用IROBOTQ3D進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)(高中)與競賽的可行性探究

劉曉峰

摘 要：鄉(xiāng)鎮(zhèn)高中機(jī)器人教學(xué)作為一些課外選修、興趣學(xué)科，面對(duì)的現(xiàn)實(shí)是實(shí)驗(yàn)器材少、訓(xùn)練場地的制約，難以全面普及。近年來，高仿真的3D虛擬機(jī)器人軟件開始出現(xiàn),而IRobotQ3D就是其中功能比較全面的，通過選擇它作為教學(xué)軟件，可以在鄉(xiāng)鎮(zhèn)高中學(xué)生中形成機(jī)器人選修教程，從而推動(dòng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)高中一定的機(jī)器人普及教育。

關(guān)鍵詞：IRobotQ3D； 鄉(xiāng)鎮(zhèn)高中； 機(jī)器人教學(xué)軟件； 機(jī)器人選修課

中圖分類號(hào)：G434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-3315（2014）03-022-001

《江蘇省普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)要求》（2006年）中有一個(gè)模塊選修5：人工智能初步，本模塊的教學(xué)應(yīng)強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生體驗(yàn)人工智能技術(shù)的具體應(yīng)用；根據(jù)高中學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和本校實(shí)際情況開展教學(xué)；要注意發(fā)現(xiàn)有特長的學(xué)生并對(duì)他們進(jìn)行有針對(duì)性的教學(xué)。

而機(jī)器人就屬于人工智能的一塊分支，它是一門集合了應(yīng)用數(shù)學(xué)、力學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、控制、傳感技術(shù)、通信和人工智能等多種技術(shù)在內(nèi)的綜合實(shí)踐性課程，它要求學(xué)生能夠綜合地、靈活地運(yùn)用各種知識(shí)，在團(tuán)隊(duì)合作、實(shí)踐操作的學(xué)習(xí)形式下完成一個(gè)個(gè)小項(xiàng)目，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用信息分析問題、解決問題的能力。機(jī)器人教學(xué)體現(xiàn)了“做中學(xué)”的教學(xué)理念,在學(xué)習(xí)過程中強(qiáng)調(diào)動(dòng)腦與動(dòng)手的結(jié)合,從而有利于改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式,為學(xué)生的終身學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。世界發(fā)達(dá)國家例如美國、英國、法國、德國、日本等已把機(jī)器人教學(xué)納入中小學(xué)教育之中，我國許多有條件的中小學(xué)也開展了機(jī)器人教育。

但由于受到經(jīng)費(fèi)、師資、器材等因素的制約，在高中階段只涉及軟件的學(xué)習(xí)，在完全虛擬的3D環(huán)境來進(jìn)行組裝，調(diào)試，更改，成為一個(gè)很好的介入機(jī)器人學(xué)習(xí)的一種可行的途徑。

但正因?yàn)槭侨浖木壒剩瑳]法給我們實(shí)際環(huán)境中的真實(shí)的體驗(yàn)，比如輪胎材質(zhì)的摩擦力，馬達(dá)的不同轉(zhuǎn)速所帶來不同的扭矩感受等，當(dāng)然這是由于直接的經(jīng)濟(jì)問題帶來的結(jié)果，下面就我使用這款軟件所得的感受論述之，以此證明IRobotQ3D用在高中選修教學(xué)中還是有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)的。

核心技術(shù)：

IRobotQ3D虛擬機(jī)器人軟件提供了多個(gè)平臺(tái)，有機(jī)器人搭建平臺(tái)，設(shè)計(jì)場景調(diào)試平臺(tái)，在線網(wǎng)絡(luò)對(duì)戰(zhàn)平臺(tái)。

場景調(diào)試平臺(tái)突出了基于物理引擎的設(shè)計(jì)，能模擬真實(shí)的物體運(yùn)動(dòng)以及物體的密度、質(zhì)量、速度、加速度等各種現(xiàn)實(shí)物理屬性，在發(fā)生碰撞、受力、摩擦等運(yùn)動(dòng)時(shí)能模擬出不同的運(yùn)動(dòng)效果。

優(yōu)點(diǎn)：可以選擇不同的測試場景，不用制作購買相應(yīng)的材料。也可以自己定義構(gòu)造一個(gè)測試的環(huán)境，天空，陸地，海洋信手拈來。是一個(gè)完全開放的任務(wù)體系。

