熊國全

近年來，各地利用虛擬機器人軟件開展機器人教學(xué)活動，憑借在物質(zhì)和時間上的優(yōu)勢獲取最佳的教學(xué)效果，成為學(xué)生能力和素質(zhì)培養(yǎng)的新平臺。筆者曾分別使用多款虛擬機器人軟件平臺進行課堂教學(xué)嘗試和探索，也獲得了不少感受與啟發(fā)。

● 虛擬機器人的教育優(yōu)勢

與實體機器人相比，虛擬機器人的教育具有以下優(yōu)勢：

1.低投入，突破經(jīng)濟障礙

相對于實體機器人，利用虛擬機器人軟件，無論在前期的設(shè)備和應(yīng)用環(huán)境構(gòu)建投入，還是后期維護更新的投入都將大大降低。例如，虛擬機器人教學(xué)對設(shè)備的要求較低，在普通機房即可進行，不需要建立單獨的機器人實驗室。

2.易管理，降低教學(xué)成本

使用實體機器人開展課堂教學(xué)的學(xué)校，在后期的活動開展和過程管理中出現(xiàn)了很多問題，如教學(xué)活動中設(shè)備管理難，設(shè)備損壞率高，實體機器人穩(wěn)定性不強等。而虛擬機器人作為一種純軟件環(huán)境，具有不受硬件、場地限制等優(yōu)勢，便于大范圍教學(xué)的開展和管理。

3.降難度，完善程序教學(xué)

使用虛擬機器人軟件開展教學(xué)，一方面，避免了實體機器人出現(xiàn)硬件故障等問題，學(xué)生能更清楚地理解機器人是怎樣在程序的控制下活動的，也能更好地體會“程序是機器人的靈魂”的思想；另一方面，虛擬機器人軟件使“算法”和“程序”變得直觀而形象，從而能更有效地訓(xùn)練學(xué)生的邏輯思維能力、規(guī)劃能力。

● 虛擬機器人軟件的教育有效性

正因為使用虛擬機器人軟件開展教學(xué)具備獨特優(yōu)勢，國內(nèi)涌現(xiàn)了眾多虛擬機器人系統(tǒng)，但是在這些虛擬機器人軟件中，并不是所有的軟件都適宜機器人教學(xué)。結(jié)合多年的機器人教學(xué)實踐，筆者認為若能提升學(xué)生的信息素養(yǎng)和技術(shù)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，這樣的虛擬機器人軟件才具有良好的教育有效性。

1.內(nèi)容豐富，保障創(chuàng)新

如今的機器人教學(xué)在教學(xué)指導(dǎo)思想和目的上，正在從原來只為競賽獲獎、注重技術(shù)技能的掌握、注重一個項目的完成的淺層次認識，上升到培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，即人才培養(yǎng)的層次。而只有當軟件提供盡可能多的構(gòu)建組件、電子模塊和任務(wù)元素，學(xué)生在完成任務(wù)的過程中能構(gòu)建充滿個性與創(chuàng)意的智能機器人，才能給創(chuàng)新提供必要的基礎(chǔ)保障。在IRobotQ 3D中有五大類數(shù)百個機器人組件元素，具備不同物理屬性的多種控制器和驅(qū)動模塊，各種類型的積木件，充滿創(chuàng)意的傳感器世界，讓創(chuàng)意不再受限于技術(shù)，可以充分發(fā)揮每個孩子的智慧創(chuàng)造力。例如，完成《跑道競速》，在IRobotQ 3D軟件平臺中，學(xué)生可以使用不同的組件搭建多種不同的機器人，使用不同的傳感器來完成任務(wù)（如圖1），從而使得完成這個任務(wù)的虛擬機器人呈現(xiàn)多樣性，即給拓展和創(chuàng)新思維提供保障。而筆者試用了其他的軟件，都無法修改虛擬機器人，組件相對較少，完成任務(wù)的方式比較單一，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力方面就顯得力不從心。

2.返璞歸真，傳遞科學(xué)

