虛擬機(jī)器人在農(nóng)村小學(xué)機(jī)器人教學(xué)中的應(yīng)用研究

李 丹

李丹/長(zhǎng)春教育學(xué)院信息技術(shù)部教師（吉林長(zhǎng)春130061）。

機(jī)器人教育是一種全新的綜合性教育，主要是指學(xué)習(xí)機(jī)器人的知識(shí)與技能。它體現(xiàn)了從知識(shí)為核心向能力為核心的教育思想轉(zhuǎn)變，能培養(yǎng)學(xué)生的科技素養(yǎng)、創(chuàng)新能力、綜合設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手實(shí)踐能力以及學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，機(jī)器人教育一直是教育關(guān)注的熱點(diǎn)。在我國(guó)頒布的《義務(wù)教育階段信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》和《國(guó)家九年義務(wù)教育課程綜合實(shí)踐活動(dòng)指導(dǎo)綱要》中，機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作已經(jīng)被列入小學(xué)和中學(xué)信息技術(shù)課程的選修內(nèi)容，在最新的“基礎(chǔ)教育信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（意見(jiàn)征求稿）”中，義務(wù)教育階段一共設(shè)置五個(gè)模塊，包括：硬件與系統(tǒng)管理、信息加工與表達(dá)、網(wǎng)絡(luò)與信息交流、算法與程序設(shè)計(jì)、機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作，其中機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作已經(jīng)作為一個(gè)模塊出現(xiàn)。由此可見(jiàn)，機(jī)器人教學(xué)已經(jīng)納入了我國(guó)中小學(xué)通用技術(shù)與信息技術(shù)教育內(nèi)容之中，成為技術(shù)教育的一部分。

然而，我國(guó)農(nóng)村學(xué)校開(kāi)展機(jī)器人教學(xué)面臨教育條件和教育資源不足的情況，實(shí)體機(jī)器人的高昂價(jià)格成為農(nóng)村小學(xué)信息技術(shù)課堂機(jī)器人教學(xué)的“瓶頸”，如何在農(nóng)村信息技術(shù)課堂實(shí)施機(jī)器人教學(xué)，我們尋求到一種新的機(jī)器人教育載體——虛擬機(jī)器人，這種方式既能回避機(jī)器人硬件昂貴的問(wèn)題，又能從一定程度上使學(xué)生了解和認(rèn)識(shí)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與功能，完成項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，為普及機(jī)器人教學(xué)開(kāi)辟了一條新的途徑。本文從農(nóng)村小學(xué)開(kāi)展虛擬機(jī)器人教學(xué)的條件、產(chǎn)品的選擇、教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容等方面為廣大農(nóng)村小學(xué)教師提供指導(dǎo)和參考，以期推動(dòng)農(nóng)村小學(xué)機(jī)器人教育。

一、虛擬機(jī)器人概述

（一）虛擬機(jī)器人概念

虛擬機(jī)器人是指一種特定的虛擬軟件，又稱軟件機(jī)器人，能讓學(xué)生在計(jì)算機(jī)上搭建機(jī)器人，并根據(jù)實(shí)際任務(wù)編制程序產(chǎn)生的機(jī)器人源文件，最后將機(jī)器人的活動(dòng)過(guò)程在仿真環(huán)境下運(yùn)行形成虛擬仿真功能。[1]其特點(diǎn)主要有三方面：第一，機(jī)器人的搭建由學(xué)生在電腦上完成，降低動(dòng)手難度；第二，它為不同年齡和知識(shí)基礎(chǔ)的學(xué)生提供多種不同的編程方式，便于學(xué)生入門；第三，結(jié)果能立即以動(dòng)畫形式呈現(xiàn)，增強(qiáng)了趣味性和直觀性。

（二）虛擬機(jī)器人的基本組成

虛擬機(jī)器人集成了機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境與機(jī)器人編輯工具。仿真運(yùn)行環(huán)境中，用戶可用所給設(shè)計(jì)面板上的二維或三維工具構(gòu)建工作環(huán)境，同時(shí)也可導(dǎo)入外部設(shè)計(jì)好的環(huán)境模型。機(jī)器人編輯工具主要包括兩部分：機(jī)器人模型仿真和機(jī)器人編程控制。機(jī)器人編程控制一般有兩類：圖形化編程界面和語(yǔ)言文本編程界面。

