虛擬機器人在農村小學機器人教學中的應用研究

李 丹

李丹/長春教育學院信息技術部教師（吉林長春130061）。

機器人教育是一種全新的綜合性教育，主要是指學習機器人的知識與技能。它體現了從知識為核心向能力為核心的教育思想轉變，能培養學生的科技素養、創新能力、綜合設計能力、動手實踐能力以及學生的團隊協作能力。在國外發達國家，機器人教育一直是教育關注的熱點。在我國頒布的《義務教育階段信息技術課程標準》和《國家九年義務教育課程綜合實踐活動指導綱要》中，機器人的設計和制作已經被列入小學和中學信息技術課程的選修內容，在最新的“基礎教育信息技術課程標準（意見征求稿）”中，義務教育階段一共設置五個模塊，包括：硬件與系統管理、信息加工與表達、網絡與信息交流、算法與程序設計、機器人設計與制作，其中機器人設計與制作已經作為一個模塊出現。由此可見，機器人教學已經納入了我國中小學通用技術與信息技術教育內容之中，成為技術教育的一部分。

然而，我國農村學校開展機器人教學面臨教育條件和教育資源不足的情況，實體機器人的高昂價格成為農村小學信息技術課堂機器人教學的“瓶頸”，如何在農村信息技術課堂實施機器人教學，我們尋求到一種新的機器人教育載體——虛擬機器人，這種方式既能回避機器人硬件昂貴的問題，又能從一定程度上使學生了解和認識機器人的結構與功能，完成項目的設計，為普及機器人教學開辟了一條新的途徑。本文從農村小學開展虛擬機器人教學的條件、產品的選擇、教學目標和教學內容等方面為廣大農村小學教師提供指導和參考，以期推動農村小學機器人教育。

一、虛擬機器人概述

（一）虛擬機器人概念

虛擬機器人是指一種特定的虛擬軟件，又稱軟件機器人，能讓學生在計算機上搭建機器人，并根據實際任務編制程序產生的機器人源文件，最后將機器人的活動過程在仿真環境下運行形成虛擬仿真功能。[1]其特點主要有三方面：第一，機器人的搭建由學生在電腦上完成，降低動手難度；第二，它為不同年齡和知識基礎的學生提供多種不同的編程方式，便于學生入門；第三，結果能立即以動畫形式呈現，增強了趣味性和直觀性。

（二）虛擬機器人的基本組成

虛擬機器人集成了機器人運行環境與機器人編輯工具。仿真運行環境中，用戶可用所給設計面板上的二維或三維工具構建工作環境，同時也可導入外部設計好的環境模型。機器人編輯工具主要包括兩部分：機器人模型仿真和機器人編程控制。機器人編程控制一般有兩類：圖形化編程界面和語言文本編程界面。

（三）虛擬機器人工作原理

在虛擬仿真環境中，用戶根據任務要求搭建具有一定功能的虛擬機器人并編好完成任務的控制程序，最后置于仿真環境中運行。運行時，各類仿真傳感器根據傳感器的位置收集環境數據(如距離、角度或色值等)，然后將這些數據發送給主程序的路徑規劃程序或者導航控制程序，用于計算反應控制量(比如運行方向或其他控制)，最后再將控制量返還給虛擬機器人主體，虛擬機器人主體根據所傳過來的數據，執行相應的程序，避障、轉彎或滅火等。

二、農村開展虛擬機器人教學的條件

（一）教學環境

目前，大多數農村中小學裝備了信息終端設施，基礎教育階段學校平均生機比已由2008年的19：1提高到2011年的13：1，學校網絡條件下的教學與學習環境逐步改善。[2]虛擬機器人的安裝文件對計算機的要求并不高，利用現有計算機機房就能滿足，有些需要附加組件的產品也多數都將附加組件打包在安裝文件中。比如納英特虛擬機器人需要.NET Framework組件，Simbad虛擬機器人需要Java虛擬機，將附加組件安裝完整就可以使用。因此只要計算機機房正常運轉，教學活動就能順利開展。可見，我國多數農村學校已經具備開設虛擬機器人教學的條件。

（二）教師素質

我國農村小學信息技術教師多數職前沒有接受過系統的機器人知識學習，專業知識薄弱。而目前關于虛擬機器人教學的研究非常有限，教師在進行教學時缺乏權威的參考，課程內容設置松散，教學方法欠缺。因此有必要組織農村小學信息技術教師進行統一的培訓。

