浅谈虚拟机器人软件教育的有效性

熊国全

近年来，各地利用虚拟机器人软件开展机器人教学活动，凭借在物质和时间上的优势获取最佳的教学效果，成为学生能力和素质培养的新平台。笔者曾分别使用多款虚拟机器人软件平台进行课堂教学尝试和探索，也获得了不少感受与启发。

● 虚拟机器人的教育优势

与实体机器人相比，虚拟机器人的教育具有以下优势：

1.低投入，突破经济障碍

相对于实体机器人，利用虚拟机器人软件，无论在前期的设备和应用环境构建投入，还是后期维护更新的投入都将大大降低。例如，虚拟机器人教学对设备的要求较低，在普通机房即可进行，不需要建立单独的机器人实验室。

2.易管理，降低教学成本

使用实体机器人开展课堂教学的学校，在后期的活动开展和过程管理中出现了很多问题，如教学活动中设备管理难，设备损坏率高，实体机器人稳定性不强等。而虚拟机器人作为一种纯软件环境，具有不受硬件、场地限制等优势，便于大范围教学的开展和管理。

3.降难度，完善程序教学

使用虚拟机器人软件开展教学，一方面，避免了实体机器人出现硬件故障等问题，学生能更清楚地理解机器人是怎样在程序的控制下活动的，也能更好地体会“程序是机器人的灵魂”的思想；另一方面，虚拟机器人软件使“算法”和“程序”变得直观而形象，从而能更有效地训练学生的逻辑思维能力、规划能力。

● 虚拟机器人软件的教育有效性

正因为使用虚拟机器人软件开展教学具备独特优势，国内涌现了众多虚拟机器人系统，但是在这些虚拟机器人软件中，并不是所有的软件都适宜机器人教学。结合多年的机器人教学实践，笔者认为若能提升学生的信息素养和技术素养，培养学生的创新精神和实践能力，这样的虚拟机器人软件才具有良好的教育有效性。

1.内容丰富，保障创新

如今的机器人教学在教学指导思想和目的上，正在从原来只为竞赛获奖、注重技术技能的掌握、注重一个项目的完成的浅层次认识，上升到培养学生的创新精神和实践能力，即人才培养的层次。而只有当软件提供尽可能多的构建组件、电子模块和任务元素，学生在完成任务的过程中能构建充满个性与创意的智能机器人，才能给创新提供必要的基础保障。在IRobotQ 3D中有五大类数百个机器人组件元素，具备不同物理属性的多种控制器和驱动模块，各种类型的积木件，充满创意的传感器世界，让创意不再受限于技术，可以充分发挥每个孩子的智慧创造力。例如，完成《跑道竞速》，在IRobotQ 3D软件平台中，学生可以使用不同的组件搭建多种不同的机器人，使用不同的传感器来完成任务（如图1），从而使得完成这个任务的虚拟机器人呈现多样性，即给拓展和创新思维提供保障。而笔者试用了其他的软件，都无法修改虚拟机器人，组件相对较少，完成任务的方式比较单一，在培养学生创新能力方面就显得力不从心。

2.返璞归真，传递科学

虚拟机器人是在计算机上对实体机器人进行模拟，但这“虚”并不妨碍虚拟机器人运动要遵循真实世界的物理规律。虚拟机器人软件不支持物理引擎，会导致三维仿真程度不足，只能展现少量真实世界的物理规律，只能理想化地模拟机器人运动，这样的虚拟机器人教学对提升学生的信息素养和培养创新精神的效果有很大局限性。当虚拟机器人软件支持物理引擎，可以在各种逼真三维环境中展现真实世界的物理规律，尽可能将正确的科学知识传递给使用者；能够完整展现机器人活动的各个应用环节，高度接近实际环境下的机器人运动状态，仿真过程能支持各种实时参数展示以及多视角自由切换，能够直观地展示机器人运行的效果，能展现真实世界的众多物理规律，尽可能将准确的知识传递给使用者。同时，由于有了物理引擎的支撑，场景中的各种元素都可具备各种物理属性，如重量、体积、摩擦、能耗、力等，以使任务场景三维立体，真实感强。

例如，在《让机器人飞翔》的教学中，要求机器人起飞后，沿着指定的方向飞行。在这个任务中，控制机器人飞行状态就涉及物理学上的力的控制。若虚拟机器人软件支持物理引擎，就可以设计出像《让机器人飞翔》这样三维立体、真实感强的任务场景，同时在完成任务的过程中，可以引导学生进行力的分析（如图2），培养学生的拓展思维，创新精神。只有这样返璞归真，才能引导学生准确地理解虚拟机器人的算法和程序，正确理解其中隐含的科学规律，这样的软件才具有良好的教育有效性。

