虚拟机器人在农村小学机器人教学中的应用研究

李 丹

李丹/长春教育学院信息技术部教师（吉林长春130061）。

机器人教育是一种全新的综合性教育，主要是指学习机器人的知识与技能。它体现了从知识为核心向能力为核心的教育思想转变，能培养学生的科技素养、创新能力、综合设计能力、动手实践能力以及学生的团队协作能力。在国外发达国家，机器人教育一直是教育关注的热点。在我国颁布的《义务教育阶段信息技术课程标准》和《国家九年义务教育课程综合实践活动指导纲要》中，机器人的设计和制作已经被列入小学和中学信息技术课程的选修内容，在最新的“基础教育信息技术课程标准（意见征求稿）”中，义务教育阶段一共设置五个模块，包括：硬件与系统管理、信息加工与表达、网络与信息交流、算法与程序设计、机器人设计与制作，其中机器人设计与制作已经作为一个模块出现。由此可见，机器人教学已经纳入了我国中小学通用技术与信息技术教育内容之中，成为技术教育的一部分。

然而，我国农村学校开展机器人教学面临教育条件和教育资源不足的情况，实体机器人的高昂价格成为农村小学信息技术课堂机器人教学的“瓶颈”，如何在农村信息技术课堂实施机器人教学，我们寻求到一种新的机器人教育载体——虚拟机器人，这种方式既能回避机器人硬件昂贵的问题，又能从一定程度上使学生了解和认识机器人的结构与功能，完成项目的设计，为普及机器人教学开辟了一条新的途径。本文从农村小学开展虚拟机器人教学的条件、产品的选择、教学目标和教学内容等方面为广大农村小学教师提供指导和参考，以期推动农村小学机器人教育。

一、虚拟机器人概述

（一）虚拟机器人概念

虚拟机器人是指一种特定的虚拟软件，又称软件机器人，能让学生在计算机上搭建机器人，并根据实际任务编制程序产生的机器人源文件，最后将机器人的活动过程在仿真环境下运行形成虚拟仿真功能。[1]其特点主要有三方面：第一，机器人的搭建由学生在电脑上完成，降低动手难度；第二，它为不同年龄和知识基础的学生提供多种不同的编程方式，便于学生入门；第三，结果能立即以动画形式呈现，增强了趣味性和直观性。

（二）虚拟机器人的基本组成

虚拟机器人集成了机器人运行环境与机器人编辑工具。仿真运行环境中，用户可用所给设计面板上的二维或三维工具构建工作环境，同时也可导入外部设计好的环境模型。机器人编辑工具主要包括两部分：机器人模型仿真和机器人编程控制。机器人编程控制一般有两类：图形化编程界面和语言文本编程界面。

（三）虚拟机器人工作原理

在虚拟仿真环境中，用户根据任务要求搭建具有一定功能的虚拟机器人并编好完成任务的控制程序，最后置于仿真环境中运行。运行时，各类仿真传感器根据传感器的位置收集环境数据(如距离、角度或色值等)，然后将这些数据发送给主程序的路径规划程序或者导航控制程序，用于计算反应控制量(比如运行方向或其他控制)，最后再将控制量返还给虚拟机器人主体，虚拟机器人主体根据所传过来的数据，执行相应的程序，避障、转弯或灭火等。

二、农村开展虚拟机器人教学的条件

（一）教学环境

目前，大多数农村中小学装备了信息终端设施，基础教育阶段学校平均生机比已由2008年的19：1提高到2011年的13：1，学校网络条件下的教学与学习环境逐步改善。[2]虚拟机器人的安装文件对计算机的要求并不高，利用现有计算机机房就能满足，有些需要附加组件的产品也多数都将附加组件打包在安装文件中。比如纳英特虚拟机器人需要.NET Framework组件，Simbad虚拟机器人需要Java虚拟机，将附加组件安装完整就可以使用。因此只要计算机机房正常运转，教学活动就能顺利开展。可见，我国多数农村学校已经具备开设虚拟机器人教学的条件。

（二）教师素质

我国农村小学信息技术教师多数职前没有接受过系统的机器人知识学习，专业知识薄弱。而目前关于虚拟机器人教学的研究非常有限，教师在进行教学时缺乏权威的参考，课程内容设置松散，教学方法欠缺。因此有必要组织农村小学信息技术教师进行统一的培训。

