虛擬機(jī)器人：讓信息技術(shù)教育更豐盈

龍麗嫦

機(jī)器人給我們的感覺是它只出現(xiàn)在科幻小說和電影里，而且總是集各種高尖科技于一身，無論是成人還是孩童，都對(duì)它充滿想象和興趣。機(jī)器人問世已有幾十年，但是科技界因?yàn)槠浒l(fā)展速度快一直沒有給出明確統(tǒng)一的定義，隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展和信息時(shí)代的到來，人類的智慧更使機(jī)器人的內(nèi)容與內(nèi)涵不斷充實(shí)與創(chuàng)新[1]。伴隨人工智能的研究發(fā)展，人類對(duì)機(jī)器人的期待和創(chuàng)造更多地從小說和電影走向我們的現(xiàn)實(shí)生活。因智能機(jī)器人的創(chuàng)造與制作對(duì)青少年創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)造能力培養(yǎng)具有獨(dú)特影響，近年來機(jī)器人教育也進(jìn)入到教育領(lǐng)域中來。

一、亦遠(yuǎn)亦近—機(jī)器人教育發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

國(guó)外的機(jī)器人教育一直是教育的熱點(diǎn)，發(fā)達(dá)國(guó)家普遍高度重視機(jī)器人學(xué)科教育對(duì)高科技社會(huì)的作用和影響，其中，美國(guó)號(hào)稱“現(xiàn)代機(jī)器人故鄉(xiāng)”。自1992年開始，美國(guó)政府有關(guān)部門在全國(guó)高中生中推行“感知和認(rèn)知移動(dòng)機(jī)器人”計(jì)劃，高中生可免費(fèi)獲得一套70公斤重的零件，自行組裝成遙控機(jī)器人，然后可參加有關(guān)比賽。1994年，麻省理工學(xué)院(MIT)設(shè)立了設(shè)計(jì)和建造LEGO機(jī)器人課程，目的是提高工程設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生的設(shè)計(jì)和創(chuàng)造能力，并開發(fā)了各種教學(xué)工具，通過與積木玩具商樂高公司緊密合作，開發(fā)出可編程的樂高玩具，幫孩子們學(xué)會(huì)在數(shù)字時(shí)代進(jìn)行設(shè)計(jì)活動(dòng)[2]。

日本機(jī)器人發(fā)展雖然比美國(guó)晚10年，但是也非常重視機(jī)器人教育和機(jī)器人文化。在日本，每所大學(xué)都有高水平的機(jī)器人研究和教學(xué)內(nèi)容，每年定期舉行各種不同層次的機(jī)器人設(shè)計(jì)和制作大賽，既有國(guó)際性高水平比賽，也有社區(qū)性中小學(xué)生參加的比賽[2]。

機(jī)器人國(guó)際賽開始于1995年，國(guó)際上較有影響力的機(jī)器人競(jìng)賽包括機(jī)器人足球、機(jī)器人滅火、機(jī)器人迷宮等，我國(guó)也有代表隊(duì)參賽。

近年來，我國(guó)的機(jī)器人教育在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域?qū)＜业拇罅ν苿?dòng)下有了很大的發(fā)展，第八輪課程改革在高中信息技術(shù)課程設(shè)立了“人工智能初步”選修模塊，邁出了我國(guó)高中階段開展人工智能教育的第一步，這也意味著我國(guó)的人工智能教育在大眾化、普及化層面上躍上了一個(gè)新的臺(tái)階[3]。青少年機(jī)器人競(jìng)賽的開展，促使各地方政府關(guān)注機(jī)器人教育，并組織信息技術(shù)或通用技術(shù)教師開展了小眾性的培訓(xùn)輔導(dǎo)活動(dòng)，一小部分實(shí)驗(yàn)學(xué)校還將機(jī)器人普及教育納入信息技術(shù)課程中，如北京景山學(xué)校[3]。這些機(jī)器人教育先行者的研究實(shí)踐所形成的機(jī)器人文化，無論是對(duì)機(jī)器人教育走近中小學(xué)生，還是對(duì)我國(guó)的機(jī)器人教育研究都有積極的意義。

