基于虛擬機器人教學(xué)的探究

宮赤坤 陳雄武

0 引言

機器人是高級整合機械電子、計算機科學(xué)、控制論、材料學(xué)和仿生學(xué)的產(chǎn)物，它被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、軍事、生產(chǎn)和教育行業(yè)。機器人作為自動執(zhí)行工作的機器裝置，其功能的靈活性和使用的智能性得到了許多科研人員的關(guān)注。因此，國內(nèi)外諸多高校和科研團隊均開始了對機器人課程建設(shè)的探究。但是，機器人教育目前還處于綜合實踐活動的階段，很多教學(xué)條件和制度規(guī)范還不夠成熟。例如，機器人實驗室就是一個非常苛刻的條件，昂貴的課程教學(xué)方式使學(xué)生很少有機會將所學(xué)理論與機器人本體相結(jié)合。虛擬仿真技術(shù)是通過三維建模技術(shù)來構(gòu)建一個與現(xiàn)實世界中的物體和環(huán)境相同或相似的虛擬三維場景，同時根據(jù)用戶的輸入響應(yīng)做出相應(yīng)的反應(yīng)。基于虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)虛擬機器人教學(xué)，不僅可以降低教學(xué)成本，而且能很好地調(diào)動學(xué)生的積極性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。

1 虛擬機器人的概念

虛擬機器人是指利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機上進行機器人的設(shè)計、編程與仿真分析，保證機器人能夠在虛擬環(huán)境下實現(xiàn)應(yīng)有的功能。根據(jù)虛擬環(huán)境維度的不同，虛擬機器人可以分為二維虛擬機器人和三維虛擬機器人。其中三維虛擬機器人可以采用360°的視角搭建，對動手搭建和程序調(diào)試的能力要求較高，但相對于二維虛擬機器人則更能真實模擬現(xiàn)實世界、還原場景，典型的三維虛擬機器人有USARSim、Webots、Micrisift Robotics Studio、IRobotQ3D 等。搭建好后的機器人經(jīng)保存后便可在不同的場景中調(diào)用，場景中的機器人可以模擬現(xiàn)實世界中所有物體的屬性，使原本靜止的機器人運動起來。

2 虛擬機器人教學(xué)與實體機器人教學(xué)對比

2.1 虛擬機器人教學(xué)

研究表明，將虛擬機器人作為一種教學(xué)工具應(yīng)用于課堂可以起到一舉兩得的效果。首先，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中搭建機器人三維模型；其次，基于機器人本體進行相應(yīng)的程序設(shè)計；最后，通過調(diào)試虛擬機器人模擬現(xiàn)實世界中所有物體的屬性。整個過程是在機器人理論設(shè)計的基礎(chǔ)上進行的，通過程序設(shè)計和虛擬仿真技術(shù)來驗證虛擬模型的可行性。采用虛擬機器人教學(xué)，最直觀的表現(xiàn)就是大幅度提高了學(xué)生的程序設(shè)計能力和邏輯思維。國內(nèi)外很多高校的教授普遍認為，虛擬機器人應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域，不僅豐富了教學(xué)內(nèi)容、激發(fā)了學(xué)生的興趣，而且為控制系統(tǒng)的設(shè)計和程序的編寫打下了扎實的基礎(chǔ)。

2.2 實體機器人教學(xué)

采用實體機器人教學(xué)是一種比較傳統(tǒng)的教學(xué)方式。它側(cè)重于機器人運動學(xué)和動力學(xué)理論的講解，教學(xué)內(nèi)容抽象，無法建立起機器人相關(guān)知識體系、調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。再者，傳統(tǒng)的教學(xué)方式?jīng)]有引進像MATLAB 之類的虛擬軟件，這無疑給學(xué)生帶來了巨大的計算負擔，對所掌握的數(shù)學(xué)和力學(xué)知識提出了更高的要求。當今科技發(fā)展迅速，在工業(yè)4.0 的大背景下，編程技術(shù)和控制系統(tǒng)設(shè)計能力也越來越受到學(xué)生和研究人員的關(guān)注，現(xiàn)已成為一項必不可少的技能。實體機器人教學(xué)形式的單一不利于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，所學(xué)知識的狹窄跟不上時代的步伐。

采用實體機器人教學(xué)是一種非常昂貴的教學(xué)方式。面對高額的機器人教學(xué)器材投資和實驗室建設(shè)，國內(nèi)很多高等院校都望而卻步。由于學(xué)校自身硬件條件的不足，很多學(xué)生沒有充足的機器人器材和實驗室進行實踐，這就導(dǎo)致所學(xué)理論與動手實踐相脫節(jié)，很多技術(shù)問題都只是停留于紙面。