（三）虛擬機(jī)器人工作原理

在虛擬仿真環(huán)境中，用戶根據(jù)任務(wù)要求搭建具有一定功能的虛擬機(jī)器人并編好完成任務(wù)的控制程序，最后置于仿真環(huán)境中運(yùn)行。運(yùn)行時(shí)，各類仿真?zhèn)鞲衅鞲鶕?jù)傳感器的位置收集環(huán)境數(shù)據(jù)(如距離、角度或色值等)，然后將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給主程序的路徑規(guī)劃程序或者導(dǎo)航控制程序，用于計(jì)算反應(yīng)控制量(比如運(yùn)行方向或其他控制)，最后再將控制量返還給虛擬機(jī)器人主體，虛擬機(jī)器人主體根據(jù)所傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)的程序，避障、轉(zhuǎn)彎或滅火等。

二、農(nóng)村開(kāi)展虛擬機(jī)器人教學(xué)的條件

（一）教學(xué)環(huán)境

目前，大多數(shù)農(nóng)村中小學(xué)裝備了信息終端設(shè)施，基礎(chǔ)教育階段學(xué)校平均生機(jī)比已由2008年的19：1提高到2011年的13：1，學(xué)校網(wǎng)絡(luò)條件下的教學(xué)與學(xué)習(xí)環(huán)境逐步改善。[2]虛擬機(jī)器人的安裝文件對(duì)計(jì)算機(jī)的要求并不高，利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)機(jī)房就能滿足，有些需要附加組件的產(chǎn)品也多數(shù)都將附加組件打包在安裝文件中。比如納英特虛擬機(jī)器人需要.NET Framework組件，Simbad虛擬機(jī)器人需要Java虛擬機(jī)，將附加組件安裝完整就可以使用。因此只要計(jì)算機(jī)機(jī)房正常運(yùn)轉(zhuǎn)，教學(xué)活動(dòng)就能順利開(kāi)展。可見(jiàn)，我國(guó)多數(shù)農(nóng)村學(xué)校已經(jīng)具備開(kāi)設(shè)虛擬機(jī)器人教學(xué)的條件。

（二）教師素質(zhì)

我國(guó)農(nóng)村小學(xué)信息技術(shù)教師多數(shù)職前沒(méi)有接受過(guò)系統(tǒng)的機(jī)器人知識(shí)學(xué)習(xí)，專業(yè)知識(shí)薄弱。而目前關(guān)于虛擬機(jī)器人教學(xué)的研究非常有限，教師在進(jìn)行教學(xué)時(shí)缺乏權(quán)威的參考，課程內(nèi)容設(shè)置松散，教學(xué)方法欠缺。因此有必要組織農(nóng)村小學(xué)信息技術(shù)教師進(jìn)行統(tǒng)一的培訓(xùn)。

培訓(xùn)內(nèi)容可以分為兩部分：一是機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)；二是虛擬機(jī)器人軟件的使用。具體內(nèi)容見(jiàn)表1。

三、虛擬機(jī)器人教學(xué)產(chǎn)品的選擇

目前虛擬機(jī)器人產(chǎn)品種類很多，根據(jù)虛擬環(huán)境的不同，分為二維虛擬機(jī)器人與三維虛擬機(jī)器人，根本區(qū)別在于三維虛擬機(jī)器人提供了機(jī)器人搭建平臺(tái)。二維虛擬機(jī)器人選擇一個(gè)物體作為機(jī)器人的形體，典型的有AI-TANK、TeamBots、雙龍?zhí)摂M機(jī)器人、VJC1.5仿真版等；三維虛擬機(jī)器人用戶可以通過(guò)提供的各種機(jī)器人配件來(lái)完成機(jī)器人從零部件到整機(jī)的搭建,典型的有納英特機(jī)器人Simbad、Microsoft Robotics Studio、USARSim、易時(shí)代 3D、NSTRSS 等。[3]盡管各種類型的虛擬機(jī)器人在一定程度上是相似的，但各個(gè)平臺(tái)都有自身的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)。因此，在選擇虛擬機(jī)器人進(jìn)行教學(xué)時(shí)，需要考慮以下因素：

1.根據(jù)教學(xué)需求。每個(gè)虛擬機(jī)器人平臺(tái)都有清晰的應(yīng)用層次。例如，作為程序設(shè)計(jì)的輔助教學(xué)工具時(shí)需要考慮虛擬機(jī)器人軟件提供的不同編程語(yǔ)言；作為與實(shí)體機(jī)器人結(jié)合教學(xué)時(shí)則需要考慮虛擬機(jī)器人控制系統(tǒng)的可移植性，即虛擬機(jī)器人的控制系統(tǒng)能否導(dǎo)入實(shí)體機(jī)器人運(yùn)行；作為競(jìng)賽需要虛擬機(jī)器人必須支持分組和競(jìng)賽規(guī)則的制定等。因此教師在選擇虛擬機(jī)器人平臺(tái)時(shí)要考慮教學(xué)的需要，以適應(yīng)不同的教學(xué)需求。