機(jī)器人套件的售價(jià)昂貴及其更新速度快成為機(jī)器人教育普及的攔路石，機(jī)器人賽事幾乎成為名校代表隊(duì)的獨(dú)歡宴。義務(wù)教育階段的學(xué)生，大多未能觸摸到這仿佛不是太遙遠(yuǎn)而又離他們學(xué)習(xí)很遠(yuǎn)的東西。

虛擬機(jī)器人又稱軟件機(jī)器人，是由用戶基于虛擬機(jī)器人軟件平臺(tái)編制程序產(chǎn)生的機(jī)器人源文件，可在仿真環(huán)境下運(yùn)行形成虛擬仿真功能。虛擬機(jī)器人的設(shè)計(jì)與出現(xiàn)，使機(jī)器人教育分成了實(shí)體機(jī)器人和虛擬機(jī)器人兩類[4]。虛擬機(jī)器人軟件最早出現(xiàn)在國(guó)外，2000年，世界RoboCup機(jī)器人足球賽的仿真組比賽就采用了虛擬機(jī)器人軟件。近年來，我國(guó)出現(xiàn)了幾款自行研制開發(fā)的虛擬機(jī)器人軟件，比較常見的有中鳴公司的AI-RCJ虛擬機(jī)器人足球軟件、納英特公司的3D仿真機(jī)器人軟件、南方數(shù)碼公司的高仿虛擬機(jī)器人軟件等。這些軟件在不同地方被不同行政主管部門引入中小學(xué)生教育競(jìng)賽項(xiàng)目中，在一定程度上拉近了中小學(xué)校師生與機(jī)器人教育的距離[5]。

二、競(jìng)賽新寵—3D仿真虛擬機(jī)器人競(jìng)賽開展

踢開了實(shí)體機(jī)器人套件的價(jià)格阻石，虛擬機(jī)器人軟件平臺(tái)及虛擬機(jī)器人競(jìng)賽仿似“舊時(shí)王謝堂前燕，飛入尋常百姓家”。一直無奈地對(duì)各級(jí)實(shí)體機(jī)器人競(jìng)賽進(jìn)行選擇性忽略的我們，終于等來了學(xué)習(xí)鉆研、培訓(xùn)輔導(dǎo)的參與機(jī)會(huì)。

廣州市教育信息中心(廣州市電教館)規(guī)劃設(shè)計(jì)，委托南方數(shù)碼公司開發(fā)了易時(shí)代3D仿真虛擬機(jī)器人軟件平臺(tái)。該軟件具備了虛擬機(jī)器人軟件一般具備的三種功能：建立虛擬仿真場(chǎng)景、組裝虛擬機(jī)器人、編寫機(jī)器人程序，還采用了3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人及場(chǎng)景的全3D模擬，可有效模擬出滅火、巡線等各種機(jī)器人比賽環(huán)境，仿真場(chǎng)景較為真實(shí)，具備地形起伏、地表紋理、構(gòu)筑物(建筑物)、路面附屬物、道路拓?fù)湫畔⒌忍卣?，使程序的編制符合?chǎng)景模擬、仿真模塊參數(shù)設(shè)計(jì)的要求[5]。2009年秋，廣州市組織了第一屆中小學(xué)生3D仿真虛擬機(jī)器人實(shí)驗(yàn)賽。在實(shí)驗(yàn)賽前特意挑選了城市發(fā)達(dá)區(qū)域、城郊農(nóng)村地區(qū)的不同層次學(xué)校作為試驗(yàn)校，目的是對(duì)軟件的要求環(huán)境、師生的素質(zhì)及其對(duì)競(jìng)賽操作性等進(jìn)行試賽實(shí)驗(yàn)。其中，白云區(qū)一所優(yōu)質(zhì)城市學(xué)校、一所城鄉(xiāng)結(jié)合部學(xué)校、兩所鄉(xiāng)鎮(zhèn)小學(xué)參與了試驗(yàn)賽。完全沒有機(jī)器人教育傳承基礎(chǔ)的師生在大約十天的培訓(xùn)中，就能在虛擬機(jī)器人軟件平臺(tái)上自如地執(zhí)行組織方設(shè)定的任務(wù)，開展競(jìng)技、競(jìng)時(shí)比賽，甚為刺激，深受試賽師生的喜愛。更令人欣慰的是，虛擬機(jī)器人比賽使機(jī)器人賽事不再成為名校優(yōu)生的專利，普通學(xué)校甚至是農(nóng)村邊遠(yuǎn)學(xué)校，只要配置了中小學(xué)信息技術(shù)課程實(shí)施計(jì)算機(jī)室設(shè)備設(shè)施，就可以進(jìn)行學(xué)習(xí)和任務(wù)攻關(guān)。到目前為止，廣州市已順利組織了兩屆全市性比賽，由各行政區(qū)公開選拔或推薦參賽選手參加市賽。該套軟件平臺(tái)也在廣東省虛擬機(jī)器人競(jìng)賽中使用。

