火星任務模擬

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火星任務模擬

「Kodu 火星任務模擬」課程內容，設計的 6 小時課程大綱：

Kodu 火星任務模擬：6 小時課程設計大綱

課程目標： 透過 Kodu 遊戲實驗室，引導學生（10-14 歲）設計模擬火星環境，並程式設計火星探測車進行自主探索，培養科學、計算機科學、工程及 21 世紀學習技能。

目標學員： 初級編程者（10-14 歲）

所需時間： 6 小時

第 1 小時：引導與火星地形塑造 (Engage: Mars Simulation)

  • 目標： 激發學生對火星探索的興趣，並學習 Kodu 基本地形編輯工具。
  • 活動內容：
    • 1.1 課程介紹與破冰 (10 分鐘)：
      • 歡迎與課程簡介，激發學生對火星探索的想像。
      • 簡要介紹 Kodu 遊戲實驗室及其在遊戲設計中的應用。
    • 1.2 火星登陸點探討 (20 分鐘)：
      • 介紹火星可能的登陸地點，討論各點的優缺點（如地形、科學價值）。
      • 學生小組討論並選擇一個他們感興趣的火星登陸地點。
    • 1.3 Kodu 環境建立與地形編輯 (30 分鐘)：
      • 指導學生啟動 Kodu 並建立新世界。
      • 教授 Kodu 的基本地形編輯工具（升降、平整、繪製地形、加入水域等）。
      • 學生根據選定的登陸點，嘗試在 Kodu 中模擬塑造火星地形。

第 2 小時：探測與地形理解 (Explore: Terrain Editing and Rover Programming)

  • 目標： 學生進一步熟悉 Kodu 地形編輯，並初步接觸探測車程式設計概念。
  • 活動內容：
    • 2.1 進階地形建模與地貌識別 (30 分鐘)：
      • 回顧上節課的地形編輯技巧。
      • 指導學生模型化更多火星地貌（如隕石坑、峽谷、火山等）。
      • 討論地貌形成與岩石礦物發展的關係。
    • 2.2 預設「火星任務模擬」世界探索 (30 分鐘)：
      • 引導學生載入並探索一個預先設計好的「火星任務模擬」世界。
      • 讓學生以「駕駛員」和「導航員」的角色，分組合作，觀察預設探測車的行為。

第 3 小時：地貌與程式邏輯解析 (Explain: Landforms and Rocks Explained)

  • 目標： 學生理解探測車控制原理，並學習將自然語言轉化為程式邏輯。
  • 活動內容：
    • 3.1 火星地貌與岩石介紹 (20 分鐘)：
      • 深入講解火星主要地貌的特徵及其形成過程。
      • 介紹火星上可能存在的岩石類型及其重要性。
      • 討論如何在 Kodu 中呈現這些地貌特徵。
    • 3.2 探測車控制與程式基礎 (40 分鐘)：
      • 講解探測車如何透過感測器和程式指令進行控制。
      • 介紹 Kodu 的程式設計介面和基本指令（如移動、偵測、行動）。
      • 透過案例分析，學習將簡單的自然語言描述（例如：「當看到岩石時，停止並拍照」）轉換為 Kodu 的程式碼邏輯。

第 4 小時：任務模擬與程式實踐 (Elaborate: Mars Mission Simulation - Part 1)

  • 目標： 學生開始建構自己的火星探測模擬場景，並程式設計探測車。
  • 活動內容：
    • 4.1 選擇與研究登陸點及周邊地貌 (30 分鐘)：
      • 學生再次確認他們選定的火星登陸點，並進行更深入的研究。
      • 規劃如何在 Kodu 世界中建模選定地點及其周邊的地貌。
    • 4.2 火星探測車程式設計入門 (30 分鐘)：
      • 指導學生在他們的世界中添加一個探測車（Kodu 物件）。
      • 教授探測車基本的移動程式碼（如向前、轉彎、避開障礙物）。
      • 學生開始為他們的探測車編寫簡單的自主移動程式。