2.根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平。學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平在小學(xué)階段是具體運(yùn)算階段，初中12歲以后發(fā)展為形式運(yùn)算階段，這個(gè)階段的兒童形成了解決各類問(wèn)題的推理邏輯,他們不僅能從邏輯上考慮現(xiàn)實(shí)的情境，而且考慮可能的情境(假設(shè)的情境)。學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平?jīng)Q定學(xué)習(xí)平臺(tái)的選擇。不同的虛擬機(jī)器人平臺(tái)提供不同的編程方式，有些平臺(tái)提供了較為簡(jiǎn)單的圖形化編程模塊，有些平臺(tái)僅支持純代碼編輯。教師要針對(duì)不同階段的學(xué)生制定不同的教學(xué)目標(biāo)，例如對(duì)于中小學(xué)生而言，要求學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單的圖形化編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)機(jī)器人完成任務(wù)，例如LOGO語(yǔ)言或VJC等；高中則要求學(xué)習(xí)如Qbasic、C、Java等高級(jí)語(yǔ)言。

針對(duì)農(nóng)村小學(xué)的教學(xué)環(huán)境、教學(xué)需求、小學(xué)生的年齡層次和認(rèn)知水平，建議采用VJC1.5仿真版虛擬機(jī)器人軟件，該軟件采用流程圖編寫機(jī)器人程序，系統(tǒng)同時(shí)自動(dòng)生成JC代碼，便于讀者觀察、解釋或修改程序。它能滿足一個(gè)50人的班級(jí)同時(shí)進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)與實(shí)施機(jī)器人項(xiàng)目,保證每個(gè)學(xué)生都能展示自己的創(chuàng)意并進(jìn)行項(xiàng)目體驗(yàn)。

四、虛擬機(jī)器人教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容

農(nóng)村小學(xué)虛擬機(jī)器人的教學(xué)還處于起步階段，缺乏教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的積累，許多教師或直接將競(jìng)賽任務(wù)搬到課堂教學(xué)，或?yàn)橥瓿山虒W(xué)而拼湊內(nèi)容，嚴(yán)重影響了教學(xué)效果。由于機(jī)器人教學(xué)沒(méi)有真正的普及，所面向的學(xué)生基本上都是零起點(diǎn)。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)教學(xué)計(jì)劃時(shí)既要使教學(xué)任務(wù)貼近日常生活，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)提供拓展探究的學(xué)習(xí)內(nèi)容，以滿足不同能力學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。根據(jù)《國(guó)家九年義務(wù)教育課程綜合實(shí)踐活動(dòng)指導(dǎo)綱要（3-6年級(jí)）》中對(duì)信息技術(shù)教育部分的描述：“要求學(xué)生學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)和制作簡(jiǎn)易機(jī)器人，體驗(yàn)“采集信息-處理信息-控制動(dòng)作”的基本過(guò)程。在不具備實(shí)物機(jī)器人的情況下，也可以利用機(jī)器人仿真環(huán)境來(lái)模擬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和調(diào)試使用流程圖編制的簡(jiǎn)單的控制程序；初步感受利用程序解決問(wèn)題的一般過(guò)程?！?/p>

基于《國(guó)家九年義務(wù)教育課程綜合實(shí)踐活動(dòng)指導(dǎo)綱要（3-6年級(jí)）》的解讀，制定如下教學(xué)內(nèi)容（如表2）。

表2 教學(xué)內(nèi)容與目標(biāo)

五、未來(lái)展望

虛擬機(jī)器人避免了購(gòu)買和維護(hù)實(shí)體機(jī)器人的高昂費(fèi)用，克服了使用實(shí)體機(jī)器人時(shí)碰到的很多限制問(wèn)題，降低了技術(shù)的復(fù)雜性和學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，使農(nóng)村開(kāi)展機(jī)器人教學(xué)成為現(xiàn)實(shí)。雖然使用虛擬機(jī)器人對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力有一定的缺憾。但從某種意義上說(shuō),它能測(cè)試程序和向?qū)W生傳授機(jī)器人概念，在一定程度上滿足了機(jī)器人教學(xué)的需要，具有使機(jī)器人教育從精英教育變成大眾教育的重要意義。

隨著教育信息化的發(fā)展，我國(guó)農(nóng)村機(jī)器人教學(xué)將迎來(lái)一個(gè)發(fā)展期，虛擬機(jī)器人也將在農(nóng)村信息技術(shù)課堂中發(fā)揮更大的作用。

[1]董健.虛擬機(jī)器人軟件在中小學(xué)機(jī)器人教育中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)信息技術(shù)教育，2011.

[2]教育信息化工作進(jìn)展情況[EB/OL].]http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s5889/201302/148042.html.

[3]張國(guó)民.虛擬機(jī)器人在中學(xué)教育中的應(yīng)用研究[D].浙江：浙江師范大學(xué)，2009.