自2004年信息技術(shù)課程在中小學(xué)普及實(shí)施以來，行政力較強(qiáng)、影響面較大、占據(jù)信息技術(shù)教育競(jìng)賽主體地位的一直是“全國(guó)中小學(xué)電腦制作活動(dòng)”。因?yàn)樗碾娔X繪畫及藝術(shù)設(shè)計(jì)、電子報(bào)刊、網(wǎng)頁(yè)制作、動(dòng)畫設(shè)計(jì)等作品類別能夠與各學(xué)段課程模塊接軌，與教師的專業(yè)學(xué)習(xí)及學(xué)生課程學(xué)習(xí)相關(guān)性大，可操作性強(qiáng)。而易時(shí)代3D仿真虛擬機(jī)器人軟件平臺(tái)的出現(xiàn)及賽事的成功組織，使機(jī)器人的相關(guān)教育進(jìn)入中小學(xué)教育的視野，讓我們重新審視機(jī)器人教育從小眾教育變?yōu)榇蟊娊逃目尚行浴Ｗ鳛樾畔⒓夹g(shù)教育競(jìng)賽的新寵，它也得到教育行政部門投入更多的資金與精力去開發(fā)和組織，教育實(shí)踐者對(duì)其實(shí)踐研究較之前也豐富起來，包括軟件系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展、競(jìng)賽機(jī)制的設(shè)計(jì)、教練培訓(xùn)的策略、培訓(xùn)學(xué)習(xí)的支持性材料編寫、校本課程的開發(fā)等，對(duì)虛擬機(jī)器人教育的發(fā)展起到較顯著的推動(dòng)作用。

三、問題解決—虛擬機(jī)器人編程培養(yǎng)創(chuàng)新思維

虛擬機(jī)器人教育，包含操控環(huán)境、知識(shí)學(xué)習(xí)和問題解決三部分。

操控環(huán)境是指虛擬機(jī)器人平臺(tái)集成的虛擬機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境和機(jī)器人編輯工具，師生需要對(duì)使用的虛擬機(jī)器人平臺(tái)環(huán)境的操作界面、使用規(guī)則、技巧等進(jìn)行學(xué)習(xí)和熟悉運(yùn)用。

知識(shí)學(xué)習(xí)包括傳感器知識(shí)和編程知識(shí)。傳感器知識(shí)對(duì)中小學(xué)生而言既陌生又有趣，包括紅外線、超聲波等物理傳感器原理、功能與使用情景，使它們提前進(jìn)入學(xué)生學(xué)習(xí)領(lǐng)域中來。在傳感器部分的教學(xué)中，虛擬機(jī)器人軟件平臺(tái)呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)。優(yōu)勢(shì)是減少了物理器材等實(shí)物先決條件受環(huán)境的影響，省去了參數(shù)改變需重復(fù)實(shí)驗(yàn)的麻煩；劣勢(shì)是對(duì)學(xué)習(xí)感知物理傳感的作用不夠真實(shí)、深刻。編程知識(shí)，是指關(guān)于程序基本結(jié)構(gòu)等的基本知識(shí)及其在虛擬機(jī)器人軟件平臺(tái)上的圖形化編程的操作方法和編程方法。

