虛擬機器人：讓信息技術教育更豐盈

龍麗嫦

機器人給我們的感覺是它只出現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，都對它充滿想象和興趣。機器人問世已有幾十年，但是科技界因為其發展速度快一直沒有給出明確統一的定義，隨著科學技術的高速發展和信息時代的到來，人類的智慧更使機器人的內容與內涵不斷充實與創新[1]。伴隨人工智能的研究發展，人類對機器人的期待和創造更多地從小說和電影走向我們的現實生活。因智能機器人的創造與制作對青少年創新意識與創造能力培養具有獨特影響，近年來機器人教育也進入到教育領域中來。

一、亦遠亦近—機器人教育發展現狀與趨勢

國外的機器人教育一直是教育的熱點，發達國家普遍高度重視機器人學科教育對高科技社會的作用和影響，其中，美國號稱“現代機器人故鄉”。自1992年開始，美國政府有關部門在全國高中生中推行“感知和認知移動機器人”計劃，高中生可免費獲得一套70公斤重的零件，自行組裝成遙控機器人，然后可參加有關比賽。1994年，麻省理工學院(MIT)設立了設計和建造LEGO機器人課程，目的是提高工程設計專業學生的設計和創造能力，并開發了各種教學工具，通過與積木玩具商樂高公司緊密合作，開發出可編程的樂高玩具，幫孩子們學會在數字時代進行設計活動[2]。

日本機器人發展雖然比美國晚10年，但是也非常重視機器人教育和機器人文化。在日本，每所大學都有高水平的機器人研究和教學內容，每年定期舉行各種不同層次的機器人設計和制作大賽，既有國際性高水平比賽，也有社區性中小學生參加的比賽[2]。

機器人國際賽開始于1995年，國際上較有影響力的機器人競賽包括機器人足球、機器人滅火、機器人迷宮等，我國也有代表隊參賽。

近年來，我國的機器人教育在計算機領域專家的大力推動下有了很大的發展，第八輪課程改革在高中信息技術課程設立了“人工智能初步”選修模塊，邁出了我國高中階段開展人工智能教育的第一步，這也意味著我國的人工智能教育在大眾化、普及化層面上躍上了一個新的臺階[3]。青少年機器人競賽的開展，促使各地方政府關注機器人教育，并組織信息技術或通用技術教師開展了小眾性的培訓輔導活動，一小部分實驗學校還將機器人普及教育納入信息技術課程中，如北京景山學校[3]。這些機器人教育先行者的研究實踐所形成的機器人文化，無論是對機器人教育走近中小學生，還是對我國的機器人教育研究都有積極的意義。

機器人套件的售價昂貴及其更新速度快成為機器人教育普及的攔路石，機器人賽事幾乎成為名校代表隊的獨歡宴。義務教育階段的學生，大多未能觸摸到這仿佛不是太遙遠而又離他們學習很遠的東西。

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

二、競賽新寵—3D仿真虛擬機器人競賽開展

踢開了實體機器人套件的價格阻石，虛擬機器人軟件平臺及虛擬機器人競賽仿似“舊時王謝堂前燕，飛入尋常百姓家”。一直無奈地對各級實體機器人競賽進行選擇性忽略的我們，終于等來了學習鉆研、培訓輔導的參與機會。

廣州市教育信息中心(廣州市電教館)規劃設計，委托南方數碼公司開發了易時代3D仿真虛擬機器人軟件平臺。該軟件具備了虛擬機器人軟件一般具備的三種功能：建立虛擬仿真場景、組裝虛擬機器人、編寫機器人程序，還采用了3D虛擬現實技術，實現了機器人及場景的全3D模擬，可有效模擬出滅火、巡線等各種機器人比賽環境，仿真場景較為真實，具備地形起伏、地表紋理、構筑物(建筑物)、路面附屬物、道路拓撲信息等特征，使程序的編制符合場景模擬、仿真模塊參數設計的要求[5]。2009年秋，廣州市組織了第一屆中小學生3D仿真虛擬機器人實驗賽。在實驗賽前特意挑選了城市發達區域、城郊農村地區的不同層次學校作為試驗校，目的是對軟件的要求環境、師生的素質及其對競賽操作性等進行試賽實驗。其中，白云區一所優質城市學校、一所城鄉結合部學校、兩所鄉鎮小學參與了試驗賽。完全沒有機器人教育傳承基礎的師生在大約十天的培訓中，就能在虛擬機器人軟件平臺上自如地執行組織方設定的任務，開展競技、競時比賽，甚為刺激，深受試賽師生的喜愛。更令人欣慰的是，虛擬機器人比賽使機器人賽事不再成為名校優生的專利，普通學校甚至是農村邊遠學校，只要配置了中小學信息技術課程實施計算機室設備設施，就可以進行學習和任務攻關。到目前為止，廣州市已順利組織了兩屆全市性比賽，由各行政區公開選拔或推薦參賽選手參加市賽。該套軟件平臺也在廣東省虛擬機器人競賽中使用。

