机器人模拟平台RoblockLLy在计算机科学教育中的创新应用与验证

《IEEE Transactions on Learning Technologies》：Using RoblockLLy in the Classroom: Bridging the Gap in Computer Science Education Through Robotics Simulation

　　为解决中小学机器人教育中硬件成本高、性别兴趣差异大等问题，研究人员开发了开源3D机器人模拟平台RoblockLLy，通过212名12-16岁学生的实证研究验证其教学效果。结果显示，该工具能显著提升学生兴趣与计算思维技能，尤其在低龄组中表现突出，但需关注性别差异对使用体验的影响。研究为普惠性STEM教育提供了关键技术支撑。

　　

在当今数字化时代，计算机科学教育已成为基础教育的重要组成部分，但传统教育机器人（ER）硬件成本高昂、操作复杂，尤其对资源有限的学校构成巨大障碍。此外，青少年尤其是女生对科技领域的兴趣普遍低于男生，这种性别差异在中学阶段尤为明显。如何通过低成本、易普及的工具激发学生对科学、技术、工程和数学（STEM）的兴趣，并培养其计算思维（CT）能力，成为教育技术领域的核心挑战。

为此，西班牙拉古纳大学的研究团队开发了一款名为RoblockLLy的开源3D机器人模拟器，旨在通过虚拟环境打破硬件限制，让中小学生无需物理设备即可学习机器人编程与传感技术。该研究发表于《IEEE Transactions on Learning Technologies》，通过212名12-16岁学生的实证研究，从内在动机、系统可用性和用户体验多维度评估了该工具的教学有效性。

研究团队采用Unity引擎与C#语言开发平台，集成uBlockly模块实现块编程功能，支持传感器配置、机器人运动控制及四类渐进式挑战（迷宫、白路径、彩色路径、移动平台）。平台通过网页浏览器即可访问，无需安装额外软件，并提供Android移动端应用。验证过程中，学生先后完成引导性任务（迷宫挑战）和自主任务（白路径挑战），并通过内在动机量表（IMI）、系统可用性量表（SUS）和用户体验问卷（UEQ）收集数据。

研究结果分析

内在动机（IMI）

学生普遍对RoblockLLy表现出较高兴趣（均值>4.0），但性别与年龄差异显著。12-13岁学生兴趣评分（4.50）高于14-16岁学生（4.16），且男生在“感知能力”项（I7、I9）得分显著高于女生（p<0.05），反映女生对自身技术能力信心较低。压力维度中，女生紧张感（I12）更明显，但整体压力水平较低（均值<3.0）。

系统可用性（SUS）

平台可用性评分为53-54分（百分制），属中等偏上水平。多数学生认为工具易学（I7均值3.03），但约30%需专家指导（I4均值3.31）。年龄组间无显著差异，但低龄组对功能集成（I5）和界面清晰度评价更高。

用户体验（UEQ）

pragmatic质量（支持性、易用性）和hedonic质量（趣味性、创新性）均获中性评价（-0.8≤x≤0.8）。男生在“易用性”（I2）和“趣味性”（I6）上评分更高，而14-16岁学生整体体验优于低龄组。工具的创新性（I7）和前沿性（I8）得到普遍认可。

结论与展望

RoblockLLy通过免费、易用的3D模拟环境，有效降低了机器人教育门槛，尤其适合低龄学生计算思维培养。然而，性别差异提示需优化设计以增强女生参与感，例如引入人文导向任务或女性角色模型。未来工作将扩展传感器类型、增加沙盒模式、支持Python等文本编程，并开发多机器人协作场景，进一步促进包容性STEM教育。

关键技术方法概要

研究基于Unity引擎与C#构建3D模拟环境，集成uBlockly库实现块编程转译C#代码；设计四类渐进式挑战（迷宫、路径跟踪、颜色识别、平衡平台），通过配置模块支持7种传感器（超声波、接触式、红外、颜色、陀螺仪等）；采用IMI、SUS、UEQ量表对212名12-16岁学生进行实证验证，数据分析使用Cronbach’s α信度检验与Student’s t检验（p<0.05）。