虚拟机器人软件在中小学机器人教育中的应用研究

　　摘要：本文对虚拟机器人软件的产生背景进行了阐述，介绍了虚拟机器人软件的发展现状，并着重研究虚拟机器人软件的内在效益价值，以及如何更好地发挥提高其价值效益。
　　关键词：机器人教育；虚拟机器人；软件
　　
　　● 产生背景及功能
　　
　　本文所指虚拟机器人软件是指适应于我国当前中小学机器人教育的一种软件。我国从上世纪90年代末期开始进行中小学的机器人教育活动，伴随着机器人教育活动的深入开展，适用于机器人教育的相关器材和工具也不断发展。近些年出现的虚拟机器人软件，在原来机器人编程平台的基础上，增加了用计算机模拟机器人竞赛或者模拟机器人行为活动的功能，使得机器人程序的执行效果可以直接在计算机虚拟平台上演示，它使得仅通过一台计算机，就可完成机器人从搭建、编程到调试运行的全过程。
　　虚拟机器人软件一般具有四大功能：①建立虚拟仿真场景；②组装虚拟机器人；③编写机器人程序；④在仿真环境下调试运行机器人。
　　
　　● 应用现状
　　
　　1.逐步得到认可
　　近年来虚拟机器人软件不断得到市场的认可，其应用与普及越来越广，特别是近两年，我国很多省市级城市都为该项目设立了专项资金，如广东省韶关市为全市每所学校配备了此类软件。采用虚拟机器人软件开展比赛的项目也开始出现在各种机器人比赛中，这反映出虚拟机器人软件得到了各级相关教育主管部门及教育机构的认可。
　　2.推广大有可为
　　虽然虚拟机器人软件不再是个新鲜事物，但相对于实体机器人的开展情况来说，虚拟机器人的推广空间还很大。就笔者所在的深圳市南山区来说，该区为广东省推进教育现代化先进区，早在2000年就有学校开始机器人教育活动，至今全区开展机器人教育活动的学校达二十多所，在各级机器人竞赛中取得的成绩也非常优异，但其中使用了虚拟机器人软件的学校还不到一半。而其他地区的情况也大致如此，在2010年5月广东省第七届中小学电脑机器人大赛中，对二十支来自广东各地的参赛队伍进行了问卷调查，其中有十二支队伍所在学校没有使用过虚拟机器人软件。
　　
　　● 开展的价值与意义
　　
　　虚拟机器人软件对当前我国中小学机器人教育活动的开展具有极高的内在价值，这可从以下几方面看出。
　　1.使用成本低，降低进入门槛
　　在以往机器人活动的开展中，主要采用的是实体机器人，学校每年在此活动上的投入成本比较高，主要表现在机器人购置成本、机器人场地置换成本、机器人维护成本上，而近年来通过购置虚拟机器人软件大大节约了成本，表1是一款虚拟机器人软件与一款实体机器人成本开支的比较。
　　表2是目前市场主流的几款实体机器人和虚拟机器人软件的使用成本比较，更能反映出虚拟机器人软件的成本优势。
　　2.方便教学活动的组织与开展
　　（1）场地安排更方便
　　虚拟机器人教学的开展只需要利用现有计算机机房即可，因为机器人的搭建、编程及调试仅需一台计算机即可完成，所以只要计算机机房保证良好运转，一个班的教学活动就能顺利开展。而实物机器人在调试时需要在实际场地上运行，在面向更多学生开展活动时场地的限制会导致学生没有足够的调试时间，学生往往不能成功完成任务，学习效率大打折扣。
　　（2）抗干扰性强
　　由于虚拟机器人的运行环境是在计算机中模拟，所以教学活动不像实体机器人，易受现场光线、磁场、地面起伏等因素的影响。
　　（3）教学实施更为灵活方便
　　采用虚拟机器人软件，可以随时方便灵活地开展不同程度或不同性质的机器人教学活动。比如，对小学生，可以仅使用简单的传感器，或者采用简单的场地，而对中学生则可采用更复杂的机器人搭建结构或者提供更复杂的场地训练图，而这一切仅仅通过点击鼠标即可完成。而在开展实物机器人教学时，面对不同的教学内容，每次活动前后都要花费大量的时间进行器材以及场地的准备和整理，教师的工作量非常巨大。
　　3.在培养学生编程技能上具有优势
　　通过对我校七、八年级学生在机器人活动开展中的学习效果分析，我们发现两种形式各有优劣（如表3）。
　　
　　● 存在的不足及解决方法
　　
　　虚拟机器人软件也存在一些不足之处，在实际研究过程中发现，相对实物机器人教学，虚拟机器人主要在调动学生学习兴趣，培养学生动手能力，培养团队合作精神几个方面存在劣势。在实际活动中我总结出了一些避免或减少不足的经验。
　　1.采用任务式教学，激发学生学习主动性
　　学习虚拟机器人因为面对的是计算机，学生的兴趣肯定不如面对看得见摸得着的实体机器人，那么在教学中可以通过设置一系列由易至难的任务引导学生学习，让学生在完成任务中体会成功，任务难度的提高还能激发学生的挑战欲。同时可以开展对抗赛，如虚拟足球、虚拟灭火等都非常适合开展比赛，让学生在竞技中体会快乐，激发兴趣。
　　
　　2.引入团队模式，培养学生合作精神
　　我们学校进行了多次虚拟足球联赛，采用３对3的竞赛模式，要求三名学生一组，每名学生各自编制一个机器人和其他队员协同比赛。很好地培养了学生的团队合作能力。
　　3.辅以实物机器人教学，全面提高学生能力
　　学生通过虚拟机器人软件掌握到一定基础知识和技能后，有条件的学校要辅以实物机器人教学，特别是在动手能力上的培养非常必要。