2.3 兩種教學(xué)的對比

通過對虛擬機器人教學(xué)和實體機器人教學(xué)兩者的分析，得出表1 虛擬機器人教學(xué)與實體機器人教學(xué)對比。

表1 虛擬機器人教學(xué)與實體機器人教學(xué)對比

基于實體機器人教學(xué)出現(xiàn)的弊端，很多一線授課教師認為應(yīng)該改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式，把單一枯燥的純理論與實踐相結(jié)合，避免空洞化教育。同時，希望降低教學(xué)用機器人成本，把虛擬仿真技術(shù)（即機器人仿真平臺）引入機器人教學(xué)課程。這樣，教學(xué)課堂將變得更加多樣化，學(xué)生的知識面也能得到拓展，滿足了虛擬機器人教學(xué)和全方位人才培養(yǎng)的需求。

3 虛擬機器人教學(xué)的優(yōu)點

通過虛擬機器人教學(xué)與實體機器人教學(xué)對比，虛擬機器人教學(xué)更具有優(yōu)勢。首先，虛擬機器人教學(xué)是通過借助一臺計算機以虛擬軟件為載體搭建虛擬機器人，并采用編程的方式控制機器人完成各項任務(wù)。這種教學(xué)方式的投入成本較低，方便普及與推廣。其次，從維護的角度來看，虛擬機器人維護方便且維護成本低。實體機器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件易損，在教學(xué)過程中維護成本極高。而虛擬機器人教學(xué)只需一臺計算機，在計算機上安裝虛擬軟件就能實現(xiàn)機器人的構(gòu)建和控制。此外，虛擬機器人使用比實體機器人使用更加方便。實體機器人需要良好的設(shè)備、適宜的環(huán)境和一定的場地，不同廠家不同型號機器人所用的控制和操作方式不同。但虛擬機器人可以采用模塊化設(shè)計和可視化界面，對用戶的操作更加便捷。最后，虛擬機器人為學(xué)生提供了一個良好的編程應(yīng)用環(huán)境，學(xué)生可以使用Python、C++、Java等語言進行編程設(shè)計，很好地培養(yǎng)了學(xué)生的邏輯性和編程習(xí)慣，為今后的學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。

4 虛擬機器人教學(xué)存在的問題

虛擬機器人教學(xué)因其低廉的成本和便捷的操作等諸多優(yōu)勢而被廣泛推廣，但在教學(xué)過程中也存在著一些問題，主要體現(xiàn)在學(xué)生和教師兩方面。

在學(xué)生方面：隨著知識的不斷加深和積累，每個學(xué)生已有的知識儲量、學(xué)習(xí)能力和消化能力差異很大，學(xué)生的積極性也會因為差異的不同而受到影響。一些學(xué)生并不習(xí)慣在短時間內(nèi)應(yīng)用虛擬機器人提供的平臺。他們在搭建虛擬機器人時只是盲目地跟隨老師進行搭建，結(jié)束后也不理解傳感器等功能，缺乏對仿真任務(wù)失敗原因的分析能力。因此，縮小學(xué)生間的差異、使學(xué)生盡快進入虛擬機器人教學(xué)環(huán)境是虛擬機器人教學(xué)面臨的首要問題。

在教師方面：因虛擬機器人教學(xué)資源較少，公開的資料并不豐富等因素，教師的虛擬機器人教學(xué)課前準備略顯不足，這將導(dǎo)致學(xué)生無法在課堂上獲得良好的教學(xué)情境和項目鍛煉。面對這樣的情況，學(xué)生體現(xiàn)出來的往往都是枯燥和缺乏積極性，虛擬機器人教學(xué)并沒有達到真正的效果。所以，在推廣和普及虛擬機器人教學(xué)的同時，亟須國內(nèi)外大型平臺提供資源包，對虛擬機器人教學(xué)進行構(gòu)建和整理。同時，教師也應(yīng)該多拓展思路，可以以教學(xué)PK或微課的形式來鼓勵和指導(dǎo)學(xué)生，激發(fā)出學(xué)生的創(chuàng)新能力。

5 結(jié)語

虛擬機器人教學(xué)是借助一臺計算機，以虛擬軟件為載體搭建虛擬機器人，并采用可視化編程的方式控制機器人完成各項任務(wù)，是一種既方便又先進的教學(xué)方式。通過虛擬機器人教學(xué)與實體機器人教學(xué)的對比，虛擬機器人教學(xué)擁有低廉的成本、便捷的操作和推廣普及容易等諸多優(yōu)勢。并且，虛擬機器人是通過模塊化和可視面向?qū)ο髨D形編程的方式，能夠為學(xué)生今后的計算機編程學(xué)習(xí)打下扎實的基礎(chǔ)。但是，在大力推廣虛擬機器人的同時，我們也不能忽略虛擬機器人在教學(xué)中存在的一些問題，尤其是在學(xué)生和教師這兩個方面。只有在教學(xué)和實踐中不斷地改進和生成，才能更好地提高虛擬機器人教學(xué)的效果。