一些抽象的概念，但思维活动仍然需要具体内容的支持。因此本课程内容设计从具体的生活以及学习者们能接触到的内容着手，从实际问题和项目出发。以生活化的内容为主线，设计教学项目，使学习者能够沉浸并深层次参与到课程中。

1.课程内容

（1）课程核心内容。基于Unity3D和模块化拼装教学机器人平台的中小学课程内容按照从硬件到软件，从简单到复杂的流程设计。整个课程内容共分为三大部分，通识部分、硬件部分和软件部分。通识部分包含整套课程的背景应用简单介绍；硬件部分包含下位机硬件的原理和基础知识；软件部分包含下位机的运动控制算法、上下位机间的通讯以及图形化上位机的运行流程具体算法。整体课程以生活中实际的应用问题入手，以项目式教学法为基础，将生活中某个具体的应用项目打包交由某个项目组的学习者自行处理，由教师作为所有项目的顾问，对所有项目进行指导和答疑。

（2）项目式打包设计。根据实际生活中的应用、学习者水平层次的不同以及实际教学需求，本课程将核心内容封装成以下几个项目。其中5个项目共有的内容为：认识简单的机械拼装结构；了解简单的机械传动方式；了解初步的机器人运动控制方法；初步认识STM32控制板；Unity3D软件入门；C#语言入门；虚拟运动和拼装算法知识；步态运动联动调试，剩余课程独立内容设计如表1所示。

2.教学活动

本课程的教学活动从以下几个流程为主线，课程导入，理论知识学习，组内协同完成作业，总结汇报进行了设计（如图3所示）。这充分体现项目式教学中以学习者为主体的原则，组内协同完成作业的过程中给学习者提供了一个自主学习的环境，学习者从以往的被动的知识的接受者变成知识的使用者，在项目中对学习到的知识进行探究、协作处理，参与到信息技术素养的提升中来。选取的项目主题内容贴合生活已有内容，让学习者沉浸在课堂中并意识到自己是课堂的主人，设置的不同难度的项目也能让学习者在完成项目的同时提高获取、加工和处理信息的能力。

（三）课程评价原则与方法

1.课程教学评价原则

（1）以学习者为主体。本课程在设计之初的目标就是让学习者在学习过程中提升信息技术素养和综合素养，因此课程的评价要以学习者为中心，要充分考虑到学习者作为个体所具有的不同的性格和思维特点。

（2）从实际出发。本课程旨在课程设置的动手过程中体验学习科学技术知识，提升科学技术素养。在评价体系中重要的是学习者在过程中所体验领悟到的知识，因此在评价中教师要从实际出发，更多的关注过程中学习者的领悟，而非用结果和效果的优劣作为判断成绩的标准。

（3）多方面评价。在课程授课中，教室不是一言堂，每位学习者的个人状况教师不可能完全地掌握了解到。因此教师个人单独的评价往往不具有通用性，在课程的评价过程中要将家长的评价纳入评价体系中，从不同的角度对课程的教学成果和学习者的学习成果进行评价。教师和家长之间相互促进、相互改进，从而教师可以及时调整授课方式，保障教學效果。

2.课程教学评价方法

（1）学生自评。学习者对照课程制定的评价指标如理论学习、课堂听讲、合作交流等方面进行自评，在整个课程结束后对自我形成一个综合评价，有助于学习者养成良好的自律习惯。

（2）组间互评和组内互评。通过组间互评的方式让学习者以批判性思维综合评价各个组的作品，培养学习者发现事物优缺点的能力；通过组内互评帮助学习者培养正确的合作协作态度，保障组内每位学习者的参与度。