問題解決主要指根據(jù)任務(wù)完成而需要調(diào)用的程序方案集，它由問題解決的抽象方法及其對(duì)應(yīng)程序模塊組成。例如，如何選擇行進(jìn)路線，如何巡線行走，如何快速繞障等。該部分的學(xué)習(xí)和思考是在師生協(xié)同學(xué)習(xí)的“做中學(xué)”中形成，甚至有些學(xué)生的細(xì)節(jié)經(jīng)驗(yàn)比教師還要豐富。

在布魯姆目標(biāo)分類中將思維分成六個(gè)層次：記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)、綜合。操控環(huán)境、知識(shí)學(xué)習(xí)兩部分的思維調(diào)用層次主要是記憶、理解、應(yīng)用；針對(duì)可變的任務(wù)形成和調(diào)用的問題解決程序方案集，反映的是分析、評(píng)價(jià)、綜合這三個(gè)思維層次的能力，屬于高級(jí)思維能力。因此，3D仿真虛擬機(jī)器人競(jìng)賽通過指定任務(wù)開展圖形化編程的競(jìng)賽活動(dòng)，能夠激發(fā)、培養(yǎng)中小學(xué)生的高級(jí)思維能力，因其模擬場(chǎng)景的復(fù)雜性有任務(wù)達(dá)成的可變性，能夠達(dá)到創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維培養(yǎng)的目標(biāo)。

在競(jìng)賽開展而帶動(dòng)的學(xué)校興趣小組活動(dòng)、機(jī)器人個(gè)性化課程活動(dòng)、校本課程實(shí)施等實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)，參與3D仿真虛擬機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)及表現(xiàn)出色的集中表現(xiàn)在男生身上，包括男教練和男學(xué)生。表1為在廣州市3D仿真虛擬機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)中女生獲獎(jiǎng)情況，由表可見，在本區(qū)組織的選拔賽及市賽中，女學(xué)生獲獎(jiǎng)所占比例不超過10%。而且越是高年段，女生參與和獲獎(jiǎng)越少。反映出機(jī)器人編程對(duì)學(xué)生的邏輯思維能力要求較高。

表1

根據(jù)加德納的多元智能理論，虛擬機(jī)器人競(jìng)賽對(duì)學(xué)生的能力要求表現(xiàn)在邏輯－數(shù)學(xué)智能上，對(duì)參賽教練和學(xué)生都有一定的選擇性。這對(duì)信息技術(shù)教育類競(jìng)賽是一種有益的、必要的補(bǔ)充。中小學(xué)電腦制作活動(dòng)大部分作品類別，如繪畫、藝術(shù)設(shè)計(jì)、動(dòng)畫等，多是側(cè)重于主題情感表達(dá)的感性思維，虛擬機(jī)器人競(jìng)賽程序編制側(cè)重于問題解決、任務(wù)達(dá)成的理性思維。3D仿真虛擬機(jī)器人競(jìng)賽在競(jìng)賽體系中的加入，使中小學(xué)信息技術(shù)教育立體、豐盈起來。據(jù)筆者對(duì)本區(qū)若干參賽選手及教練個(gè)案研究發(fā)現(xiàn)，這些教練基本上沒能在電腦制作活動(dòng)中有良好表現(xiàn)，他們的數(shù)理思維在電腦制作競(jìng)賽輔導(dǎo)中沒有用武之地，而今，他們終于在虛擬機(jī)器人競(jìng)賽中找到了自己發(fā)揮的舞臺(tái)。從這一大有裨益的立體結(jié)構(gòu)來看，我們應(yīng)該加大對(duì)虛擬機(jī)器人項(xiàng)目教育實(shí)踐層面的重視和研究力度。