自2004年信息技術課程在中小學普及實施以來，行政力較強、影響面較大、占據信息技術教育競賽主體地位的一直是“全國中小學電腦制作活動”。因為它的電腦繪畫及藝術設計、電子報刊、網頁制作、動畫設計等作品類別能夠與各學段課程模塊接軌，與教師的專業學習及學生課程學習相關性大，可操作性強。而易時代3D仿真虛擬機器人軟件平臺的出現及賽事的成功組織，使機器人的相關教育進入中小學教育的視野，讓我們重新審視機器人教育從小眾教育變為大眾教育的可行性。作為信息技術教育競賽的新寵，它也得到教育行政部門投入更多的資金與精力去開發和組織，教育實踐者對其實踐研究較之前也豐富起來，包括軟件系統的可持續發展、競賽機制的設計、教練培訓的策略、培訓學習的支持性材料編寫、校本課程的開發等，對虛擬機器人教育的發展起到較顯著的推動作用。

三、問題解決—虛擬機器人編程培養創新思維

虛擬機器人教育，包含操控環境、知識學習和問題解決三部分。

操控環境是指虛擬機器人平臺集成的虛擬機器人運行環境和機器人編輯工具，師生需要對使用的虛擬機器人平臺環境的操作界面、使用規則、技巧等進行學習和熟悉運用。

知識學習包括傳感器知識和編程知識。傳感器知識對中小學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，使它們提前進入學生學習領域中來。在傳感器部分的教學中，虛擬機器人軟件平臺呈現出明顯的優勢與劣勢。優勢是減少了物理器材等實物先決條件受環境的影響，省去了參數改變需重復實驗的麻煩；劣勢是對學習感知物理傳感的作用不夠真實、深刻。編程知識，是指關于程序基本結構等的基本知識及其在虛擬機器人軟件平臺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任務完成而需要調用的程序方案集，它由問題解決的抽象方法及其對應程序模塊組成。例如，如何選擇行進路線，如何巡線行走，如何快速繞障等。該部分的學習和思考是在師生協同學習的“做中學”中形成，甚至有些學生的細節經驗比教師還要豐富。

在布魯姆目標分類中將思維分成六個層次：記憶、理解、應用、分析、評價、綜合。操控環境、知識學習兩部分的思維調用層次主要是記憶、理解、應用；針對可變的任務形成和調用的問題解決程序方案集，反映的是分析、評價、綜合這三個思維層次的能力，屬于高級思維能力。因此，3D仿真虛擬機器人競賽通過指定任務開展圖形化編程的競賽活動，能夠激發、培養中小學生的高級思維能力，因其模擬場景的復雜性有任務達成的可變性，能夠達到創新意識和創新思維培養的目標。

在競賽開展而帶動的學校興趣小組活動、機器人個性化課程活動、校本課程實施等實踐中，我們發現，參與3D仿真虛擬機器人競賽活動及表現出色的集中表現在男生身上，包括男教練和男學生。表1為在廣州市3D仿真虛擬機器人競賽活動中女生獲獎情況，由表可見，在本區組織的選拔賽及市賽中，女學生獲獎所占比例不超過10%。而且越是高年段，女生參與和獲獎越少。反映出機器人編程對學生的邏輯思維能力要求較高。

表1

根據加德納的多元智能理論，虛擬機器人競賽對學生的能力要求表現在邏輯－數學智能上，對參賽教練和學生都有一定的選擇性。這對信息技術教育類競賽是一種有益的、必要的補充。中小學電腦制作活動大部分作品類別，如繪畫、藝術設計、動畫等，多是側重于主題情感表達的感性思維，虛擬機器人競賽程序編制側重于問題解決、任務達成的理性思維。3D仿真虛擬機器人競賽在競賽體系中的加入，使中小學信息技術教育立體、豐盈起來。據筆者對本區若干參賽選手及教練個案研究發現，這些教練基本上沒能在電腦制作活動中有良好表現，他們的數理思維在電腦制作競賽輔導中沒有用武之地，而今，他們終于在虛擬機器人競賽中找到了自己發揮的舞臺。從這一大有裨益的立體結構來看，我們應該加大對虛擬機器人項目教育實踐層面的重視和研究力度。