第 5 小時：進階程式與任務定義 (Elaborate: Mars Mission Simulation - Part 2)

  • 目標： 學生完成探測車的進階程式設計，並定義具體的探測任務。
  • 活動內容：
    • 5.1 探測車進階程式設計 (40 分鐘)：
      • 教授更多 Kodu 程式設計指令，如「當...時，做...」、「如果...則...」。
      • 指導學生為探測車添加更複雜的行為，如：
        • 偵測並收集特定「岩石」或「樣本」。
        • 記錄路徑或發現。
        • 回應環境變化（例如：遇到水域則繞行）。
      • 學生將自然語言的任務目標轉換為 Kodu 程式碼。
    • 5.2 定義火星探測任務 (20 分鐘)：
      • 學生根據他們的世界設計和探測車能力，定義一個具體的火星探測任務（例如：尋找某種礦物、繪製區域地圖、到達特定地標等）。
      • 確認探測車的程式碼能夠支援其任務目標。

第 6 小時：成果展示與反思 (Evaluate: Presentations)

  • 目標： 學生展示他們的火星任務模擬，並反思學習過程。
  • 活動內容：
    • 6.1 最終調整與準備 (15 分鐘)：
      • 給予學生時間進行最後的程式碼調試和場景完善。
      • 提供工作單或引導問題，幫助學生準備展示內容（登陸點選擇原因、地貌、岩石類型、程式設計邏輯等）。
    • 6.2 火星任務模擬成果展示 (35 分鐘)：
      • 學生輪流展示他們的火星任務模擬作品。
      • 解釋他們選擇登陸點的理由、遇到的地貌、發現的岩石類型以及探測車的程式設計邏輯。
      • 回答老師和同學的提問。
    • 6.3 總結與反思 (10 分鐘)：
      • 老師對學生的努力和成果進行總結和肯定。
      • 引導學生反思在課程中學到的知識、技能和遇到的挑戰。
      • 鼓勵學生未來繼續探索遊戲設計和程式設計。

參考資源：


數位科技 電腦科學 科學

學習程式設計模擬火星環境並編寫以自主探索火星。

https://www.kodugamelab.com/worlds/?sortBy=date&q=mars%20map



先決條件

學習目標

  • 學習空間科學詞彙
  • 學習電腦科學詞彙
  • 了解火星著陸點。
  • 了解如何在火星地形上建立3D 模型。
  • 學習編寫探測行車方式。
  • 根據標準和約束進行模擬學習。
  • 學習展示火星專案的模擬和基本原理。

內容

學生活動

步驟1參與：每個火星模擬
學生將看到多個可能的作品陸點。學生將權衡站點的優缺點並支持他們對特定站點的。學生將使用Kodu學生將成為決定探測火星任務設計初始階段的科學家和工程師。他們必須先模擬著陸點、火星定位火星車在火星上將進行的活動。穿越模擬，了解將火星車的移動和活動的規劃、構成火星的視線以及在火星上定位尋找地。
主題：科學、電腦科學、工程、21世紀學習如何

步驟2探索：編輯與漫遊駕駛設計
學生將選擇前景（火山口、山脈、火山、峽谷、古河床/湖泊等）進行建模。學生將圍繞不同類型的岩石類型和礦物（火山岩、沉積岩）沉積物在不同的上方來展示它們是如何形成的。學生將探索並運行以下世界：「火」學生在一台電腦上與多人合作，並採用一種稱為「佈局規劃設計」的方法。一名學生將擔任「所有權」。駕駛者是唯一接觸鍵盤和控制器或控制器的人。另一名學生是「領航員」。導航員提供建議、指導他們評估評估以及各地的圖紙。應該在整個教室期間每個人都參與其中 5到10分鐘切換一次，讓兩個學生扮演不同的角色。
主題：科學、電腦科學、工程、21世紀學習