培訓內容可以分為兩部分：一是機器人的相關知識；二是虛擬機器人軟件的使用。具體內容見表1。

三、虛擬機器人教學產品的選擇

目前虛擬機器人產品種類很多，根據虛擬環境的不同，分為二維虛擬機器人與三維虛擬機器人，根本區別在于三維虛擬機器人提供了機器人搭建平臺。二維虛擬機器人選擇一個物體作為機器人的形體，典型的有AI-TANK、TeamBots、雙龍虛擬機器人、VJC1.5仿真版等；三維虛擬機器人用戶可以通過提供的各種機器人配件來完成機器人從零部件到整機的搭建,典型的有納英特機器人Simbad、Microsoft Robotics Studio、USARSim、易時代 3D、NSTRSS 等。[3]盡管各種類型的虛擬機器人在一定程度上是相似的，但各個平臺都有自身的特點與設計的側重點。因此，在選擇虛擬機器人進行教學時，需要考慮以下因素：

1.根據教學需求。每個虛擬機器人平臺都有清晰的應用層次。例如，作為程序設計的輔助教學工具時需要考慮虛擬機器人軟件提供的不同編程語言；作為與實體機器人結合教學時則需要考慮虛擬機器人控制系統的可移植性，即虛擬機器人的控制系統能否導入實體機器人運行；作為競賽需要虛擬機器人必須支持分組和競賽規則的制定等。因此教師在選擇虛擬機器人平臺時要考慮教學的需要，以適應不同的教學需求。

2.根據學生的認知發展水平。學生的認知發展水平在小學階段是具體運算階段，初中12歲以后發展為形式運算階段，這個階段的兒童形成了解決各類問題的推理邏輯,他們不僅能從邏輯上考慮現實的情境，而且考慮可能的情境(假設的情境)。學生的認知發展水平決定學習平臺的選擇。不同的虛擬機器人平臺提供不同的編程方式，有些平臺提供了較為簡單的圖形化編程模塊，有些平臺僅支持純代碼編輯。教師要針對不同階段的學生制定不同的教學目標，例如對于中小學生而言，要求學習簡單的圖形化編程語言設計機器人完成任務，例如LOGO語言或VJC等；高中則要求學習如Qbasic、C、Java等高級語言。

針對農村小學的教學環境、教學需求、小學生的年齡層次和認知水平，建議采用VJC1.5仿真版虛擬機器人軟件，該軟件采用流程圖編寫機器人程序，系統同時自動生成JC代碼，便于讀者觀察、解釋或修改程序。它能滿足一個50人的班級同時進行機器人教學與實施機器人項目,保證每個學生都能展示自己的創意并進行項目體驗。

四、虛擬機器人教學目標與教學內容

農村小學虛擬機器人的教學還處于起步階段，缺乏教學經驗的積累，許多教師或直接將競賽任務搬到課堂教學，或為完成教學而拼湊內容，嚴重影響了教學效果。由于機器人教學沒有真正的普及，所面向的學生基本上都是零起點。因此，我們在設計教學計劃時既要使教學任務貼近日常生活，激發學生學習興趣，同時提供拓展探究的學習內容，以滿足不同能力學生的學習需求。根據《國家九年義務教育課程綜合實踐活動指導綱要（3-6年級）》中對信息技術教育部分的描述：“要求學生學會設計和制作簡易機器人，體驗“采集信息-處理信息-控制動作”的基本過程。在不具備實物機器人的情況下，也可以利用機器人仿真環境來模擬機器人的運動和調試使用流程圖編制的簡單的控制程序；初步感受利用程序解決問題的一般過程。”

基于《國家九年義務教育課程綜合實踐活動指導綱要（3-6年級）》的解讀，制定如下教學內容（如表2）。

表2 教學內容與目標

五、未來展望

虛擬機器人避免了購買和維護實體機器人的高昂費用，克服了使用實體機器人時碰到的很多限制問題，降低了技術的復雜性和學生的學習難度，使農村開展機器人教學成為現實。雖然使用虛擬機器人對培養學生的實踐動手能力有一定的缺憾。但從某種意義上說,它能測試程序和向學生傳授機器人概念，在一定程度上滿足了機器人教學的需要，具有使機器人教育從精英教育變成大眾教育的重要意義。

隨著教育信息化的發展，我國農村機器人教學將迎來一個發展期，虛擬機器人也將在農村信息技術課堂中發揮更大的作用。

[1]董健.虛擬機器人軟件在中小學機器人教育中的應用研究[J].中國信息技術教育，2011.

[2]教育信息化工作進展情況[EB/OL].]http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s5889/201302/148042.html.

[3]張國民.虛擬機器人在中學教育中的應用研究[D].浙江：浙江師范大學，2009.