仿真軟件在《簡易機器人制作》課程教學應用中的思考

摘 要：《簡易機器人制作》作為一門實踐性較強的課程，契合了課程改革的要求，日漸被教育界關注。作者將VJC1.5仿真版軟件應用到《簡易機器人制作》課程教學中，并對該軟件在教學應用中的利弊做了初步分析，以期對今后操作性較強的課程教學提供參考。

關鍵詞：VJC1.5仿真版軟件；簡易機器人制作；課程教學

中圖分類號：G434文獻標識碼：A文章編號：1673-8454（2011）02-0067-04

隨著科學技術的迅速發展，新技術不斷涌現，如何把符合教學特性的新技術更好地應用到教育領域，成為教育工作者的關注焦點。虛擬現實（Virtual Reality）技術不斷成熟，利用虛擬現實技術設計開發出許多教學仿真軟件，目前，仿真軟件在數控編程、電子類、計算機網絡等理工科專業課程教學中得到廣泛應用。筆者將VJC1.5仿真版軟件應用到《簡易機器人制作》課程教學中，反思仿真軟件在教學應用中的利與弊，以期對類似課程教學提供一點建設性意見。

一、基本概述

1.《簡易機器人制作》課程介紹

（1）課程名稱界定混亂

《簡易機器人制作》是培養中小學生動手實踐能力的一門綜合實踐課程。全國部分中小學校開設該課程，但沒有統一的課程名稱，部分學校稱為《智能機器人》、《機器人制作》等課程名稱，[1]本文采用通用技術選修模塊2——技術與設計2中的《簡易機器人制作》為該課程名稱。[2]

（2）課程開設形式

我國中小學開設《簡易機器人制作》課程主要有兩種形式：開設課程形式和課外活動組織興趣小組，興趣小組主要以競賽為主。本文探討VJC1.5仿真版軟件在中小學《簡易機器人制作》課程教學中的應用。

（3）課程特點

首先，《簡易機器人制作》是一門操作性較強的綜合課程。該課程由機器人硬件的搭建、機器人活動場地的搭建以及活動程序的編寫三部分內容組成。每一部分都要求學生親自參與，即自主體驗性，并要求仔細地觀察機器人行為、反復地調整機器人的硬件，不斷地調試程序，直到機器人圓滿完成任務為止。

其次，《簡易機器人制作》是一門綜合性的技術課程。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術。[3]在中小學《簡易機器人制作》課程中，要求學生知道單片機和機械傳動的基本知識，能設計與制作由單片機和傳動機械等組成的簡易自動控制機器或簡單的自動控制系統。[2]

最后，《簡易機器人制作》是一門培養學生創新精神和實踐能力的課程。《2007年全國中小學機器人教學研討會會議紀要》指出:在教學指導思想和教學目的上，從原來只為競賽獲獎、注重技術技能的掌握、注重一個項目完成的淺層次認識，上升到了培養學生的創新精神和實踐能力即人才培養的層次，明確提出了“機器人教學活動不僅培養學生的實踐技能技巧，更著眼于促進學生智力發展、思維拓展和綜合科學素質提高”的觀點。會議經過交流研討，一致認為機器人教育的目標應該是“提升學生的信息素養和技術素養，培養學生的創新精神和實踐能力，促進學生德、智、體、美全面發展”，這個目標應成為機器人教育的指導思想和實踐依據。[4]

通過《簡易機器人制作》課程的開設，學生能夠自主體驗，極大地提高了學生的興趣；因為該課程的綜合性，學生很難單獨完成活動任務，通常要求學生協作完成，培養學生的協作精神與協作能力；此外，在仔細觀察、反復修改與不斷調試過程中，培養學生觀察能力，分析問題與解決問題的能力；最終使學生的動手實踐能力真正得到提高。可見，《簡易機器人制作》課程應該在中小學普及開設，但由于課程的開設需要大量的經費支持，可以考慮通過仿真軟件（仿真機器人）與配備較少數量的機器人實現課程開設。

2. VJC1.5版仿真軟件介紹

目前，機器人仿真軟件有RoboWorks、BugWorks2D、Robot Simulator、Camelots Ropsim、Mobile Robot Simulators等等，[5]這里介紹廣袤達提供的“能力風暴VJC1.5仿真版”軟件。廣茂達伙伴機器人有限公司開發的“能力風暴VJC1.5仿真版”（簡稱“VJC1.5仿真版”），是該公司繼“能力風暴VJC1.5開發版”之后又一款強大的開發工具，其編程方法秉承了“VJC1.5開發版”簡便易學的圖形化編程風格，與“VJC1.5開發版”相輔相成，用戶通過“VJC1.5仿真版”軟件能理解并掌握“VJC1.5開發版”的使用方法 。同時，用戶能在PC機上對程序進行仿真，通過虛擬機器人模擬“能力風暴智能機器人”的行為，從而驗證程序的正確性，提高程序設計與調試能力。此外，“VJC1.5仿真版”提供了豐富的程序范例，方便學生學習與提高。[6]但“VJC1.5仿真版”軟件也有不足之處，一方面，沒有提供仿真環境下機器人硬件搭建平臺；另一方面，只提供一種程序編寫方法——圖形化編程方法，并且編寫好的程序不能直接下載到機器人上進行調試。