培训内容可以分为两部分：一是机器人的相关知识；二是虚拟机器人软件的使用。具体内容见表1。

三、虚拟机器人教学产品的选择

目前虚拟机器人产品种类很多，根据虚拟环境的不同，分为二维虚拟机器人与三维虚拟机器人，根本区别在于三维虚拟机器人提供了机器人搭建平台。二维虚拟机器人选择一个物体作为机器人的形体，典型的有AI-TANK、TeamBots、双龙虚拟机器人、VJC1.5仿真版等；三维虚拟机器人用户可以通过提供的各种机器人配件来完成机器人从零部件到整机的搭建,典型的有纳英特机器人Simbad、Microsoft Robotics Studio、USARSim、易时代 3D、NSTRSS 等。[3]尽管各种类型的虚拟机器人在一定程度上是相似的，但各个平台都有自身的特点与设计的侧重点。因此，在选择虚拟机器人进行教学时，需要考虑以下因素：

1.根据教学需求。每个虚拟机器人平台都有清晰的应用层次。例如，作为程序设计的辅助教学工具时需要考虑虚拟机器人软件提供的不同编程语言；作为与实体机器人结合教学时则需要考虑虚拟机器人控制系统的可移植性，即虚拟机器人的控制系统能否导入实体机器人运行；作为竞赛需要虚拟机器人必须支持分组和竞赛规则的制定等。因此教师在选择虚拟机器人平台时要考虑教学的需要，以适应不同的教学需求。

2.根据学生的认知发展水平。学生的认知发展水平在小学阶段是具体运算阶段，初中12岁以后发展为形式运算阶段，这个阶段的儿童形成了解决各类问题的推理逻辑,他们不仅能从逻辑上考虑现实的情境，而且考虑可能的情境(假设的情境)。学生的认知发展水平决定学习平台的选择。不同的虚拟机器人平台提供不同的编程方式，有些平台提供了较为简单的图形化编程模块，有些平台仅支持纯代码编辑。教师要针对不同阶段的学生制定不同的教学目标，例如对于中小学生而言，要求学习简单的图形化编程语言设计机器人完成任务，例如LOGO语言或VJC等；高中则要求学习如Qbasic、C、Java等高级语言。

针对农村小学的教学环境、教学需求、小学生的年龄层次和认知水平，建议采用VJC1.5仿真版虚拟机器人软件，该软件采用流程图编写机器人程序，系统同时自动生成JC代码，便于读者观察、解释或修改程序。它能满足一个50人的班级同时进行机器人教学与实施机器人项目,保证每个学生都能展示自己的创意并进行项目体验。

四、虚拟机器人教学目标与教学内容

农村小学虚拟机器人的教学还处于起步阶段，缺乏教学经验的积累，许多教师或直接将竞赛任务搬到课堂教学，或为完成教学而拼凑内容，严重影响了教学效果。由于机器人教学没有真正的普及，所面向的学生基本上都是零起点。因此，我们在设计教学计划时既要使教学任务贴近日常生活，激发学生学习兴趣，同时提供拓展探究的学习内容，以满足不同能力学生的学习需求。根据《国家九年义务教育课程综合实践活动指导纲要（3-6年级）》中对信息技术教育部分的描述：“要求学生学会设计和制作简易机器人，体验“采集信息-处理信息-控制动作”的基本过程。在不具备实物机器人的情况下，也可以利用机器人仿真环境来模拟机器人的运动和调试使用流程图编制的简单的控制程序；初步感受利用程序解决问题的一般过程。”

基于《国家九年义务教育课程综合实践活动指导纲要（3-6年级）》的解读，制定如下教学内容（如表2）。

表2 教学内容与目标

五、未来展望

虚拟机器人避免了购买和维护实体机器人的高昂费用，克服了使用实体机器人时碰到的很多限制问题，降低了技术的复杂性和学生的学习难度，使农村开展机器人教学成为现实。虽然使用虚拟机器人对培养学生的实践动手能力有一定的缺憾。但从某种意义上说,它能测试程序和向学生传授机器人概念，在一定程度上满足了机器人教学的需要，具有使机器人教育从精英教育变成大众教育的重要意义。

随着教育信息化的发展，我国农村机器人教学将迎来一个发展期，虚拟机器人也将在农村信息技术课堂中发挥更大的作用。

[1]董健.虚拟机器人软件在中小学机器人教育中的应用研究[J].中国信息技术教育，2011.

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

[3]张国民.虚拟机器人在中学教育中的应用研究[D].浙江：浙江师范大学，2009.