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浅谈虚拟机器人软件教育的有效性 熊国全 浙江省宁波市镇海区仁爱中学 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，避免了实体机器人的硬件故障等问题，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。 第 1 页 共 3 页 图1 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方 面效果有很大局限性。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到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