（3）成长记录卡评价。在课程的每个阶段通过设置档案卡的形式由教师或者课代表记录每组每位学习者的课程学习过程，作为学习者整个课程学习的记录，最终辅助整体课程评价。

（一）课程实践前期准备

1.课程实践目标

课程实践的目标是对基于Unity3D和模块化拼装教学平台所涉及的课程进行效果检验，主要包括设计的课程内容是否适龄学习，能否达到预期效果。

2.课程实践方案

（1）面向对象。本次课程实践对象为西北某中学的初中生和北京某中学的小学生，初中生课程容量为30人，小学生课程容量为40人。

（2）课程设置。初中生和小学生班级课程授课均采用课余教学模式，利用中小学生的课余空闲时间进行综合素质的课程教育，每周进行一次授课，每次授课4学时，每学时45分钟，依照设计好的项目进行分组和课程进度推进。

（3）课程管理。为保证课程的授课效果，在课程内容开始教学之前，需要对学习者进行机器人基础材料的认识教学，并强调课程教学期间要注意小组合作、禁止打闹、提问举手、爱惜保护模块化机器人教学平台的零件、相关零件在拼装完成后放回位置、有不懂的地方及时向老师和助教寻求帮助等。

（二）课程实践效果分析

基于Unity3D和模块化拼装教学平台的课程经过陕西某中学和北京某小学各16周的教学实践，为满足不同阶段的教学需求，课程的教学内容和代码分层级难度教学。授课教师根据教学实际需要进行版本选择，从提高学生兴趣入手逐步深入，涉及结构、通信、控制原理，为中小学生建立基础而全面的机器人体系架构提供一个有力工具。

本课程所设计的基于项目式教学法的模块化机器人教学平台以5个预设好的项目为依托，根据授课需要完成“虚拟拼装”“实物操作”以及“整体布局”三种不同任务模式。“虚拟拼装”模式为学生个性化扩充功能提供可能：教师通过布置机器人作业任务，如运输、越障等。学生根据实际任务需求，根据已有机器人功能模块、结构模块进行设计。“实物操作”模式则开放更多接口：开放动作编程，可自定义定制一系列设定动作，并可根据需要开放通讯模块、控制模块的部分内容。“整体布局”模式对机器人整体控制、通讯、动作进行完全控制，以适应更加深入的教学需要。

通过这种方式，将中小学生这一相关知识不足的群体引入机器人相关领域，为分层次教学提供了便捷的途径，为中小学生信息技术素养和综合素质的培养打下了坚实的基础，为疫情期间保证远程实验教学提供了新的思路，获得了师生们的一致好评。

本文结合本次新冠肺炎疫情所造成的机器人相关课程对远程教学的新需求，结合当前编机器人课程存在的问题和发展趋势，设计了一款针对中小学生这一特殊群体的入门用机器人实验示教用具和图形化人机交互系统。通过Unity3D实现了虚拟教学，克服了疫情影响线上线下相结合教学困难的同时，提高了学生的平均操作时间，节约了授课成本与维护成本，提高了实物机器人的使用效率和操作安全性。另外，该实验教具成功将“模块化机器人虚拟化教具”这一概念具体化，通过实际作业场景需要进行项目教学。另外本虚拟教学平台的开放添加的机械模型库，通过预置模型和自建模型的组合，进一步增加课程的可扩展性和灵活性。以启发创造性、贴近实用性为出发点，培养学生对于机器人的兴趣，利于学生增强创新能力、互动能力和团队协作能力。试点教学证明，本文所设计的虚拟模块化机器人教学平台可以在远程教学中较好地吸引听课学生兴趣，完成预定的教学任务，有效的在课程中提升中小学生的信息技术素养和综合素质。

参考文献：

[1] 关于开展“十二五”高等学校实验教学示范中心建设工作的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201203/ t20120315_133068.html，2012-03-15.

[2] 董偉，张美等.基于用户体验的在线教育平台学习效果影响因素研究[J].中国远程教育，2020，（11）：68-75.

[3] 丁兴富.远程教育学[M].北京：北京师范大学出版，2009.