二、VJC1.5仿真版軟件在教學中的應用

《簡易機器人制作》課程是一門實踐操作性較強的課程，但需要在對機器人的控制系統、硬件知識有一定理解的基礎上再使用仿真軟件，才能夠深入理解與鞏固知識，該課程教學一般采用“任務驅動式”教學方式展開教學。

1.編寫程序

VJC1.5仿真版軟件提供了簡便易學的圖形化編程方法，同時可以顯示JC代碼。其程序的編寫主要通過對模塊的操作來完成，包括對模塊的添加、刪除、連接以及對模塊中參數的調整。VJC1.5仿真版軟件提供了四個模塊：執行模塊、傳感器模塊、控制模塊和程序模塊，其中執行模塊與傳感器模塊是核心，其主要功能是用程序驅動機器人硬件部分運轉。模塊的選擇具體由任務來確定。

2.活動場地的搭建

在VJC1.5仿真版軟件中提供了兩種界面，一種流程圖界面，另一種仿真界面，活動環境的搭建是在仿真界面下實現的。在仿真界面下，可以通過環境編輯模塊來實現具體活動場地的搭建，具體環境編輯模塊包括實體、聲源、光源和清除，在實體模塊中提供了障礙物和圖帶，根據具體任務，通過修改、調整環境編輯模塊中的具體參數實現活動場地的搭建。

3.任務的調試與仿真

在完成環境搭建和程序編寫之后，接下來進入具體任務的調試與仿真教學環節，此環節是教學過程中的關鍵環節，通過反復仔細觀察仿真結果、不斷修改程序的過程，鍛煉了學生思考問題、分析問題與解決問題的能力。

下面以具體一節課案例來介紹VJC1.5仿真版軟件在教學中的應用，例如利用VJC1.5仿真版軟件編寫一段程序、讓機器人沿固定路線行走的任務，并完成任務環境的搭建。

本節課的學習目標：讓學生理解掌握灰度檢測傳感器的功能及灰度檢測函數調用。在給學生布置任務之前，教師已經講解了有關灰度檢測傳感器的相關知識——主要功能、灰度檢測的函數調用等。在了解這些知識的基礎上，通過布置相關的任務來加深對知識的理解與應用。在明確任務的過程中，首先根據任務去搭建機器人運行場地，因為機器人運行場地中圖帶顏色的選擇將影響到程序的編寫，學生可以發揮想象力去搭建機器人運行場地，思考搭建過程中應該選擇哪些環境模塊，最終完成機器人活動場地的搭建。機器人沿固定線路行走的活動場地如圖所示。

接下來在分析機器人活動場地和任務的基礎上，選擇具體模塊編寫程序，經分析應選擇的模塊有：執行模塊庫中的直走、轉彎或者馬達模塊，傳感器模塊庫中有地面灰度檢測模塊，控制模塊中選擇所需的循環模塊。這些模塊是機器人完成任務所必須的模塊，另外可以根據需要添加其余的模塊，例如機器人到達終點用聲音提示或編一首曲子等。在程序編寫過程中，應該先檢測所選路線顏色的灰度數值，通過調用surface();函數來檢測黃色與綠色的灰度數值surf1=43，surf2=85，整個程序通過不斷判斷綠色的灰度數值決定機器人的行走路線。有了整個分析過程，接下來就是如何把分析思路用程序來展現。本程序可以由出發、沿線走和到達三部分組成，具體機器人沿固定路線行走程序如表所示。

程序編完之后，最關鍵最難完成的環節在于，根據仿真的結果不斷修改與調試每個模塊中的參數，這個過程是比較痛苦的，但也最能鍛煉學生思考問題、分析問題和解決問題的能力，最終比較理想地完成任務。

三、仿真軟件在教學應用過程中的利與弊

通過VJC1.5仿真版軟件在教學應用中的思考，探析仿真軟件在教學應用過程中的利與弊。

1.仿真軟件在教學應用中的優勢

（1）減少教學經費開支

仿真軟件減少教學經費開支是相對的。把所有實踐性課程都在仿真環境下實現，提高學生的動手實踐能力更是不現實的。仿真環境下可以減少購買實驗設備的數量，減少在實驗過程中由于學生誤操作造成實驗設備的損壞及零部件的損壞，原因在于：一方面在學生對整個實驗流程比較清晰的情況下，提高實驗效率；另一方面，在仿真環境下，學生對知識進行內化，加深對知識的理解，可以減少實驗過程中誤操作所造成的零部件損耗，從整體上可以減少購買實驗設備的經費開支。

