基于虛擬機器人教學的探究

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、控制論、材料學和仿生學的產物，它被廣泛應用于醫療、軍事、生產和教育行業。機器人作為自動執行工作的機器裝置，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注。因此，國內外諸多高校和科研團隊均開始了對機器人課程建設的探究。但是，機器人教育目前還處于綜合實踐活動的階段，很多教學條件和制度規范還不夠成熟。例如，機器人實驗室就是一個非常苛刻的條件，昂貴的課程教學方式使學生很少有機會將所學理論與機器人本體相結合。虛擬仿真技術是通過三維建模技術來構建一個與現實世界中的物體和環境相同或相似的虛擬三維場景，同時根據用戶的輸入響應做出相應的反應。基于虛擬仿真技術實現虛擬機器人教學，不僅可以降低教學成本，而且能很好地調動學生的積極性，激發學生的創造力。

1 虛擬機器人的概念

虛擬機器人是指利用虛擬現實技術在計算機上進行機器人的設計、編程與仿真分析，保證機器人能夠在虛擬環境下實現應有的功能。根據虛擬環境維度的不同，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保存后便可在不同的場景中調用，場景中的機器人可以模擬現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 虛擬機器人教學與實體機器人教學對比

2.1 虛擬機器人教學

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

2.2 實體機器人教學

采用實體機器人教學是一種比較傳統的教學方式。它側重于機器人運動學和動力學理論的講解，教學內容抽象，無法建立起機器人相關知識體系、調動學生的學習興趣。再者，傳統的教學方式沒有引進像MATLAB 之類的虛擬軟件，這無疑給學生帶來了巨大的計算負擔，對所掌握的數學和力學知識提出了更高的要求。當今科技發展迅速，在工業4.0 的大背景下，編程技術和控制系統設計能力也越來越受到學生和研究人員的關注，現已成為一項必不可少的技能。實體機器人教學形式的單一不利于學生綜合能力的培養，所學知識的狹窄跟不上時代的步伐。

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

2.3 兩種教學的對比

通過對虛擬機器人教學和實體機器人教學兩者的分析，得出表1 虛擬機器人教學與實體機器人教學對比。

表1 虛擬機器人教學與實體機器人教學對比

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

3 虛擬機器人教學的優點

通過虛擬機器人教學與實體機器人教學對比，虛擬機器人教學更具有優勢。首先，虛擬機器人教學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。這種教學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。實體機器人結構復雜，零件易損，在教學過程中維護成本極高。而虛擬機器人教學只需一臺計算機，在計算機上安裝虛擬軟件就能實現機器人的構建和控制。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備、適宜的環境和一定的場地，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，虛擬機器人為學生提供了一個良好的編程應用環境，學生可以使用Python、C++、Java等語言進行編程設計，很好地培養了學生的邏輯性和編程習慣，為今后的學習打下了基礎。

4 虛擬機器人教學存在的問題

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

在學生方面：隨著知識的不斷加深和積累，每個學生已有的知識儲量、學習能力和消化能力差異很大，學生的積極性也會因為差異的不同而受到影響。一些學生并不習慣在短時間內應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，結束后也不理解傳感器等功能，缺乏對仿真任務失敗原因的分析能力。因此，縮小學生間的差異、使學生盡快進入虛擬機器人教學環境是虛擬機器人教學面臨的首要問題。

在教師方面：因虛擬機器人教學資源較少，公開的資料并不豐富等因素，教師的虛擬機器人教學課前準備略顯不足，這將導致學生無法在課堂上獲得良好的教學情境和項目鍛煉。面對這樣的情況，學生體現出來的往往都是枯燥和缺乏積極性，虛擬機器人教學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的同時，亟須國內外大型平臺提供資源包，對虛擬機器人教學進行構建和整理。同時，教師也應該多拓展思路，可以以教學PK或微課的形式來鼓勵和指導學生，激發出學生的創新能力。

5 結語

虛擬機器人教學是借助一臺計算機，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，是一種既方便又先進的教學方式。通過虛擬機器人教學與實體機器人教學的對比，虛擬機器人教學擁有低廉的成本、便捷的操作和推廣普及容易等諸多優勢。并且，虛擬機器人是通過模塊化和可視面向對象圖形編程的方式，能夠為學生今后的計算機編程學習打下扎實的基礎。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中存在的一些問題，尤其是在學生和教師這兩個方面。只有在教學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的效果。