基于虛擬仿真的城鄉(xiāng)中小學(xué)機(jī)器人科技教育均衡化發(fā)展的研究

摘 要：本文基于對(duì)虛擬仿真的城鄉(xiāng)中小學(xué)機(jī)器人科技教育均衡化發(fā)展，對(duì)其發(fā)展的意義、虛擬活動(dòng)存在的問(wèn)題進(jìn)行了闡述，進(jìn)而提出了中小學(xué)機(jī)器人科技教育均衡化發(fā)展策略。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；城鄉(xiāng)中小學(xué)機(jī)器人；科技教育；均衡化發(fā)展

青少年機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)是一項(xiàng)涉及了機(jī)械制造、電子技術(shù)、傳感器、無(wú)線通訊、聲音識(shí)別、圖像處理和人工智能等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，在中小學(xué)開(kāi)展智能機(jī)器人教育可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作能力，同時(shí)也能夠適應(yīng)新課程改革的需要，對(duì)提高中小學(xué)生的信息科技素養(yǎng)有著巨大的促進(jìn)作用。虛擬機(jī)器人活動(dòng)作為青少年機(jī)器人科技活動(dòng)的有效補(bǔ)充和功能延伸，具有經(jīng)濟(jì)性、開(kāi)放性、趣味性、創(chuàng)新性等優(yōu)點(diǎn)

1 中小學(xué)機(jī)器人虛擬活動(dòng)存在的問(wèn)題

1.1 虛擬活動(dòng)的教育功能與中小學(xué)課程整合的問(wèn)題

當(dāng)前的機(jī)器人科技教育活動(dòng)，無(wú)論是活動(dòng)內(nèi)容、活動(dòng)的組織還是評(píng)價(jià)體系的建設(shè)，由于缺乏系統(tǒng)的研究，其科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性、有效性不足。與《義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)》中提出的“知識(shí)與技能”、“過(guò)程與方法”、“情感態(tài)度與價(jià)值觀”的要求仍未能整合。

1.2 虛擬機(jī)器人活動(dòng)的創(chuàng)新性問(wèn)題

虛擬機(jī)器人活動(dòng)與實(shí)體機(jī)器人活動(dòng)的相比，既有相同性，也有獨(dú)立性。它在優(yōu)勢(shì)于任務(wù)的設(shè)計(jì)、場(chǎng)景的設(shè)計(jì)、機(jī)器人模型的設(shè)計(jì)上，不用受到現(xiàn)實(shí)器材、場(chǎng)地等條件的制約。實(shí)體可以實(shí)現(xiàn)的功能，虛擬系統(tǒng)都可以實(shí)現(xiàn)；實(shí)體現(xiàn)受到環(huán)境或價(jià)格因素的制約不能實(shí)現(xiàn)的功能，虛擬系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)。但目前開(kāi)展的虛擬機(jī)器人項(xiàng)目，大多停留在對(duì)實(shí)體活動(dòng)項(xiàng)目的簡(jiǎn)單模仿上。

1.3 教學(xué)資源開(kāi)發(fā)的問(wèn)題

目前一些地區(qū)與學(xué)校已經(jīng)陸續(xù)開(kāi)展了與虛擬機(jī)器人相關(guān)的教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)，如在線課程、教材、課件等，但總體上處于“各自為戰(zhàn)”的狀態(tài)，缺乏建立在學(xué)術(shù)研究基礎(chǔ)上的有效指引，在一定程度造成了資源的重復(fù)建設(shè)。

1.4 師資隊(duì)伍建設(shè)的問(wèn)題

虛擬機(jī)器人活動(dòng)是一個(gè)理論與實(shí)踐應(yīng)用的結(jié)合十分緊密的項(xiàng)目，對(duì)指導(dǎo)教師的綜合素質(zhì)要求較高，指導(dǎo)教師除于要精通程序設(shè)計(jì)方面的知識(shí)外，還要掌握活動(dòng)中涉及到的力學(xué)、機(jī)械原理，虛擬機(jī)器人活動(dòng)還是一種“探究性”學(xué)習(xí)的過(guò)程，還要求有指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展科學(xué)探究的能力。