步驟3解釋：視線和岩石解釋
學生將明確，車探測依賴來自地球上的科學家和工程師的一組電腦命令，他們規劃探測車到他們認為可以做出最大發現的位置的路線。任務團隊利用地球上的大型通訊天線將這些複雜的計劃貫穿行運送到火星上的布雷，告訴布雷去哪裡、時角如何感知沿著路徑的危險，然後這些天線將這些日常指示發送到火星上的布雷。討論深度和概覽等建設性和破壞性力量如何隨著時間的整合和改變姿勢。學生合作識別特定的重要特徵，並使用科杜的行動編輯工具進行建模。
主題：科學、電腦科學、工程、21世紀學習

步驟4詳細說明：火星任務模擬
學生將完成對火星在火星上的經歷的模擬。學生將繼續完成感興趣的文章陸點選擇，從四個可能的選擇中研究並選擇一個著陸點。學生將模擬Kodu 文章中的陸點和周邊地區。學生將另外的前景來模擬週邊地區。前景應該是混合地貌，學生可能會發現火山岩或沉積岩。學生將把火山岩和沈積岩放置在附近適當的位置。雖然這些地方在火星上可能存在也可能不存在，但存在這些地方的讓學生有學生將扮演科學家和工程師團隊，負責火星探測車的去向和每天要做的事情。學生將把他們的過程自然翻譯語言變成科杜 學生使用動探測車進行編程，並設置對沿路徑的岩石執行。
主題：科學、電腦、工程、21世紀學習

績效期望

步驟5評估：示範
使用Sway或PowerPoint學習成果，學生協作向班上同學展示他們的作業。建議使用中央投影機或顯示器來承載他們的Kodu世界。學生將他們的展示模擬並解釋火星車著陸點的原理、面臨的前景、有關這些視線的其他資訊、發現岩石展示類型以及火星車的方案設計學生。將完成（C）火星任務模擬演示工作表。在工作表答案的支持下，學生將解釋他們在模擬中做背後的原理。