3.基于网络，区域互动

虚拟机器人软件通过构建虚拟机器人、运动环境，编写虚拟机器人的程序，模拟现实情况下机器人在特定环境中的运行情况。虽然基于单机应用的虚拟机器人依然可以提升学生的信息素养和技术素养，培养创新精神和实践能力。但是在信息时代，教育交流不再局限于一个小小的机房，区域交流互动成为趋势。基于网络应用模式的虚拟机器人软件，能将虚拟机器人活动构建在日益发达的网络环境中，提供学生、教师、家长等各种成员间的有效区域互动，使得组织机器人活动变得非常轻松，并能有效降低活动的参与门槛，促进优质教育资源的均衡配置。

例如，我校所在的区设置了一个IRobotQ 3D服务器，只要在这台服务器上配置好一个教学项目，则全区所有的电脑都可通过客户端，接入这服务器，使用同一个项目。教学中，整个区的学生可以使用单人学习训练的自由调试仿真模式，也可以通过在线网络平台进行各种不同等级的任务挑战或PK。有了网络支持，彻底摆脱了单机应用方式的后继乏力问题，有效建立起了一个可持续发展的、充满乐趣的区域化科技创新应用环境。

4.虚实结合，科学严谨

虚拟机器人教学，可以提升学生的信息素养和技术素养，培养学生的创新精神和实践能力。但是，机器人仿真毕竟是在计算机上构建虚拟机器人和仿真环境，编写虚拟机器人的程序，不存在现实生活中很多不可忽视的因素，使机器人运动过于理想化，往往易片面强化仿真的虚拟性、仿真性，而忽略了仿真世界与客观世界的联系，忽视了学生直接面对现实世界，感受来自自然与自我的挑战。因此，使用不能支持虚实结合的仿真软件，不但难以达到虚拟机器人的教学目的，而且不利于对学生思维严谨性和周密性的培养，也不利于学生科学素养的形成。若虚拟机器人软件支持虚实结合，学生在虚拟环境中调试程序，发挥虚拟机器人的优势，完善算法和程序，再将调试好的程序下载到实体机器人，通过观察实体机器人的运动，引导学生用科学的眼光去观察机器人的运动和发展。通过这种循序渐进的反复训练，学生就能领悟到虚拟与现实的区别，进而发挥虚实结合、相得益彰的优势。

此外，中国的机器人教育经过十多年的发展，已经具有了相当的基层基础，这其中包含了各种不同标准的设备和各种不同设计理念带来的不同操作习惯，因此如果能与现有的各种设备和习惯有所融合，对中国的机器人教育发展将是一件极有战略意义和社会价值的事。例如，IRobotQ 3D可以跨平台选择不同的机器人平台，编辑调试分别与国内多种知名机器人相匹配的程序，并可以将调试好的程序下载到相应的实体机器人，让实体机器人展示与虚拟机器人有差异的运动，从而充分利用原有的实体机器人，引导学生结合电学、力学知识展开讨论，研究真实场地中摩擦力、电池电量的损耗等因素对机器人运动的影响。通过虚实结合和跨平台，虚拟机器人教学把程序的抽象、虚拟机器人的仿真性和实体机器人的实体真实性紧密地结合了起来。

5.编写教材，完善教学

教学教材是影响虚拟机器人教学的一个重要因素。虚拟机器人软件要能充分展示其教育有效性，还需要有相应的优质教学教材。

例如，IRobotQ 3D的教学教材编写得到了一线教师的大力支持，比较完善的有浙江省教育厅第一批普通高中推荐选修课程——《创意与制作之虚拟机器人》、山东淄博的《萝卜圈网络机器人课程》等。

6.竞赛激励，提升素养

在虚拟机器人课堂教学中，一定有优秀学生脱颖而出。对于这些学生，我们可以选派他们参加虚拟机器人竞赛项目或实体机器人竞赛。通过训练，他们能逐步具有果断、勇敢、自信的个性和遇事不慌等品质，也因此，在比赛场地容易适应瞬息万变的局面，容易驾驭各种突发事件以及沉着应战、敢于迎接失败。通过参加竞赛，这些学生的信息素养得到进一步提升。同时，教师可向学生们介绍参赛学生经过失败和挫折取得优异成绩的事例，充分发挥榜样作用，有助于激发大部分学生培养自身信息素养的自信心。所以，部分学生参加竞赛能“由点带面”提升全体学生的信息素养，促进学生综合素质的全面发展，推动机器人课堂教学的全面协调持续发展，进而促进虚拟机器人教学的有效性。