虛擬機器人是在計算機上對實體機器人進行模擬，但這“虛”并不妨礙虛擬機器人運動要遵循真實世界的物理規(guī)律。虛擬機器人軟件不支持物理引擎，會導(dǎo)致三維仿真程度不足，只能展現(xiàn)少量真實世界的物理規(guī)律，只能理想化地模擬機器人運動，這樣的虛擬機器人教學(xué)對提升學(xué)生的信息素養(yǎng)和培養(yǎng)創(chuàng)新精神的效果有很大局限性。當虛擬機器人軟件支持物理引擎，可以在各種逼真三維環(huán)境中展現(xiàn)真實世界的物理規(guī)律，盡可能將正確的科學(xué)知識傳遞給使用者；能夠完整展現(xiàn)機器人活動的各個應(yīng)用環(huán)節(jié)，高度接近實際環(huán)境下的機器人運動狀態(tài)，仿真過程能支持各種實時參數(shù)展示以及多視角自由切換，能夠直觀地展示機器人運行的效果，能展現(xiàn)真實世界的眾多物理規(guī)律，盡可能將準確的知識傳遞給使用者。同時，由于有了物理引擎的支撐，場景中的各種元素都可具備各種物理屬性，如重量、體積、摩擦、能耗、力等，以使任務(wù)場景三維立體，真實感強。

例如，在《讓機器人飛翔》的教學(xué)中，要求機器人起飛后，沿著指定的方向飛行。在這個任務(wù)中，控制機器人飛行狀態(tài)就涉及物理學(xué)上的力的控制。若虛擬機器人軟件支持物理引擎，就可以設(shè)計出像《讓機器人飛翔》這樣三維立體、真實感強的任務(wù)場景，同時在完成任務(wù)的過程中，可以引導(dǎo)學(xué)生進行力的分析（如圖2），培養(yǎng)學(xué)生的拓展思維，創(chuàng)新精神。只有這樣返璞歸真，才能引導(dǎo)學(xué)生準確地理解虛擬機器人的算法和程序，正確理解其中隱含的科學(xué)規(guī)律，這樣的軟件才具有良好的教育有效性。

3.基于網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域互動

虛擬機器人軟件通過構(gòu)建虛擬機器人、運動環(huán)境，編寫虛擬機器人的程序，模擬現(xiàn)實情況下機器人在特定環(huán)境中的運行情況。雖然基于單機應(yīng)用的虛擬機器人依然可以提升學(xué)生的信息素養(yǎng)和技術(shù)素養(yǎng)，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力。但是在信息時代，教育交流不再局限于一個小小的機房，區(qū)域交流互動成為趨勢?；诰W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式的虛擬機器人軟件，能將虛擬機器人活動構(gòu)建在日益發(fā)達的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，提供學(xué)生、教師、家長等各種成員間的有效區(qū)域互動，使得組織機器人活動變得非常輕松，并能有效降低活動的參與門檻，促進優(yōu)質(zhì)教育資源的均衡配置。

例如，我校所在的區(qū)設(shè)置了一個IRobotQ 3D服務(wù)器，只要在這臺服務(wù)器上配置好一個教學(xué)項目，則全區(qū)所有的電腦都可通過客戶端，接入這服務(wù)器，使用同一個項目。教學(xué)中，整個區(qū)的學(xué)生可以使用單人學(xué)習(xí)訓(xùn)練的自由調(diào)試仿真模式，也可以通過在線網(wǎng)絡(luò)平臺進行各種不同等級的任務(wù)挑戰(zhàn)或PK。有了網(wǎng)絡(luò)支持，徹底擺脫了單機應(yīng)用方式的后繼乏力問題，有效建立起了一個可持續(xù)發(fā)展的、充滿樂趣的區(qū)域化科技創(chuàng)新應(yīng)用環(huán)境。