技能

品格、公民意識、協作、溝通、創造力、批判性、基於專案的學習


這套課程是由
NASA的噴射推進實驗室(JPL)與微軟聯手設計的
它的核心是使用一個名為COD Gamap 的工具。

COD遊戲地圖：

•
這是一個3D 的遊戲環境。

•
它也是一種景觀化的規劃工具。

•
學生可以透過拖曳圖的方式下指令，不需要寫難的程式碼。

•
聽起來比較容易上手。

這門課程的目標很明確：

•
讓學生學會如何挖掘虛擬的火星探測車。

•
在模擬的火星地表上移動。

•
完成一些科學任務。

主要的任務內容：

•
研究不同的岩石，例如火山岩和沈積岩。

•
收集科學數據並彙總分數。

這不僅在火星上開車附近，遊戲中包含精彩的挑戰，模擬了真實火星任務的核心挑戰：

•
路線規劃：有些地方車速會變慢，需要注意。

•
時間限制：任務只有240秒。

•
工具使用限制：用於分析岩石的「檢測（檢查）」工具只能使用 10 次。

•
這些限制考驗學生不僅開得快就好，還得聰明地利用資源。這有點像在壓力下做資源管理和決策。

這些遊戲中的挑戰其實是模擬了真實的火星任務的：

•
訊息延遲：從地球傳指令到火星單趟大約需要8到20分鐘這導致無法像遙控車一樣即時操作（第三方操作）。

•
事前規劃：所有的動作都必須像寫劇本一樣，事先規劃再傳過去讓探測車執行。

•
真實任務還有更多限制，類似能源、記憶體空間等（限制）。

因此，學生在玩這個遊戲的時候，其實是在學習如何定義目標（標準）（例如分析不同岩石限制的得分）以及如何應對這些（）策略在這裡變得非常重要。

在科學知識方面，課程不僅介紹火星上主要的岩石類型，也特別強調了「沉積岩」的重要性尤其是一種被稱為**“頁矽酸鹽”（頁矽酸鹽）**的泥土礦物。

沉積岩和頁矽酸鹽的重要性：

•
它們通常是在有水的環境下形成的。

•
這與尋找曾經存在的可能性的火星聯繫。

•
如果在火星上發現了這種岩石，就像發現古代火星可能曾經非常乾燥、非常溫暖的證據一樣。

•
雖然不等於找到外星人，但這是關鍵線索。

•
科學家認為這種岩石可能保存有機物（有機物）或過去生命存在的證據（可居住性）。

•
遊戲設計也反映了這一點：分析沉積岩通常會得到比較高的分數，直接反映了它們的科學價值。

多層設計挽救了科學上的重要性，轉化為遊戲中的分數誘因。

從工程設計面向著眼：

•
學生必須在上述限制下，找出一個最好的方法才能獲得最高的科學回報（否則最高分）。

•
這聽起來就像我們常聽到的**「演算法思維」**。

•
這裡的「演算」（演算）不只是電腦程式，它更廣泛地指解決一個問題的一系列步驟或策略。

•
學生需要不斷規劃、測試、然後修改他們的行動方案，才能在時間和工具限制上獲得最高分。

•
這其實是機器人學和程式設計的核心入門概念：如何在規格中實現最佳、最佳化（優化）。

為了讓學生有效學習這些科學和工程概念，這套課程在教學設計上使用了像5E教學模式：

•
包含Engage (參與)、Explore (探索)、Explain (解釋)、Elaborate (闡述)、Evaluate (評量)。

•
重構的方法能夠一步一步引導學生，從覺得好玩到慢慢理解遊戲背後的科學原理和工程思維，讓學習效果更好。

總結總結，這套課程進行了STEM教育的重要方向：

•
這將講述真實世界中複雜的問題解決過程（如太空訊號延遲、資源有限等抽象概念），轉化為國中生可以親手操作、趣味的互動體驗。這一點非常厲害。

•
它執行限制了一個強大的模式：如何進行任務調度、工具等聽起來可能有點無聊的限制（限制），巧妙地變成引人入勝的遊戲機制這對於教授如何與複雜系統思考有關的主題非常具有參考價值。

•
對於想快速了解太空探索的挑戰與權衡的人來說，這也是一個很好的切入點。

最後，課程提出了一個延伸思考：讓學生練習探索汽車設計演算法，在各種條件下尋找最佳解決方案。 在此類訓練中成長的下一代，他們解決問題的思維模式是否會在面對地球上複雜的系統挑戰（如氣候變遷、資源分配）時產生根本性的不同？


根據資料，「搜尋與探索火星」課程被認為是STEM教育的重要體現。
資料中指出，這套課程展示了STEM教育的一個「相當重要的轉向」或方向。具體來說，這一點是如何實現的呢？
1.
轉化複雜抽象概念：這將是真實世界中那些很複雜的問題解決過程，例如面對太空中訊號的延遲啊，以及資源有限啊這些「很抽象的概念」，轉化成國中生可以「親手操作」、「可以拾取」的互動體驗。資料中認為這種轉化「很厲害」。
2.
將限制條件變成遊戲機制：一套課程表演了「很強大」的模式。它巧妙地把任務預算啊、工具啊這些聽起來可能是「有點無聊的限制條件」，轉變成引人入勝的遊戲機制。
3.
培養複雜系統思考：數據認為這種將複雜概念和條件解決方案互動遊戲的設計，對於如何去教導與複雜系統思考有關的主題「很有參考價值」。
總結來說，這套「搜尋與探索火星」課程貫穿創新的教學設計，讓學生在一個具體的、有互動性的環境中，體驗並學習真實的世界中科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和解決問題的方法，是STEM教育的一個成功案例。