四、場(chǎng)模分離—虛擬機(jī)器人普及教育的突破口

在參與廣州市3D仿真虛擬機(jī)器人競(jìng)賽兩年來，筆者發(fā)現(xiàn)該競(jìng)賽在運(yùn)作上存在以下問題與不足：

一是軟件更新與使用培訓(xùn)的矛盾。虛擬機(jī)器人軟件的使用，盡管沒有了實(shí)體機(jī)器人硬件更新設(shè)備的大成本消耗，但也存在軟件優(yōu)化更新帶給教育培訓(xùn)的影響。特別是為保持虛擬機(jī)器人的趣味性和發(fā)展性，組織方和開發(fā)方不斷豐富軟件的功能，這在為虛擬機(jī)器人帶來可持發(fā)展的同時(shí)，也因?yàn)檐浖麻_發(fā)與競(jìng)賽組織的時(shí)間間隔太短，增添了對(duì)學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)的難度，使不少學(xué)校望而卻步。

二是配套支持性教育材料的不足。主要是因?yàn)檐浖匀辉诓粩喔麻_發(fā)中，而且每年的場(chǎng)景、模型等操控環(huán)境以及傳感仿真機(jī)制方面均發(fā)生了較大變化，除編程知識(shí)部分相對(duì)穩(wěn)定外，暫未能提供一套相對(duì)穩(wěn)定的知識(shí)系統(tǒng)給師生進(jìn)行研習(xí)。因此，學(xué)校在開發(fā)校本課程、設(shè)置學(xué)生個(gè)性化選修課程時(shí)難以制作支持性教育材料，包括文本教材、操作視頻等課程資源。

三是教學(xué)培訓(xùn)的學(xué)習(xí)策略研究不足。目前參加培訓(xùn)輔導(dǎo)的學(xué)生數(shù)較少，一名教練輔導(dǎo)三四名學(xué)生，知識(shí)學(xué)習(xí)、案例研習(xí)、師生互動(dòng)等學(xué)習(xí)活動(dòng)均能較為直接、有效地生成，但對(duì)于虛擬機(jī)器人進(jìn)入信息技術(shù)課程教育作為常規(guī)課程內(nèi)容開展，其內(nèi)容框架的設(shè)置、班級(jí)授課制的教學(xué)組織、常用模型策略等的研究較為貧乏，還有待進(jìn)一步廣泛地、深入地研究。

四是競(jìng)技任務(wù)與評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)不足。從兩屆比賽的競(jìng)技任務(wù)設(shè)計(jì)來看，小初高三個(gè)學(xué)段的任務(wù)難度是有梯度的，符合不同年齡學(xué)生智力發(fā)展特點(diǎn)的特征需求，但是由于目前的任務(wù)設(shè)計(jì)研究尚處于起步階段，即使變換了滅火、點(diǎn)火、校車接送等情景性任務(wù)，但任務(wù)性質(zhì)變化不大，導(dǎo)致學(xué)生將精力花費(fèi)在對(duì)參數(shù)反復(fù)打磨而不是程序編制上，而且計(jì)分評(píng)價(jià)機(jī)制對(duì)同等思維層次的學(xué)生的區(qū)分度不足，產(chǎn)生較多的同分現(xiàn)象及高端分值密集現(xiàn)象，即效度不足。

據(jù)有關(guān)方面反映，廣州市教研室已將圖形化編程模塊知識(shí)編入廣州市義務(wù)教育信息技術(shù)教科書，其中，3D仿真虛擬機(jī)器人教育編入初中教科書，小學(xué)也編入另一款積木式兒童圖形化編程軟件Scratch，這無疑是將機(jī)器人教育從小眾教育變成普及課程教育的關(guān)鍵性轉(zhuǎn)折點(diǎn)，具有深遠(yuǎn)意義。結(jié)合未來三年即將展示的虛擬機(jī)器人普及教育，針對(duì)以上四點(diǎn)不足，筆者認(rèn)為需要作出及時(shí)的、必要的戰(zhàn)略性決策研究：