四、場模分離—虛擬機器人普及教育的突破口

在參與廣州市3D仿真虛擬機器人競賽兩年來，筆者發現該競賽在運作上存在以下問題與不足：

一是軟件更新與使用培訓的矛盾。虛擬機器人軟件的使用，盡管沒有了實體機器人硬件更新設備的大成本消耗，但也存在軟件優化更新帶給教育培訓的影響。特別是為保持虛擬機器人的趣味性和發展性，組織方和開發方不斷豐富軟件的功能，這在為虛擬機器人帶來可持發展的同時，也因為軟件更新開發與競賽組織的時間間隔太短，增添了對學生進行培訓的難度，使不少學校望而卻步。

二是配套支持性教育材料的不足。主要是因為軟件仍然在不斷更新開發中，而且每年的場景、模型等操控環境以及傳感仿真機制方面均發生了較大變化，除編程知識部分相對穩定外，暫未能提供一套相對穩定的知識系統給師生進行研習。因此，學校在開發校本課程、設置學生個性化選修課程時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。

三是教學培訓的學習策略研究不足。目前參加培訓輔導的學生數較少，一名教練輔導三四名學生，知識學習、案例研習、師生互動等學習活動均能較為直接、有效地生成，但對于虛擬機器人進入信息技術課程教育作為常規課程內容開展，其內容框架的設置、班級授課制的教學組織、常用模型策略等的研究較為貧乏，還有待進一步廣泛地、深入地研究。

四是競技任務與評價設計不足。從兩屆比賽的競技任務設計來看，小初高三個學段的任務難度是有梯度的，符合不同年齡學生智力發展特點的特征需求，但是由于目前的任務設計研究尚處于起步階段，即使變換了滅火、點火、校車接送等情景性任務，但任務性質變化不大，導致學生將精力花費在對參數反復打磨而不是程序編制上，而且計分評價機制對同等思維層次的學生的區分度不足，產生較多的同分現象及高端分值密集現象，即效度不足。

據有關方面反映，廣州市教研室已將圖形化編程模塊知識編入廣州市義務教育信息技術教科書，其中，3D仿真虛擬機器人教育編入初中教科書，小學也編入另一款積木式兒童圖形化編程軟件Scratch，這無疑是將機器人教育從小眾教育變成普及課程教育的關鍵性轉折點，具有深遠意義。結合未來三年即將展示的虛擬機器人普及教育，針對以上四點不足，筆者認為需要作出及時的、必要的戰略性決策研究：

第一，提升認識，革新虛擬機器人軟件平臺開發的頂層設計。目前虛擬機器人軟件平臺的開發設計仍然依附在實體機器人物理功能的設計思路上，由于物理器件研究進程具有一定的科學階段性，從而約束了虛擬機器人功能的開發。實際上，虛擬現實完全可以締造自己的獨立世界，實現現實世界暫時不能實現的夢想。這就需要計算機教育領域的專家、機器人研究專家團隊等提升認識，革新目前的設計思路，重新構造虛擬機器人軟件平臺開發的頂層設計思想，它將為目前信息技術教育的困境找到新的出路。

第二，場模分離，實現基礎性與拓展性相互獨立。為保障普及教育在內容體系上的穩定性，虛擬機器人軟件平臺在做開發設計時，需要考慮基礎性模塊與拓展性模塊的相互獨立性，如主要操控界面、主場景、常用機器人模型、主要傳感器等。更重要的是場景設計與模型設計的分離，使拓展模塊能夠根據發展需要不斷豐富虛擬現實場景，擴充虛擬機器人模型，豐富虛擬世界的搭建，使虛擬機器人活動更逼真、更有趣，激發學生的探究欲望，從而滿足競賽活動組織者每年的創新性要求。

第三，組建團隊，加大任務設計與評價機制研究的力度。我們都知道優秀的游戲設計必然有著優秀的任務設計與評價機制，對人產生欲罷不能的超越自我的吸引力。筆者認為，虛擬機器人教育的設計，也必須在任務設計與評價機制上做深度挖掘，保持其魅力和可持續發展。作為3D仿真虛擬機器人項目引入智能機器人競賽國內首創[6]的廣州市教育信息中心競賽研究團隊，可以進一步充實專家隊伍，加大在任務設計與評價機制方面研究的力度，使虛擬機器人活動在信息技術教育中充實起來。

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

[2] 國內外高校機器人教育現狀與發展狀況分析.[EB/OL].[2012-06-10].http://wenku.baidu.com/view/dc5c700e76c66137ee0619b5.html.

[3] 張劍平,王益.機器人教育的現狀、問題與推進策略[J].中國電化教育,2006(12):65-68.

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

[5] 虛擬機器人軟件的應用[EB/OL].[2010-07-23].http://blog.sina.com.cn/s/blog_642ac9450100kut3.html.

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