（2）排除實驗心理障礙，提高實驗效率

在使用仿真軟件的過程中，學生可以大膽嘗試實驗，不會畏懼危險實驗的發生，從心理上減少對實驗的畏懼感。此外，在仿真環境下完成整個實驗的操作，實際上學生已經對整個實驗思路或步驟有了清晰的認識，而且在仿真環境中學生已經有了實驗的經驗，在真實實驗室中進行具體的實驗操作當然得心應手，可以避免或排除部分學生畏懼實驗的心理，打破部分學生在實驗室根本不知道從何下手的局面，尤其對那些沒有提前預習實驗的學生更有利。仿真軟件在課堂教學中的應用，一方面，使學生重新認識實驗課程，排除部分學生對實驗課程的擔憂；另一方面，可大大提高在真實實驗室進行操作時的效果。

（3）加深對知識的理解，提高學生思考問題的能力

在課堂教學中應用仿真軟件，在教師初步對相關知識講解的基礎上，讓學生通過實驗的方式，在仿真環境下重新建構自己的知識體系，本身就是對知識進行內化的過程。在實驗過程中，由于任何實驗操作的偏差都會有預想不到的結果，為了達到理想的實驗結果，學生就要通過仔細觀察仿真實驗結果，通過仿真結果去判斷在哪些環節出了問題，從結果出發分析問題，找到解決問題的方法。在整個實驗過程中，學生分析問題、解決問題的能力得到鍛煉。當遇到很難解決的問題時，可以請求同伴的幫忙，體現了同學之間協作學習的精神，也鍛煉了學生的協作能力。在整個過程中，不僅鞏固了學生對知識的理解與靈活應用，更重要的是培養了學生部分能力。

2.仿真軟件在教學應用中的弊端

（1）缺乏實踐能力的培養

仿真軟件提供的仿真環境是比較理想的，但也不可能提供給學生親自體驗與操作的臨場感覺，尤其對那些需要用嗅覺或觸覺去感知事物的實驗，在仿真環境下是沒有辦法實現的。另外，仿真環境是較為理想的狀態，在真實實驗室中一些干擾因素沒有辦法控制，只能想辦法減少干擾因素，這些都會對實驗結果產生影響。因此，在仿真環境下修改與調試的程序在真實實驗中就不適合，應該考慮的因素更多，否則就是空談理論，紙上談兵。例如，在真實機器人實驗過程中，必須考慮場地本身存在的摩擦、機器人左右輪子本身存在的偏差、光敏傳感器應用中周圍環境的影響等因素，這些都會影響最終實驗結果。

（2）情感目標難以實現

仿真軟件比較適合于理工科等操作性較強的學科，側重于學生能力的培養，在仿真環境下能夠引起學生的興趣，提高實驗效果。但它只是教學過程中的輔助手段，不可能也無法完全代替人的全部活動，尤其對于學生道德情感及身心健康等方面的培養難以實現。[7]

結束語

在教學過程中，沒有萬能的教學方法，同樣也沒有萬能的仿真軟件，任何仿真軟件應用于教學中都有利與弊。重要的是在教學應用中如何發揮仿真軟件的優勢，不斷完善仿真軟件自身的不足，擴充仿真軟件的教學功能。在發現仿真軟件的弊端時，應該把仿真軟件與真實實驗室教學相結合，彌補仿真軟件的弊端。綜合考慮仿真軟件的利與弊，更好地發揮仿真軟件的教學功能，為教學服務，提高教學效果，真正重視學生能力的培養。上述只是筆者應用仿真軟件的一點體會，以期對今后操作性較強的課程教學提供參考。

參考文獻：

[1]李強.仿真軟件——機器人教學的好幫手[J].中國信息技術教育，2009，（7）.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中技術課程標準（實驗）[M].北京：人民教育出版社，2003.

[3]崔秦元，侯約強.機器人(碼垛機械手)發展的前景與應用[J].中國食品工業，2008，（10）.

[4]2007年全國中小學機器人教學研討會會議紀要[EB/OL].http://www.chinaite.cn/pd_xwzx/2008/0103

/article_21.html.

[5]機器人常用仿真軟件[EB/OL].http://www.douban.com/group/topic/11409878/.

[6]上海廣袤達伙伴機器人有限公司.VJC1.5仿真版使用手冊[EB/OL].http://www.grandar.com.

[7]湯躍明.虛擬現實技術在教育中的應用[M].北京：科學出版社，2007.

（編輯：魯利瑞）