淺談虛擬機(jī)器人軟件教育的有效性

熊國全

近年來，各地利用虛擬機(jī)器人軟件開展機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)，憑借在物質(zhì)和時(shí)間上的優(yōu)勢(shì)獲取最佳的教學(xué)效果，成為學(xué)生能力和素質(zhì)培養(yǎng)的新平臺(tái)。筆者曾分別使用多款虛擬機(jī)器人軟件平臺(tái)進(jìn)行課堂教學(xué)嘗試和探索，也獲得了不少感受與啟發(fā)。

● 虛擬機(jī)器人的教育優(yōu)勢(shì)

與實(shí)體機(jī)器人相比，虛擬機(jī)器人的教育具有以下優(yōu)勢(shì)：

1.低投入，突破經(jīng)濟(jì)障礙

相對(duì)于實(shí)體機(jī)器人，利用虛擬機(jī)器人軟件，無論在前期的設(shè)備和應(yīng)用環(huán)境構(gòu)建投入，還是后期維護(hù)更新的投入都將大大降低。例如，虛擬機(jī)器人教學(xué)對(duì)設(shè)備的要求較低，在普通機(jī)房即可進(jìn)行，不需要建立單獨(dú)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。

2.易管理，降低教學(xué)成本

使用實(shí)體機(jī)器人開展課堂教學(xué)的學(xué)校，在后期的活動(dòng)開展和過程管理中出現(xiàn)了很多問題，如教學(xué)活動(dòng)中設(shè)備管理難，設(shè)備損壞率高，實(shí)體機(jī)器人穩(wěn)定性不強(qiáng)等。而虛擬機(jī)器人作為一種純軟件環(huán)境，具有不受硬件、場(chǎng)地限制等優(yōu)勢(shì)，便于大范圍教學(xué)的開展和管理。

3.降難度，完善程序教學(xué)

使用虛擬機(jī)器人軟件開展教學(xué)，一方面，避免了實(shí)體機(jī)器人出現(xiàn)硬件故障等問題，學(xué)生能更清楚地理解機(jī)器人是怎樣在程序的控制下活動(dòng)的，也能更好地體會(huì)“程序是機(jī)器人的靈魂”的思想；另一方面，虛擬機(jī)器人軟件使“算法”和“程序”變得直觀而形象，從而能更有效地訓(xùn)練學(xué)生的邏輯思維能力、規(guī)劃能力。

● 虛擬機(jī)器人軟件的教育有效性

正因?yàn)槭褂锰摂M機(jī)器人軟件開展教學(xué)具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，國內(nèi)涌現(xiàn)了眾多虛擬機(jī)器人系統(tǒng)，但是在這些虛擬機(jī)器人軟件中，并不是所有的軟件都適宜機(jī)器人教學(xué)。結(jié)合多年的機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐，筆者認(rèn)為若能提升學(xué)生的信息素養(yǎng)和技術(shù)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，這樣的虛擬機(jī)器人軟件才具有良好的教育有效性。

1.內(nèi)容豐富，保障創(chuàng)新

如今的機(jī)器人教學(xué)在教學(xué)指導(dǎo)思想和目的上，正在從原來只為競(jìng)賽獲獎(jiǎng)、注重技術(shù)技能的掌握、注重一個(gè)項(xiàng)目的完成的淺層次認(rèn)識(shí)，上升到培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，即人才培養(yǎng)的層次。而只有當(dāng)軟件提供盡可能多的構(gòu)建組件、電子模塊和任務(wù)元素，學(xué)生在完成任務(wù)的過程中能構(gòu)建充滿個(gè)性與創(chuàng)意的智能機(jī)器人，才能給創(chuàng)新提供必要的基礎(chǔ)保障。在IRobotQ 3D中有五大類數(shù)百個(gè)機(jī)器人組件元素，具備不同物理屬性的多種控制器和驅(qū)動(dòng)模塊，各種類型的積木件，充滿創(chuàng)意的傳感器世界，讓創(chuàng)意不再受限于技術(shù)，可以充分發(fā)揮每個(gè)孩子的智慧創(chuàng)造力。例如，完成《跑道競(jìng)速》，在IRobotQ 3D軟件平臺(tái)中，學(xué)生可以使用不同的組件搭建多種不同的機(jī)器人，使用不同的傳感器來完成任務(wù)（如圖1），從而使得完成這個(gè)任務(wù)的虛擬機(jī)器人呈現(xiàn)多樣性，即給拓展和創(chuàng)新思維提供保障。而筆者試用了其他的軟件，都無法修改虛擬機(jī)器人，組件相對(duì)較少，完成任務(wù)的方式比較單一，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力方面就顯得力不從心。

2.返璞歸真，傳遞科學(xué)