第一，提升認(rèn)識(shí)，革新虛擬機(jī)器人軟件平臺(tái)開發(fā)的頂層設(shè)計(jì)。目前虛擬機(jī)器人軟件平臺(tái)的開發(fā)設(shè)計(jì)仍然依附在實(shí)體機(jī)器人物理功能的設(shè)計(jì)思路上，由于物理器件研究進(jìn)程具有一定的科學(xué)階段性，從而約束了虛擬機(jī)器人功能的開發(fā)。實(shí)際上，虛擬現(xiàn)實(shí)完全可以締造自己的獨(dú)立世界，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界暫時(shí)不能實(shí)現(xiàn)的夢(mèng)想。這就需要計(jì)算機(jī)教育領(lǐng)域的專家、機(jī)器人研究專家團(tuán)隊(duì)等提升認(rèn)識(shí)，革新目前的設(shè)計(jì)思路，重新構(gòu)造虛擬機(jī)器人軟件平臺(tái)開發(fā)的頂層設(shè)計(jì)思想，它將為目前信息技術(shù)教育的困境找到新的出路。

第二，場(chǎng)模分離，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)性與拓展性相互獨(dú)立。為保障普及教育在內(nèi)容體系上的穩(wěn)定性，虛擬機(jī)器人軟件平臺(tái)在做開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮基礎(chǔ)性模塊與拓展性模塊的相互獨(dú)立性，如主要操控界面、主場(chǎng)景、常用機(jī)器人模型、主要傳感器等。更重要的是場(chǎng)景設(shè)計(jì)與模型設(shè)計(jì)的分離，使拓展模塊能夠根據(jù)發(fā)展需要不斷豐富虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，擴(kuò)充虛擬機(jī)器人模型，豐富虛擬世界的搭建，使虛擬機(jī)器人活動(dòng)更逼真、更有趣，激發(fā)學(xué)生的探究欲望，從而滿足競(jìng)賽活動(dòng)組織者每年的創(chuàng)新性要求。

第三，組建團(tuán)隊(duì)，加大任務(wù)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)機(jī)制研究的力度。我們都知道優(yōu)秀的游戲設(shè)計(jì)必然有著優(yōu)秀的任務(wù)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)機(jī)制，對(duì)人產(chǎn)生欲罷不能的超越自我的吸引力。筆者認(rèn)為，虛擬機(jī)器人教育的設(shè)計(jì)，也必須在任務(wù)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)機(jī)制上做深度挖掘，保持其魅力和可持續(xù)發(fā)展。作為3D仿真虛擬機(jī)器人項(xiàng)目引入智能機(jī)器人競(jìng)賽國(guó)內(nèi)首創(chuàng)[6]的廣州市教育信息中心競(jìng)賽研究團(tuán)隊(duì)，可以進(jìn)一步充實(shí)專家隊(duì)伍，加大在任務(wù)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)機(jī)制方面研究的力度，使虛擬機(jī)器人活動(dòng)在信息技術(shù)教育中充實(shí)起來。

[1] 機(jī)器人的定義[EB/OL].[2011-08-02].http://www.robotedu.org/2011/0802/254.html.

[2] 國(guó)內(nèi)外高校機(jī)器人教育現(xiàn)狀與發(fā)展?fàn)顩r分析.[EB/OL].[2012-06-10].http://wenku.baidu.com/view/dc5c700e76c66137ee0619b5.html.

[3] 張劍平,王益.機(jī)器人教育的現(xiàn)狀、問題與推進(jìn)策略[J].中國(guó)電化教育,2006(12):65-68.

[4] 王益.虛擬機(jī)器人:機(jī)器人教育的新載體[EB/OL].[2012-06-07].http://www.doc88.com/p-215945156571.html.

[5] 虛擬機(jī)器人軟件的應(yīng)用[EB/OL].[2010-07-23].http://blog.sina.com.cn/s/blog_642ac9450100kut3.html.

[6] 廣州首創(chuàng)3D虛擬機(jī)器人花小錢玩轉(zhuǎn)“貴族游戲”[EB/OL].[2009-12-01].http://informationtimes.dayoo.com/html/2009-12/01/content_783170.htm###.