構(gòu)建中小學(xué)“虛實(shí)結(jié)合”機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)模式的思路與實(shí)踐

李贊堅(jiān)

摘要：在中小學(xué)開展機(jī)器人活動(dòng)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，對(duì)提高中小學(xué)生的信息技術(shù)和科技素養(yǎng)有著巨大的促進(jìn)作用，目前在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛的開展。本文從競(jìng)賽組織的角度出發(fā)，論述了構(gòu)建中小學(xué)“虛實(shí)結(jié)合”機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)的背景、思路、技術(shù)基礎(chǔ)以及實(shí)踐過程。

關(guān)鍵詞：科技教育；中小學(xué)機(jī)器人競(jìng)賽；虛擬機(jī)器人；虛實(shí)結(jié)合

中小學(xué)生機(jī)器人活動(dòng)是一項(xiàng)綜合多種學(xué)科知識(shí)和技能的綜合實(shí)踐活動(dòng)。開展這一項(xiàng)活動(dòng)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，能夠適應(yīng)新課程改革的需要，對(duì)提高中小學(xué)生的信息技術(shù)和科技素養(yǎng)有著巨大的促進(jìn)作用，是發(fā)展青少年綜合素質(zhì)的良好途徑。同時(shí)，也可為未來機(jī)器人技術(shù)的廣泛應(yīng)用儲(chǔ)備人才。

在國(guó)外，最早的青少年機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)由美國(guó)人狄恩卡門（Dean Kamen）在麻省理工學(xué)院的協(xié)助下創(chuàng)辦，在1992年舉辦了首屆競(jìng)賽。隨后幾年，各類機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)在多個(gè)國(guó)家得到快速發(fā)展，逐漸從大學(xué)延伸到中小學(xué)。在美國(guó)、歐洲、澳大利亞、中東等國(guó)家和地區(qū)先后誕生了多達(dá)幾十種面向中小學(xué)生的機(jī)器人活動(dòng)。其中影響最大的“世界機(jī)器人奧運(yùn)會(huì)”（World Robot Olympiad）2004年在新加坡舉辦了首屆活動(dòng)，活動(dòng)的參與對(duì)像為16～19歲的青少年，共有來自30多個(gè)國(guó)家的1000多人參加了競(jìng)賽。該競(jìng)賽作為年度活動(dòng)，每屆均由不同城市承辦，最近的一屆活動(dòng)（第十屆）在2013年由印尼的雅加達(dá)承辦。我國(guó)的中小學(xué)智能機(jī)器人教育自2000年左右興起。2001年，中國(guó)科協(xié)舉辦了“首屆中國(guó)青少年智能機(jī)器人競(jìng)賽”，2003年，教育部將“中小學(xué)電腦機(jī)器人競(jìng)賽”納入到“全國(guó)中小學(xué)電腦制作活動(dòng)”。自此開始，由中國(guó)科協(xié)和教育部舉辦的競(jìng)賽為引導(dǎo)，各機(jī)器人生產(chǎn)廠商推動(dòng)的中小學(xué)機(jī)器人教育開始進(jìn)入中小學(xué)校。目前各省市每年定期舉辦的青少機(jī)器人競(jìng)賽有電教和科協(xié)等多個(gè)系列的活動(dòng)，開展了擂臺(tái)、滅火、足球、VEX、FLL、創(chuàng)意等項(xiàng)目，現(xiàn)已形成一定的規(guī)模，產(chǎn)生了不小的社會(huì)影響。

現(xiàn)有的中小學(xué)機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)模式分析

現(xiàn)有的中小學(xué)機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)從技術(shù)手段上，可劃分成實(shí)體機(jī)器人競(jìng)賽和虛擬機(jī)器人競(jìng)賽兩類。實(shí)體機(jī)器人競(jìng)賽是指主要依靠機(jī)器人的實(shí)體設(shè)備開展活動(dòng)，目前的擂臺(tái)、FLL、VEX等項(xiàng)目均屬于實(shí)體機(jī)器人競(jìng)賽；虛擬機(jī)器人競(jìng)賽是指利用仿真軟件開展機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)，學(xué)生通過電腦，在仿真系統(tǒng)中設(shè)計(jì)程序，模擬實(shí)物機(jī)器人的功能，完成指定的任務(wù)，目前我國(guó)已開展了虛擬智能校車、虛擬滅火、3D搜救等多個(gè)項(xiàng)目的虛擬機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)。這兩種活動(dòng)模式各有其優(yōu)勢(shì)，也各有不足。

1.實(shí)體機(jī)器人活動(dòng)模式的優(yōu)劣

學(xué)生通過直接參與實(shí)體機(jī)器人設(shè)備的設(shè)計(jì)、組裝，并通過程序設(shè)計(jì)使機(jī)器人完成指定的任務(wù)?？梢詫W(xué)習(xí)到機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和基本原理、組裝機(jī)器人的基本方法、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)等知識(shí)與技能，還可以培養(yǎng)科技實(shí)踐能力和協(xié)作完成任務(wù)的能力，是目前開展中小學(xué)機(jī)器人活動(dòng)的主要優(yōu)勢(shì)。

