構(gòu)建中小學(xué)“虛實(shí)結(jié)合”機(jī)器人競賽活動模式的思路與實(shí)踐

李贊堅(jiān)

摘要：在中小學(xué)開展機(jī)器人活動可以培養(yǎng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，對提高中小學(xué)生的信息技術(shù)和科技素養(yǎng)有著巨大的促進(jìn)作用，目前在國內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛的開展。本文從競賽組織的角度出發(fā)，論述了構(gòu)建中小學(xué)“虛實(shí)結(jié)合”機(jī)器人競賽活動的背景、思路、技術(shù)基礎(chǔ)以及實(shí)踐過程。

關(guān)鍵詞：科技教育；中小學(xué)機(jī)器人競賽；虛擬機(jī)器人；虛實(shí)結(jié)合

中小學(xué)生機(jī)器人活動是一項(xiàng)綜合多種學(xué)科知識和技能的綜合實(shí)踐活動。開展這一項(xiàng)活動可以培養(yǎng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，能夠適應(yīng)新課程改革的需要，對提高中小學(xué)生的信息技術(shù)和科技素養(yǎng)有著巨大的促進(jìn)作用，是發(fā)展青少年綜合素質(zhì)的良好途徑。同時，也可為未來機(jī)器人技術(shù)的廣泛應(yīng)用儲備人才。

在國外，最早的青少年機(jī)器人競賽活動由美國人狄恩卡門（Dean Kamen）在麻省理工學(xué)院的協(xié)助下創(chuàng)辦，在1992年舉辦了首屆競賽。隨后幾年，各類機(jī)器人競賽活動在多個國家得到快速發(fā)展，逐漸從大學(xué)延伸到中小學(xué)。在美國、歐洲、澳大利亞、中東等國家和地區(qū)先后誕生了多達(dá)幾十種面向中小學(xué)生的機(jī)器人活動。其中影響最大的“世界機(jī)器人奧運(yùn)會”（World Robot Olympiad）2004年在新加坡舉辦了首屆活動，活動的參與對像為16～19歲的青少年，共有來自30多個國家的1000多人參加了競賽。該競賽作為年度活動，每屆均由不同城市承辦，最近的一屆活動（第十屆）在2013年由印尼的雅加達(dá)承辦。我國的中小學(xué)智能機(jī)器人教育自2000年左右興起。2001年，中國科協(xié)舉辦了“首屆中國青少年智能機(jī)器人競賽”，2003年，教育部將“中小學(xué)電腦機(jī)器人競賽”納入到“全國中小學(xué)電腦制作活動”。自此開始，由中國科協(xié)和教育部舉辦的競賽為引導(dǎo)，各機(jī)器人生產(chǎn)廠商推動的中小學(xué)機(jī)器人教育開始進(jìn)入中小學(xué)校。目前各省市每年定期舉辦的青少機(jī)器人競賽有電教和科協(xié)等多個系列的活動，開展了擂臺、滅火、足球、VEX、FLL、創(chuàng)意等項(xiàng)目，現(xiàn)已形成一定的規(guī)模，產(chǎn)生了不小的社會影響。

現(xiàn)有的中小學(xué)機(jī)器人競賽活動模式分析

現(xiàn)有的中小學(xué)機(jī)器人競賽活動從技術(shù)手段上，可劃分成實(shí)體機(jī)器人競賽和虛擬機(jī)器人競賽兩類。實(shí)體機(jī)器人競賽是指主要依靠機(jī)器人的實(shí)體設(shè)備開展活動，目前的擂臺、FLL、VEX等項(xiàng)目均屬于實(shí)體機(jī)器人競賽；虛擬機(jī)器人競賽是指利用仿真軟件開展機(jī)器人競賽活動，學(xué)生通過電腦，在仿真系統(tǒng)中設(shè)計程序，模擬實(shí)物機(jī)器人的功能，完成指定的任務(wù)，目前我國已開展了虛擬智能校車、虛擬滅火、3D搜救等多個項(xiàng)目的虛擬機(jī)器人競賽活動。這兩種活動模式各有其優(yōu)勢，也各有不足。

1.實(shí)體機(jī)器人活動模式的優(yōu)劣

學(xué)生通過直接參與實(shí)體機(jī)器人設(shè)備的設(shè)計、組裝，并通過程序設(shè)計使機(jī)器人完成指定的任務(wù)。可以學(xué)習(xí)到機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和基本原理、組裝機(jī)器人的基本方法、計算機(jī)程序設(shè)計等知識與技能，還可以培養(yǎng)科技實(shí)踐能力和協(xié)作完成任務(wù)的能力，是目前開展中小學(xué)機(jī)器人活動的主要優(yōu)勢。