[4] 玄兆燕，常秀辉等.基于虚拟技术的计算机辅助教学[J].中国仪器仪表，2003，（4）：8-9.

[5] 王娜，徐鲁雄.基于Unity 3D的计算机网络虚拟实验室建设研究[J].实验技术与管理，2016，33（9）：242-245+252.

[6] 李晓峰，薛小荣等.基于Unity3D的矢量网络分析仪虚拟实验系统的设计与实现[J].实验技术与管理，2019，36（4）：134-137.

[7] 熊巍，何蔚珊.基于Unity 3D的化学虚拟实验系统设计与实现[J].实验技术与管理，2020，37（2）：28-31.

[8] 秦超龙，宋爱国等.基于Unity3D与Kinect的康复训练机器人情景交互系统[J].仪器仪表学报，2017，38（3）：530-536.

[9] 曹宇，刘燕等.关于高校实验教学改革的几点建议[J].教育教学论坛，2016，（30）：279-280.

[10] 范公广，刘永萍等.国家级实验教学示范中心实验教学体系的探索与实践[J].实验技术与管理，2013，30（2）：134-136.

[11] 宋象军.虚拟实验室在高校实验教学中的应用前景[J].实验技术与管理，2005，22（1）：35-37+47.

[12] 叶步伟，马德俊.虚拟实验技术及其在远程教育当中的应用[J].继续教育研究，2011，（6）：79-82.

[13] 曹阳，孙松丽.应用型本科机器人工程专业课程体系改革与探索[J].高教学刊，2019，（12）：41-43.

[14] 蒙庆华，蓝日海等.机器人教育校本课程开发探究[J].教学与管理（理论版），2019，（5）：90-92.

[15] Bing W，Zhen J.Review on the status and development of modular reconfigurable robot technology [J].Mechanical & Electrical Engineering Magazine，2008，（5）：1-4.

[16] 王羽麟.可重构软体模块化机器人研制及其运动控制研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2018.

[17] 吴文强.可重构模块化机器人建模、优化与控制[D].广州：华南理工大学，2013.

[18] 张波涛，王坚等.机器人技术的实验教学改革与实践[J].实验技术与管理，2017，34（3）：199-201+205.

[19] 卢亚平，刘和剑.应用型本科工业机器人实验室建设研究和管理理念探索[J].实验技术与管理，2019，36（11）：270-273.

[20] 易珂.嵌入式GUI技术及其在工程机械控制系统中的应用研究[D].长沙：湖南大学，2008.

[21] 中华人民共和国教育部.教育部关于印发《中小学综合实践活动课程指导纲要》的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/ s8001/201710/t20171017_316616.html，2017-09-27.

作者简介：

张伟民：研究员，博士，研究方向为机器人定位导航、室内机器人服务应用。

梁凯文：硕士，研究方向为目标检测。

王洋：硕士，研究方向为多传感器融合与定位。

Curriculum Reform Practice Based on Unity3D and Modular Teaching Robot Platform

—A Case Study of Robotics Courses in Primary and Secondary Schools

Zhang Weimin， Liang Kaiwen， Wang Yang（Key Laboratory of Biomimetic Robots and Systems， School of Mechatronical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081）

Abstract： Since 2017， the cultivation of information technology literacy and comprehensive quality has gradually become an indispensable part of primary and secondary school students’ education， and the robot course is one of the platforms for information technology literacy and comprehensive quality education due to its high practicality. Therefore， in the face of the education and teaching needs of primary and secondary schools， a curriculum based on Unity3D and modular teaching robot platform is proposed based on the idea of project-based teaching method and virtual teaching. The pilot classroom teaching proves that this course provides a safe and convenient way for primary and secondary school students to contact robot related knowledge， increases the scalability and flexibility of the course， and provides a solution for the introduction of robot courses into primary and secondary schools.

Keywords： Unity3D； modular robot； curriculum reform

責任编辑：李雅瑄

3837500589201