好的，讓我們來討論一下“搜尋與探索火星”中的“虛擬探測車”
課程中所扮演的角色。
根據數據，虛擬探測車是本課程的核心工具學生不用離開地球，就可以指揮探測在模擬的火星表面執行任務。
關於這台虛擬探測車：
•
它存在於一個叫做COD Gamap的3D遊戲環境中。
•
學生使用景觀化的程式工具來排列它這種工具讓學生可以用拖曳圖的方式下指令，不需要寫複雜的程式碼，讓操作更容易上手。
•
學生學會如何挖掘這台虛擬探測車，以便在模擬的火星地表上移動。
•
它的主要功能是完成一些科學任務這些任務包含研究不同的岩石，建造火山岩和沈積岩，以及收集科學數據來計算分數。
操作這台虛擬車並不像開玩具車那麼簡單，它包含了許多挑戰和限制，這些都是為了模擬真實火星任務的核心挑戰：
•
路線規劃：學生必須規劃偵測車輛的行進路線，因為有些位置會使車速變慢，需要注意。
•
時間限制：每次任務只有240秒的時間。
•
工具使用限制：用於分析岩石的「檢測（檢查）」工具只能使用 10 次。
•
這些限制意味著學生不僅要讓車子移動得快，還需要巧妙地利用有限的資源。這模擬了資源管理和在壓力下做決策的感覺。
這些限制條件，特別是時間和工具使用的次數，其實是模擬了真實的火星任務中遇到的問題例如，因為地球到火星的消息傳輸有延遲（單趟約8到20分鐘），無法像遙控車一樣進行即時捕魚（teleoperate）因此，所有虛擬偵測車的動作都必須像寫劇本一樣，事先規劃好指令，然後傳過去讓自己執行限制。真實任務還有能源、記憶體空間等其他「條件」(constraints)。
當學生在操作限制這台虛擬探測車時，實際上就是在學習如何在這些限制（限制）下定義目標（標準）（例如分析不同的重量可獲得多少分數）以及如何應對這些。這使得策略規劃非常重要。
虛擬探測車的任務也巧妙地與科學目標結合例如，分析沉積岩，特別是含有頁岩矽酸鹽（頁岩矽酸鹽）的岩石，通常會獲得相當一部分的分數這是因為這些岩石通常在有水環境下，形成了與尋找火星過去可能存在生命或宜居性有關的證據，具有重要的科學價值遊戲貢獻設計，直接將科學上的影響力轉化為學生的貢獻誘因。
從工程設計和演算法思考的角度來看，學習虛擬探測車就是在練習：
•
在特定的限制條件下，找出一個最佳的方法來達成目標（最大化科學回報，從而最高分）。
•
這涉及算法思維，透過規劃一系列的步驟或策略來解決問題。
•
學生需要不斷規劃、測試，然後修改他們的行動方案，才能在時間和工具的限制下獲得最高分。
•
這其實是機器人學和方案設計的核心入門概念：如何在規範中做到最好，達到優化（optimization）。
總的來說，這台虛擬探測車是課程中一個強大的互動工具這將真實世界中複雜的太空探索概念，如訊號延遲、資源有限、預先規劃等抽象挑戰，轉化為國中生可以親手操作、普遍的具體體驗透過指揮台虛擬車完成任務，學生不僅學習了探測火星的科學知識，更在實踐中學習了工程設計、策略規劃和問題解決的核心能力。

 主頁遊戲實驗室

資源

太空科學與火星課程

首頁/資源/ 編寫流動站程序

對探測車進行編程

數位科技 電腦科學 科學

學習確定最有效的指令集，以方案讓探測車自主巡來收集科學資料。

先決條件

學習目標

  • 學習空間科學詞彙。
  • 學習電腦科學詞彙。
  • 了解如何使用 3D 方案設計環境來創造互動式世界。
  • 了解機器人技術和火星表面的不同前景。
  • 學習使用程式碼創建算法。

內容

學生活動

步驟1參與：火星植入探索火星表面
學生將查看火星植入的圖片並相關討論詞彙。學生需要了解其他機器人車輛的先前知識，並要求說出其他機器人車輛的名稱，例如用於監視的機器人無人機或用於探索深海的機器人糖漿。學生將面臨一個難題，即確定地球上的火星車牽引如何規劃火星車的路徑，確保其不會陷入困境。學生將無集思廣益，思考當人們駕駛時，如何控制像火星上這樣的機器人車輛。
主題：科學、電腦科學、工程、21世紀學習