但現(xiàn)有的實(shí)體機(jī)器人活動存在明顯的弊端：①成本問題，由各廠商設(shè)計的機(jī)器人組件價格昂貴格且互不兼容，并頻繁地對設(shè)備進(jìn)行升級換代，對參與的學(xué)校造成了較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，直接限制了活動的參與面；②公平性的問題，現(xiàn)有的實(shí)體機(jī)器人競賽受到成本和時間的限制，不要求學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場組裝和程序設(shè)計，學(xué)生只需把組裝好的機(jī)器人拿到現(xiàn)場參賽即可，這一漏洞使不少機(jī)器人廠商為了商業(yè)利益，直接為學(xué)生提供組裝和程序設(shè)計服務(wù)，致使這一活動成了學(xué)校間拼設(shè)備和廠商間角力的舞臺；③創(chuàng)新性問題，由于實(shí)體機(jī)器人活動高度依賴其硬件設(shè)備和場地的物理?xiàng)l件，在項(xiàng)目設(shè)計的靈活性上受到了很大的制約，一些項(xiàng)目的內(nèi)容近十年沒有變化，其程序的思路與結(jié)構(gòu)每年都大致接近，造成了活動的創(chuàng)新性較差。

2.虛擬機(jī)器人活動模式的優(yōu)劣

虛擬機(jī)器人活動作為器人科技教育的有效補(bǔ)充和功能延伸，目前已經(jīng)有虛擬智能校車、虛擬3D搜救、虛擬滅火、虛擬火炬?zhèn)鬟f等多個項(xiàng)目，與實(shí)體機(jī)器人競賽相比，具有價格低廉、使用方便、極易推廣和使用等優(yōu)勢。尤其突出的是，虛擬機(jī)器人由于其依靠虛擬仿真技術(shù)開展活動，在項(xiàng)目設(shè)計上有很大的活動性，一些實(shí)體機(jī)器人限于物理?xiàng)l件無法實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目，可以用虛擬機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)。

但虛擬機(jī)器人活動也有其“先天的不足”：在一個純虛擬的環(huán)境中，學(xué)生只能在一個人工設(shè)定的系統(tǒng)下去研究問題，無法在真實(shí)的環(huán)境中驗(yàn)證自己的設(shè)計思路，難以進(jìn)行探索性學(xué)習(xí)；所有的“設(shè)備”和“環(huán)境”都處于理想化狀態(tài)，學(xué)生難以體會和理解現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的各種差異性；在虛擬組裝機(jī)器人的過程中，學(xué)生也無法去培養(yǎng)和鍛煉自己的動手能力。

主要設(shè)計思路

筆者根據(jù)多年組織廣州市中小學(xué)機(jī)器人活動的實(shí)踐，認(rèn)為可以通過構(gòu)建一種新型的“虛實(shí)結(jié)合”中小學(xué)機(jī)器人競賽活動模式（以下簡稱“‘虛實(shí)結(jié)合活動”），把虛、實(shí)兩種機(jī)器人活動模式有機(jī)結(jié)合起來，同時運(yùn)用虛擬仿真機(jī)器人系統(tǒng)和實(shí)體機(jī)器人開展活動，這樣既可以利用虛擬機(jī)器人活動的經(jīng)濟(jì)性和靈活性強(qiáng)優(yōu)勢，又能發(fā)揮實(shí)體機(jī)器人活動實(shí)踐性強(qiáng)的長處，從而更好地推廣中小學(xué)機(jī)器人教育活動。筆者認(rèn)為，“‘虛實(shí)結(jié)合活動”內(nèi)容的設(shè)計必須遵循以下三個主要原則。

1.整合性原則

“‘虛實(shí)結(jié)合活動”要實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)節(jié)和實(shí)體環(huán)節(jié)的有機(jī)整合，在這兩個環(huán)節(jié)間應(yīng)該實(shí)現(xiàn)“三個統(tǒng)一”：任務(wù)統(tǒng)一、程序統(tǒng)一、場景統(tǒng)一。任務(wù)統(tǒng)一是指在虛擬環(huán)節(jié)和實(shí)體環(huán)節(jié)采用同一任務(wù)要求、采用同一評分標(biāo)準(zhǔn)；程序統(tǒng)一是指在虛擬仿真運(yùn)行的程序和下載到實(shí)體機(jī)器人上運(yùn)行的應(yīng)是同一個程序，程序必須具有兼容性；環(huán)境統(tǒng)一是指仿真運(yùn)行場景和實(shí)體運(yùn)行環(huán)境的任務(wù)元素和運(yùn)行路線是相同的。通過“三個統(tǒng)一”，體現(xiàn)了虛、實(shí)兩個環(huán)節(jié)是同一個活動任務(wù)的兩種驗(yàn)證方式，保證了活動的整體性。

2.公平性原則

機(jī)器人教育活動的公平性和經(jīng)濟(jì)性是息息相關(guān)的，為了避免這一項(xiàng)目淪為拼財力、拼設(shè)備的“燒錢”游戲，在競賽活動當(dāng)天用到的軟、硬件要由主辦方免費(fèi)提供，學(xué)生在平時學(xué)習(xí)和練習(xí)所用的設(shè)備也必須嚴(yán)格控制其成本；同時，在競賽當(dāng)天只向?qū)W生提供被拆散的機(jī)器人組件，要求學(xué)生現(xiàn)場組裝，也可避免過去出現(xiàn)的由公司技術(shù)人員或指導(dǎo)教師代勞的現(xiàn)象，以體現(xiàn)活動的公平性。endprint