2 中小學(xué)機(jī)器人科技教育均衡化展虛擬平臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)方案

機(jī)器人在線仿真平臺(tái)以強(qiáng)大物理引擎作為技術(shù)支撐，以機(jī)器人為載體的科技創(chuàng)新平臺(tái)。平臺(tái)通過(guò)先進(jìn)的3D虛擬技術(shù)對(duì)機(jī)器人應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行高度的3D模擬，對(duì)解決機(jī)器人活動(dòng)發(fā)展中的各種問(wèn)題作用重大，而基于網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)的應(yīng)用模式將徹底擺脫單機(jī)應(yīng)用方式的后繼乏力問(wèn)題，可以有效建立起一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的、充滿樂(lè)趣的區(qū)域化科技創(chuàng)新應(yīng)用環(huán)境。系統(tǒng)采用創(chuàng)新的應(yīng)用模式與系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)表1。

2.2 平臺(tái)特性

平臺(tái)在新技術(shù)與新模式的探索方面做了非常多的創(chuàng)新，應(yīng)用模式的創(chuàng)新將為活動(dòng)帶來(lái)突破性的應(yīng)用價(jià)值，而新技術(shù)的應(yīng)用將讓機(jī)器人仿真具備更好的效果與用戶體驗(yàn)。

網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模式：傳統(tǒng)的機(jī)器人仿真軟件只是一個(gè)硬件機(jī)器人的簡(jiǎn)單延伸，并且基于單機(jī)的應(yīng)用缺少成員間的有效交互，除了簡(jiǎn)單的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡仿真能力，并不足以成為一個(gè)有效地活動(dòng)組織平臺(tái)或者教學(xué)、自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，在推進(jìn)機(jī)器人活動(dòng)普及的層面，并沒(méi)有起到革命性的作用。而本文的機(jī)器人平臺(tái)創(chuàng)造性的使用了基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模式，它已經(jīng)不是一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人仿真軟件，通過(guò)基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將可以有效構(gòu)建成區(qū)域的科技創(chuàng)新互動(dòng)平臺(tái)、信息技術(shù)教學(xué)平臺(tái)、自主學(xué)習(xí)平臺(tái)、玩中學(xué)平臺(tái)。

強(qiáng)大物理引擎支撐：傳統(tǒng)的機(jī)器人仿真軟件基本只能實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的項(xiàng)目，且并沒(méi)有遵循現(xiàn)實(shí)的物理規(guī)律，我們可以稱之為程序的仿真，而不是機(jī)器人的仿真，原因在于，沒(méi)有物理引擎的支撐?！拔锢硪婺軌蚰M真實(shí)的剛體運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)物體具有密度、質(zhì)量、速度、加速度等各種現(xiàn)實(shí)的物理動(dòng)力學(xué)屬性，在發(fā)生碰撞、摩擦、受力的運(yùn)動(dòng)模擬中，不同的動(dòng)力學(xué)屬性能得到不同的運(yùn)動(dòng)效果”

平臺(tái)提供了各種類型的場(chǎng)景元素，通過(guò)簡(jiǎn)單的堆積組合就能方便構(gòu)造一個(gè)需要的任務(wù)場(chǎng)景，再通過(guò)平臺(tái)提供的規(guī)則定制，完成平臺(tái)任務(wù)體系的構(gòu)建。一個(gè)開(kāi)放的任務(wù)體系，是平臺(tái)是否能夠持續(xù)運(yùn)營(yíng)的非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。由于有了物理引擎的支撐，場(chǎng)景中的很多元素將具備各種物理屬性，如重量、體積、摩擦、能耗、力等，同時(shí)這些信息將真實(shí)體現(xiàn)于整個(gè)仿真過(guò)程。

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