4.虛實結(jié)合，科學(xué)嚴謹

虛擬機器人教學(xué)，可以提升學(xué)生的信息素養(yǎng)和技術(shù)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。但是，機器人仿真畢竟是在計算機上構(gòu)建虛擬機器人和仿真環(huán)境，編寫虛擬機器人的程序，不存在現(xiàn)實生活中很多不可忽視的因素，使機器人運動過于理想化，往往易片面強化仿真的虛擬性、仿真性，而忽略了仿真世界與客觀世界的聯(lián)系，忽視了學(xué)生直接面對現(xiàn)實世界，感受來自自然與自我的挑戰(zhàn)。因此，使用不能支持虛實結(jié)合的仿真軟件，不但難以達到虛擬機器人的教學(xué)目的，而且不利于對學(xué)生思維嚴謹性和周密性的培養(yǎng)，也不利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的形成。若虛擬機器人軟件支持虛實結(jié)合，學(xué)生在虛擬環(huán)境中調(diào)試程序，發(fā)揮虛擬機器人的優(yōu)勢，完善算法和程序，再將調(diào)試好的程序下載到實體機器人，通過觀察實體機器人的運動，引導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)的眼光去觀察機器人的運動和發(fā)展。通過這種循序漸進的反復(fù)訓(xùn)練，學(xué)生就能領(lǐng)悟到虛擬與現(xiàn)實的區(qū)別，進而發(fā)揮虛實結(jié)合、相得益彰的優(yōu)勢。

此外，中國的機器人教育經(jīng)過十多年的發(fā)展，已經(jīng)具有了相當?shù)幕鶎踊A(chǔ)，這其中包含了各種不同標準的設(shè)備和各種不同設(shè)計理念帶來的不同操作習(xí)慣，因此如果能與現(xiàn)有的各種設(shè)備和習(xí)慣有所融合，對中國的機器人教育發(fā)展將是一件極有戰(zhàn)略意義和社會價值的事。例如，IRobotQ 3D可以跨平臺選擇不同的機器人平臺，編輯調(diào)試分別與國內(nèi)多種知名機器人相匹配的程序，并可以將調(diào)試好的程序下載到相應(yīng)的實體機器人，讓實體機器人展示與虛擬機器人有差異的運動，從而充分利用原有的實體機器人，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合電學(xué)、力學(xué)知識展開討論，研究真實場地中摩擦力、電池電量的損耗等因素對機器人運動的影響。通過虛實結(jié)合和跨平臺，虛擬機器人教學(xué)把程序的抽象、虛擬機器人的仿真性和實體機器人的實體真實性緊密地結(jié)合了起來。

5.編寫教材，完善教學(xué)

教學(xué)教材是影響虛擬機器人教學(xué)的一個重要因素。虛擬機器人軟件要能充分展示其教育有效性，還需要有相應(yīng)的優(yōu)質(zhì)教學(xué)教材。

例如，IRobotQ 3D的教學(xué)教材編寫得到了一線教師的大力支持，比較完善的有浙江省教育廳第一批普通高中推薦選修課程——《創(chuàng)意與制作之虛擬機器人》、山東淄博的《蘿卜圈網(wǎng)絡(luò)機器人課程》等。

6.競賽激勵，提升素養(yǎng)

在虛擬機器人課堂教學(xué)中，一定有優(yōu)秀學(xué)生脫穎而出。對于這些學(xué)生，我們可以選派他們參加虛擬機器人競賽項目或?qū)嶓w機器人競賽。通過訓(xùn)練，他們能逐步具有果斷、勇敢、自信的個性和遇事不慌等品質(zhì)，也因此，在比賽場地容易適應(yīng)瞬息萬變的局面，容易駕馭各種突發(fā)事件以及沉著應(yīng)戰(zhàn)、敢于迎接失敗。通過參加競賽，這些學(xué)生的信息素養(yǎng)得到進一步提升。同時，教師可向?qū)W生們介紹參賽學(xué)生經(jīng)過失敗和挫折取得優(yōu)異成績的事例，充分發(fā)揮榜樣作用，有助于激發(fā)大部分學(xué)生培養(yǎng)自身信息素養(yǎng)的自信心。所以，部分學(xué)生參加競賽能“由點帶面”提升全體學(xué)生的信息素養(yǎng)，促進學(xué)生綜合素質(zhì)的全面發(fā)展，推動機器人課堂教學(xué)的全面協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展，進而促進虛擬機器人教學(xué)的有效性。