但現(xiàn)有的實(shí)體機(jī)器人活動(dòng)存在明顯的弊端：①成本問題，由各廠商設(shè)計(jì)的機(jī)器人組件價(jià)格昂貴格且互不兼容，并頻繁地對(duì)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)換代，對(duì)參與的學(xué)校造成了較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，直接限制了活動(dòng)的參與面；②公平性的問題，現(xiàn)有的實(shí)體機(jī)器人競(jìng)賽受到成本和時(shí)間的限制，不要求學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝和程序設(shè)計(jì)，學(xué)生只需把組裝好的機(jī)器人拿到現(xiàn)場(chǎng)參賽即可，這一漏洞使不少機(jī)器人廠商為了商業(yè)利益，直接為學(xué)生提供組裝和程序設(shè)計(jì)服務(wù)，致使這一活動(dòng)成了學(xué)校間拼設(shè)備和廠商間角力的舞臺(tái)；③創(chuàng)新性問題，由于實(shí)體機(jī)器人活動(dòng)高度依賴其硬件設(shè)備和場(chǎng)地的物理?xiàng)l件，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)的靈活性上受到了很大的制約，一些項(xiàng)目的內(nèi)容近十年沒有變化，其程序的思路與結(jié)構(gòu)每年都大致接近，造成了活動(dòng)的創(chuàng)新性較差。

2.虛擬機(jī)器人活動(dòng)模式的優(yōu)劣

虛擬機(jī)器人活動(dòng)作為器人科技教育的有效補(bǔ)充和功能延伸，目前已經(jīng)有虛擬智能校車、虛擬3D搜救、虛擬滅火、虛擬火炬?zhèn)鬟f等多個(gè)項(xiàng)目，與實(shí)體機(jī)器人競(jìng)賽相比，具有價(jià)格低廉、使用方便、極易推廣和使用等優(yōu)勢(shì)。尤其突出的是，虛擬機(jī)器人由于其依靠虛擬仿真技術(shù)開展活動(dòng)，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)上有很大的活動(dòng)性，一些實(shí)體機(jī)器人限于物理?xiàng)l件無法實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目，可以用虛擬機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)。

但虛擬機(jī)器人活動(dòng)也有其“先天的不足”：在一個(gè)純虛擬的環(huán)境中，學(xué)生只能在一個(gè)人工設(shè)定的系統(tǒng)下去研究問題，無法在真實(shí)的環(huán)境中驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)思路，難以進(jìn)行探索性學(xué)習(xí)；所有的“設(shè)備”和“環(huán)境”都處于理想化狀態(tài)，學(xué)生難以體會(huì)和理解現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的各種差異性；在虛擬組裝機(jī)器人的過程中，學(xué)生也無法去培養(yǎng)和鍛煉自己的動(dòng)手能力。

主要設(shè)計(jì)思路

筆者根據(jù)多年組織廣州市中小學(xué)機(jī)器人活動(dòng)的實(shí)踐，認(rèn)為可以通過構(gòu)建一種新型的“虛實(shí)結(jié)合”中小學(xué)機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)模式（以下簡(jiǎn)稱“‘虛實(shí)結(jié)合活動(dòng)”），把虛、實(shí)兩種機(jī)器人活動(dòng)模式有機(jī)結(jié)合起來，同時(shí)運(yùn)用虛擬仿真機(jī)器人系統(tǒng)和實(shí)體機(jī)器人開展活動(dòng)，這樣既可以利用虛擬機(jī)器人活動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性和靈活性強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，又能發(fā)揮實(shí)體機(jī)器人活動(dòng)實(shí)踐性強(qiáng)的長(zhǎng)處，從而更好地推廣中小學(xué)機(jī)器人教育活動(dòng)。筆者認(rèn)為，“‘虛實(shí)結(jié)合活動(dòng)”內(nèi)容的設(shè)計(jì)必須遵循以下三個(gè)主要原則。

1.整合性原則

“‘虛實(shí)結(jié)合活動(dòng)”要實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)節(jié)和實(shí)體環(huán)節(jié)的有機(jī)整合，在這兩個(gè)環(huán)節(jié)間應(yīng)該實(shí)現(xiàn)“三個(gè)統(tǒng)一”：任務(wù)統(tǒng)一、程序統(tǒng)一、場(chǎng)景統(tǒng)一。任務(wù)統(tǒng)一是指在虛擬環(huán)節(jié)和實(shí)體環(huán)節(jié)采用同一任務(wù)要求、采用同一評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)；程序統(tǒng)一是指在虛擬仿真運(yùn)行的程序和下載到實(shí)體機(jī)器人上運(yùn)行的應(yīng)是同一個(gè)程序，程序必須具有兼容性；環(huán)境統(tǒng)一是指仿真運(yùn)行場(chǎng)景和實(shí)體運(yùn)行環(huán)境的任務(wù)元素和運(yùn)行路線是相同的。通過“三個(gè)統(tǒng)一”，體現(xiàn)了虛、實(shí)兩個(gè)環(huán)節(jié)是同一個(gè)活動(dòng)任務(wù)的兩種驗(yàn)證方式，保證了活動(dòng)的整體性。

2.公平性原則

機(jī)器人教育活動(dòng)的公平性和經(jīng)濟(jì)性是息息相關(guān)的，為了避免這一項(xiàng)目淪為拼財(cái)力、拼設(shè)備的“燒錢”游戲，在競(jìng)賽活動(dòng)當(dāng)天用到的軟、硬件要由主辦方免費(fèi)提供，學(xué)生在平時(shí)學(xué)習(xí)和練習(xí)所用的設(shè)備也必須嚴(yán)格控制其成本；同時(shí)，在競(jìng)賽當(dāng)天只向?qū)W生提供被拆散的機(jī)器人組件，要求學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)組裝，也可避免過去出現(xiàn)的由公司技術(shù)人員或指導(dǎo)教師代勞的現(xiàn)象，以體現(xiàn)活動(dòng)的公平性。endprint