虛擬機(jī)器人是在計(jì)算機(jī)上對(duì)實(shí)體機(jī)器人進(jìn)行模擬，但這“虛”并不妨礙虛擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)要遵循真實(shí)世界的物理規(guī)律。虛擬機(jī)器人軟件不支持物理引擎，會(huì)導(dǎo)致三維仿真程度不足，只能展現(xiàn)少量真實(shí)世界的物理規(guī)律，只能理想化地模擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，這樣的虛擬機(jī)器人教學(xué)對(duì)提升學(xué)生的信息素養(yǎng)和培養(yǎng)創(chuàng)新精神的效果有很大局限性。當(dāng)虛擬機(jī)器人軟件支持物理引擎，可以在各種逼真三維環(huán)境中展現(xiàn)真實(shí)世界的物理規(guī)律，盡可能將正確的科學(xué)知識(shí)傳遞給使用者；能夠完整展現(xiàn)機(jī)器人活動(dòng)的各個(gè)應(yīng)用環(huán)節(jié)，高度接近實(shí)際環(huán)境下的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，仿真過程能支持各種實(shí)時(shí)參數(shù)展示以及多視角自由切換，能夠直觀地展示機(jī)器人運(yùn)行的效果，能展現(xiàn)真實(shí)世界的眾多物理規(guī)律，盡可能將準(zhǔn)確的知識(shí)傳遞給使用者。同時(shí)，由于有了物理引擎的支撐，場(chǎng)景中的各種元素都可具備各種物理屬性，如重量、體積、摩擦、能耗、力等，以使任務(wù)場(chǎng)景三維立體，真實(shí)感強(qiáng)。

例如，在《讓機(jī)器人飛翔》的教學(xué)中，要求機(jī)器人起飛后，沿著指定的方向飛行。在這個(gè)任務(wù)中，控制機(jī)器人飛行狀態(tài)就涉及物理學(xué)上的力的控制。若虛擬機(jī)器人軟件支持物理引擎，就可以設(shè)計(jì)出像《讓機(jī)器人飛翔》這樣三維立體、真實(shí)感強(qiáng)的任務(wù)場(chǎng)景，同時(shí)在完成任務(wù)的過程中，可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行力的分析（如圖2），培養(yǎng)學(xué)生的拓展思維，創(chuàng)新精神。只有這樣返璞歸真，才能引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)確地理解虛擬機(jī)器人的算法和程序，正確理解其中隱含的科學(xué)規(guī)律，這樣的軟件才具有良好的教育有效性。

3.基于網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域互動(dòng)

虛擬機(jī)器人軟件通過構(gòu)建虛擬機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)環(huán)境，編寫虛擬機(jī)器人的程序，模擬現(xiàn)實(shí)情況下機(jī)器人在特定環(huán)境中的運(yùn)行情況。雖然基于單機(jī)應(yīng)用的虛擬機(jī)器人依然可以提升學(xué)生的信息素養(yǎng)和技術(shù)素養(yǎng)，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。但是在信息時(shí)代，教育交流不再局限于一個(gè)小小的機(jī)房，區(qū)域交流互動(dòng)成為趨勢(shì)。基于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式的虛擬機(jī)器人軟件，能將虛擬機(jī)器人活動(dòng)構(gòu)建在日益發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，提供學(xué)生、教師、家長等各種成員間的有效區(qū)域互動(dòng)，使得組織機(jī)器人活動(dòng)變得非常輕松，并能有效降低活動(dòng)的參與門檻，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)教育資源的均衡配置。

例如，我校所在的區(qū)設(shè)置了一個(gè)IRobotQ 3D服務(wù)器，只要在這臺(tái)服務(wù)器上配置好一個(gè)教學(xué)項(xiàng)目，則全區(qū)所有的電腦都可通過客戶端，接入這服務(wù)器，使用同一個(gè)項(xiàng)目。教學(xué)中，整個(gè)區(qū)的學(xué)生可以使用單人學(xué)習(xí)訓(xùn)練的自由調(diào)試仿真模式，也可以通過在線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行各種不同等級(jí)的任務(wù)挑戰(zhàn)或PK。有了網(wǎng)絡(luò)支持，徹底擺脫了單機(jī)應(yīng)用方式的后繼乏力問題，有效建立起了一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的、充滿樂趣的區(qū)域化科技創(chuàng)新應(yīng)用環(huán)境。

4.虛實(shí)結(jié)合，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)

