基于虛擬仿真的城鄉中小學機器人科技教育均衡化發展的研究

摘 要：本文基于對虛擬仿真的城鄉中小學機器人科技教育均衡化發展，對其發展的意義、虛擬活動存在的問題進行了闡述，進而提出了中小學機器人科技教育均衡化發展策略。

關鍵詞：虛擬仿真；城鄉中小學機器人；科技教育；均衡化發展

青少年機器人競賽活動是一項涉及了機械制造、電子技術、傳感器、無線通訊、聲音識別、圖像處理和人工智能等領域的先進技術，在中小學開展智能機器人教育可以培養學生的動手實踐能力、創新思維能力和團結協作能力，同時也能夠適應新課程改革的需要，對提高中小學生的信息科技素養有著巨大的促進作用。虛擬機器人活動作為青少年機器人科技活動的有效補充和功能延伸，具有經濟性、開放性、趣味性、創新性等優點

1 中小學機器人虛擬活動存在的問題

1.1 虛擬活動的教育功能與中小學課程整合的問題

當前的機器人科技教育活動，無論是活動內容、活動的組織還是評價體系的建設，由于缺乏系統的研究，其科學性、嚴謹性、有效性不足。與《義務教育課程標準》中提出的“知識與技能”、“過程與方法”、“情感態度與價值觀”的要求仍未能整合。

1.2 虛擬機器人活動的創新性問題

虛擬機器人活動與實體機器人活動的相比，既有相同性，也有獨立性。它在優勢于任務的設計、場景的設計、機器人模型的設計上，不用受到現實器材、場地等條件的制約。實體可以實現的功能，虛擬系統都可以實現；實體現受到環境或價格因素的制約不能實現的功能，虛擬系統也可以實現。但目前開展的虛擬機器人項目，大多停留在對實體活動項目的簡單模仿上。

1.3 教學資源開發的問題

目前一些地區與學校已經陸續開展了與虛擬機器人相關的教學資源的開發，如在線課程、教材、課件等，但總體上處于“各自為戰”的狀態，缺乏建立在學術研究基礎上的有效指引，在一定程度造成了資源的重復建設。

1.4 師資隊伍建設的問題

虛擬機器人活動是一個理論與實踐應用的結合十分緊密的項目，對指導教師的綜合素質要求較高，指導教師除于要精通程序設計方面的知識外，還要掌握活動中涉及到的力學、機械原理，虛擬機器人活動還是一種“探究性”學習的過程，還要求有指導學生開展科學探究的能力。

2 中小學機器人科技教育均衡化展虛擬平臺的設計

2.1 平臺方案

機器人在線仿真平臺以強大物理引擎作為技術支撐，以機器人為載體的科技創新平臺。平臺通過先進的3D虛擬技術對機器人應用的各個環節進行高度的3D模擬，對解決機器人活動發展中的各種問題作用重大，而基于網絡互動的應用模式將徹底擺脫單機應用方式的后繼乏力問題，可以有效建立起一個可持續發展的、充滿樂趣的區域化科技創新應用環境。系統采用創新的應用模式與系統架構見表1。

2.2 平臺特性

平臺在新技術與新模式的探索方面做了非常多的創新，應用模式的創新將為活動帶來突破性的應用價值，而新技術的應用將讓機器人仿真具備更好的效果與用戶體驗。

網絡的應用模式：傳統的機器人仿真軟件只是一個硬件機器人的簡單延伸，并且基于單機的應用缺少成員間的有效交互，除了簡單的機器人運動軌跡仿真能力，并不足以成為一個有效地活動組織平臺或者教學、自主學習平臺，在推進機器人活動普及的層面，并沒有起到革命性的作用。而本文的機器人平臺創造性的使用了基于網絡的應用模式，它已經不是一個簡單的機器人仿真軟件，通過基于網絡的應用將可以有效構建成區域的科技創新互動平臺、信息技術教學平臺、自主學習平臺、玩中學平臺。

強大物理引擎支撐：傳統的機器人仿真軟件基本只能實現一些簡單的項目，且并沒有遵循現實的物理規律，我們可以稱之為程序的仿真，而不是機器人的仿真，原因在于，沒有物理引擎的支撐。“物理引擎能夠模擬真實的剛體運動。運動物體具有密度、質量、速度、加速度等各種現實的物理動力學屬性，在發生碰撞、摩擦、受力的運動模擬中，不同的動力學屬性能得到不同的運動效果”

平臺提供了各種類型的場景元素，通過簡單的堆積組合就能方便構造一個需要的任務場景，再通過平臺提供的規則定制，完成平臺任務體系的構建。一個開放的任務體系，是平臺是否能夠持續運營的非常重要的一個環節。由于有了物理引擎的支撐，場景中的很多元素將具備各種物理屬性，如重量、體積、摩擦、能耗、力等，同時這些信息將真實體現于整個仿真過程。

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