步驟 2 探索：在尋找火星棲息地方面具有不同的科學意義的
學生將與夥伴合作，彼此將共享一台計算機，採用一種稱為結對程式設計的方法。一名學生將擔任「司機」。駕駛者是唯一接觸鍵盤和鼠標或控制器的人。名學生是「領航員」。導航員提供建議、指導評估彼此的資料。在整個課堂期間，兩名學生應該 5 到 10分鐘交換一次角色，以便彼此扮演不同的角色。學生探索並運行Kodu 世界：「編程漫遊車」。向學生解釋，科學家和工程師在探索火星表面時希望尋找新事物。他們命令探測火星車移動到具有科學意義的地方，以便他們能夠研究這些地方。解釋岩石對於科學發現很重要，因為它們包含形成其環境的線索。
主題：科學、電腦科學、工程、21世紀學習

步驟 3 解釋：目標、標準和約束
向學生解釋，遊戲的目標是確定最佳路徑，對姿勢進行編程以搜尋和岩石檢查，以收集最多的科學發現點。真正探測車的供應有限。訓練車行駛的路徑正好得分，了解就對了。學生將檢查探測車的代碼，以了解每個動作有多少分數以及動作耗用多少電力。學生火星任務團隊的限制。
主題：科學、每個電腦科學、工程電力、21世紀學習

步驟4詳細說明：對火星探測車進行編程，設置路徑移動
學生將了解，由於命令到達火星需要延遲，因此火星探測車不是實時指揮的，而是通過程序中的一系列指令進行控制的。學生將這一系列指令（也稱為演算法）控制探測火星車執行的所有動作。學生了解他們的火星要設計一條路徑。請參考學生（A）如何使用Kodu路徑工具工作表。學生將參考（B）Kodu何時做陳述工作表對偵測車進行編程，以製定遵循路徑。學生準備探測火星車的路徑和程式碼進行實驗。學生應該觀察分數是如何計算的以及不同的岩石的意義。學生將編輯路徑並運行世界以在有限的電力供應下獲得最多的科學發現分數。當電源開關過低時，偵測車會預先設定周圍環境的照片，以便進一步規劃。主題：科學、電腦科學、工程、21世紀學習    

績效期望

步驟5評估：使用「計畫設計流動站」評估工作表進行反思
使用Sway或PowerPoint來展示學習成果，學生協作向班上其他同學展示他們的工作。建議使用中央投影機或顯示器來承載他們的Kodu世界。學生將擁有（C）編程流動站評估工作表。學生將列出影響命令設計和執行的遊戲標準和限制。學生將描述他們探索和尋找地震的算法，並解釋這些步驟如何滿足遊戲的限制。學生將如何平衡火星車的運動和動作展示與有限的電源，以最大限度地提高遊戲得分。學生將闡述為什麼在尋找火星地時沉積岩比火山岩具有科學價值。  

技能

品格、公民意識、協作、溝通、創造力、批判思考性、基於專案的學習

太空飛行模擬器：
這是一款關於用零件建造自己的火箭並發射它以探索太空的遊戲！

• 使用零件製造您想要的任何火箭！
• 完全準確的火箭物理！
• 真實縮放的行星！
• 開放的宇宙，如果你看到遠處的東西，你可以去那裡，沒有限制，沒有無形的牆！
• 逼真的軌道力學！
• 到達軌道，登陸月球或火星！
• 重現您最喜愛的 SpaceX Apollo 和 NASA 發射！

目前的行星和衛星：
• 汞
• 金星（具有極其稠密和熾熱大氣的行星）
• 地球（我們的家，我們的淡藍色圓點 :)）
• 月亮（我們的天體鄰居）
• 火星（大氣稀薄的紅色星球）
• 火衛一（火星內衛星，地形崎嶇，重力低）
• Deimos（火星外衛星，具有極低的重力和光滑的表面）

我們有一個非常活躍的不和諧社區！
https://discordapp.com/invite/hwfWm2d

視頻教程：
軌道教程：https://youtu.be/5uorANMdB60
登月：https://youtu.be/bMv5LmSNgdo