虛擬機(jī)器人教學(xué)，可以提升學(xué)生的信息素養(yǎng)和技術(shù)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。但是，機(jī)器人仿真畢竟是在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建虛擬機(jī)器人和仿真環(huán)境，編寫虛擬機(jī)器人的程序，不存在現(xiàn)實(shí)生活中很多不可忽視的因素，使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過于理想化，往往易片面強(qiáng)化仿真的虛擬性、仿真性，而忽略了仿真世界與客觀世界的聯(lián)系，忽視了學(xué)生直接面對(duì)現(xiàn)實(shí)世界，感受來自自然與自我的挑戰(zhàn)。因此，使用不能支持虛實(shí)結(jié)合的仿真軟件，不但難以達(dá)到虛擬機(jī)器人的教學(xué)目的，而且不利于對(duì)學(xué)生思維嚴(yán)謹(jǐn)性和周密性的培養(yǎng)，也不利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的形成。若虛擬機(jī)器人軟件支持虛實(shí)結(jié)合，學(xué)生在虛擬環(huán)境中調(diào)試程序，發(fā)揮虛擬機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)，完善算法和程序，再將調(diào)試好的程序下載到實(shí)體機(jī)器人，通過觀察實(shí)體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)的眼光去觀察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和發(fā)展。通過這種循序漸進(jìn)的反復(fù)訓(xùn)練，學(xué)生就能領(lǐng)悟到虛擬與現(xiàn)實(shí)的區(qū)別，進(jìn)而發(fā)揮虛實(shí)結(jié)合、相得益彰的優(yōu)勢(shì)。

此外，中國的機(jī)器人教育經(jīng)過十多年的發(fā)展，已經(jīng)具有了相當(dāng)?shù)幕鶎踊A(chǔ)，這其中包含了各種不同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備和各種不同設(shè)計(jì)理念帶來的不同操作習(xí)慣，因此如果能與現(xiàn)有的各種設(shè)備和習(xí)慣有所融合，對(duì)中國的機(jī)器人教育發(fā)展將是一件極有戰(zhàn)略意義和社會(huì)價(jià)值的事。例如，IRobotQ 3D可以跨平臺(tái)選擇不同的機(jī)器人平臺(tái)，編輯調(diào)試分別與國內(nèi)多種知名機(jī)器人相匹配的程序，并可以將調(diào)試好的程序下載到相應(yīng)的實(shí)體機(jī)器人，讓實(shí)體機(jī)器人展示與虛擬機(jī)器人有差異的運(yùn)動(dòng)，從而充分利用原有的實(shí)體機(jī)器人，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合電學(xué)、力學(xué)知識(shí)展開討論，研究真實(shí)場(chǎng)地中摩擦力、電池電量的損耗等因素對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的影響。通過虛實(shí)結(jié)合和跨平臺(tái)，虛擬機(jī)器人教學(xué)把程序的抽象、虛擬機(jī)器人的仿真性和實(shí)體機(jī)器人的實(shí)體真實(shí)性緊密地結(jié)合了起來。

5.編寫教材，完善教學(xué)

教學(xué)教材是影響虛擬機(jī)器人教學(xué)的一個(gè)重要因素。虛擬機(jī)器人軟件要能充分展示其教育有效性，還需要有相應(yīng)的優(yōu)質(zhì)教學(xué)教材。

例如，IRobotQ 3D的教學(xué)教材編寫得到了一線教師的大力支持，比較完善的有浙江省教育廳第一批普通高中推薦選修課程——《創(chuàng)意與制作之虛擬機(jī)器人》、山東淄博的《蘿卜圈網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人課程》等。

6.競(jìng)賽激勵(lì)，提升素養(yǎng)

在虛擬機(jī)器人課堂教學(xué)中，一定有優(yōu)秀學(xué)生脫穎而出。對(duì)于這些學(xué)生，我們可以選派他們參加虛擬機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)目或?qū)嶓w機(jī)器人競(jìng)賽。通過訓(xùn)練，他們能逐步具有果斷、勇敢、自信的個(gè)性和遇事不慌等品質(zhì)，也因此，在比賽場(chǎng)地容易適應(yīng)瞬息萬變的局面，容易駕馭各種突發(fā)事件以及沉著應(yīng)戰(zhàn)、敢于迎接失敗。通過參加競(jìng)賽，這些學(xué)生的信息素養(yǎng)得到進(jìn)一步提升。同時(shí)，教師可向?qū)W生們介紹參賽學(xué)生經(jīng)過失敗和挫折取得優(yōu)異成績的事例，充分發(fā)揮榜樣作用，有助于激發(fā)大部分學(xué)生培養(yǎng)自身信息素養(yǎng)的自信心。所以，部分學(xué)生參加競(jìng)賽能“由點(diǎn)帶面”提升全體學(xué)生的信息素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的全面發(fā)展，推動(dòng)機(jī)器人課堂教學(xué)的全面協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)虛擬機(jī)器人教學(xué)的有效性。