缺點(diǎn)：情景不夠真實(shí)，另外虛擬機(jī)器人軟件的各種不足，教學(xué)中設(shè)計(jì)的任務(wù)往往會(huì)忽略很多現(xiàn)實(shí)生活中的因素，出現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過于理想化，虛擬化的現(xiàn)象。使學(xué)生對(duì)所學(xué)習(xí)的物理傳感器的作用不夠真實(shí)、深刻。不利于學(xué)生思維嚴(yán)謹(jǐn)性和周密性的培養(yǎng)。

搭建平臺(tái)是3維的，可以360度球形的看整個(gè)設(shè)計(jì)、拼裝的機(jī)器人，在搭建的過程中只要注意相對(duì)應(yīng)的拼裝點(diǎn)連接就可以了，釋放起來也很方便。相同的部件可以通過復(fù)制的方式完成，減少實(shí)際過程的工作量。制作好的機(jī)器人可以保存起來，如果要在不同的環(huán)境中調(diào)用，只要更改一些細(xì)節(jié)的地方就可以了，著實(shí)方便。

優(yōu)點(diǎn)：可以培養(yǎng)學(xué)生的三維空間感，減少反復(fù)拼裝所花的時(shí)間。

缺點(diǎn)：沒法體會(huì)到實(shí)際拼裝，動(dòng)手的快樂。

完成一個(gè)項(xiàng)目、構(gòu)建一個(gè)機(jī)器人作品，需要考慮機(jī)械搭建、建好執(zhí)行機(jī)構(gòu)、構(gòu)思控制電路，選擇傳感器及其安放位置，設(shè)計(jì)控制邏輯和編寫程序等。當(dāng)這些內(nèi)容都考慮好并實(shí)施后，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人也未必能像想象中的那樣工作。這時(shí)，就要求制作者仔細(xì)分析問題的癥結(jié)及其解決辦法。讓制作者按照規(guī)定的邏輯一步一步去實(shí)驗(yàn)、去探索、去研究，從而真正完成項(xiàng)目機(jī)器人的制作。這個(gè)過程是個(gè)手腦結(jié)合的過程，面對(duì)相同的任務(wù)，不同的思考就有不同的設(shè)計(jì)和結(jié)果。

Noc網(wǎng)絡(luò)競賽平臺(tái)，類似QQ的對(duì)戰(zhàn)游戲。大家在統(tǒng)一構(gòu)造好的場景下，各自設(shè)計(jì)自己的賽車和程序，然后去放在同一環(huán)境下競賽，看各自的成績，在此過程中大家可以相互交流設(shè)計(jì)的思路，然后去完善，共同提高！

優(yōu)點(diǎn)：可以省卻比賽必須要面對(duì)面的方式，節(jié)省其中所要花費(fèi)的交通、住宿費(fèi)用，而且在同一臺(tái)服務(wù)器下競賽，比真實(shí)的環(huán)境更加公平公正，機(jī)器人也沒有損壞的危險(xiǎn)。

缺點(diǎn)：大家交流時(shí)，機(jī)器人的直觀性不夠，相互使用的計(jì)算機(jī)配置不可能完全一樣，或許這點(diǎn)不夠公平。

不少虛擬機(jī)器人比賽的任務(wù)場景華麗，設(shè)計(jì)新穎，對(duì)學(xué)生有很大的吸引力和挑戰(zhàn)性。在IROBOTQ3D中，大部分任務(wù)都具有很強(qiáng)的目標(biāo)導(dǎo)向性，學(xué)生完成任務(wù)的情況，只看運(yùn)行結(jié)果就能一目了然，以致學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)通常都采用終結(jié)性評(píng)價(jià)。

虛擬機(jī)器人教學(xué)，既有明顯的程序特征，又有典型的應(yīng)用特點(diǎn)，讓學(xué)生通過虛擬機(jī)器人的學(xué)習(xí)，能夠在創(chuàng)新思維、動(dòng)手實(shí)踐和解決問題等能力上得到真正的發(fā)展與提升，為今后的學(xué)習(xí)、工作、生活打下良好的基礎(chǔ)。

任何事物都是有兩面性的，在面對(duì)實(shí)驗(yàn)器材少、訓(xùn)練場地的制約時(shí)，通過開展3D虛擬機(jī)器人的學(xué)習(xí)，能大大的提高我們機(jī)器人教學(xué)效果，為我們的素質(zhì)教育提供了一條很好的出路，也應(yīng)該能在機(jī)器人教學(xué)（高中）中擁有美好的明天。

參考文獻(xiàn)：

[1]杭州蘿卜圈3D仿真網(wǎng)絡(luò)軟件公司——入門教程

[2]周雪鏞.探索鄉(xiāng)鎮(zhèn)初中機(jī)器人教學(xué)的途徑，科學(xué)大眾2011.(2)