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|教育动态|教育行政|政务公开|党工建设|西湖教育|师生园地|教育资源您现在的位置：首页师生园地科海精萃正文基于纳英特3D虚拟仿真机器人的课程设计探究来源：发布日期：2010-8-31浏览次数：2873基于纳英特3D虚拟仿真机器人的课程设计探究杭州市学军小学冯岳汪培新王振华潘瑛璐周勇成果摘要随着智能技术的发展，智能机器人教育走进课堂已成为必然趋势，必将给信息技术教育带来新的活力。我校基于纳英特3D仿真虚拟机器人软件深入开展智能机器人课堂教学研究，探索3D仿真虚拟机器人课程目标与定位，编写纳英特3D仿真虚拟机器人校本教材，研究3D仿真虚拟机器人教学策略和教学方法，创新和拓展了小学信息技术学科教学的内涵。我校通过开展3D仿真虚拟机器人课堂教学，发展了学生信息素养与操作技能，提升了学科品牌和学校影响力。关键词：3D虚拟仿真课程设计一、课题缘起（一）实物机器人课堂教学面临诸多问题当前从实物机器人课堂教学的开展情况来来看，较多的学校只是以课外活动、各种兴趣班、培训班的形式开展机器人教学。通常的做法，是由学校购买若干套机器人器材，由信息技术课程老师或综合实践课程教师进行指导，组织学生进行机器人组装、编程的实践活动，然后参加一些相关的机器人竞赛。目前，只有浙江、上海、江苏等极少数的地区和学校将实物机器人纳入了正规课堂教学。目前，开展实物机器人课堂教学所面临的主要问题有：1．教学目标和课堂体系尚欠完备。小学、初中、高中机器人教学的分阶段目标的划分不够明确与合理，导致相关教材的区分度低、特色不强。2．缺乏科学规划与教学设计。目前机器人教学的“教材”较少，大多属于“产品说明书”或“用户指南”式的，缺少课程与教学专家的参与和指导。3．实物机器人产品缺少规范。目前教育机器人的品牌十分繁杂，并且大多自成体系，互不兼容，开放度低。另一方面，适应于不同学段的性能价格比高的教育机器人产品却很少，特别是对学校而言，开展机器人课堂教学初期投入较高，持续费用大，难以长期发展。4．器材难以管理。目前的教育机器人都是以积木或零件式为主，型号多，配件杂，在开展课堂教学时，往往容易丢失零部件，教学过程中的器材难于管理，不利于大面积开课。5．教育行政部门不够重视，缺少从教育视角进行的研究。当前中小学机器人教育的开展，在一定程度上是由教育机器人企业在推动。虽然企业在初期为此做出的贡献应当予以肯定，但是随着机器人教育的逐渐深入与普及，目前亟需教育行政部门、教学研究机构给予充分的关注、协调与引导。（二）3D仿真虚拟机器人成功应用于教育目前针对学校教学的3D仿真机器机器人软件还非常少，国内只有极少数仿真软件开发成功运用于学校教育，其中比较有名的是NSTRSS。NSTRSS开发成功并应用于教育领域已经有两年多时间，从目前教育实践研究来看，它具有如下的特点：1．全3D场景。用户可自由控制视角的位置和角度进行场景漫游。2．逼真的仿真效果。采用虚拟现实技术，高度接近实际环境下的机器人运动状态，大大简化实际机器人调试过程。3．实时运行调试。运行时，依据实际运行情况，调整机器人参数，帮助用户快速实现理想中的效果。4．自由灵活的机器人搭建与场地搭建。用户可自由选择机器人及其配件，进行机器人搭建，可自行编辑3D训练比赛场地，所想即所得。5．单人或多人的对抗过程。用户可添加多个机器人自由组队进行队伍间对抗。6．与NST实物机器人无缝连接。NST实物机器人生成的控制程序代码可有仿真软件直接调用，大大节省编程时间。7．3D虚拟仿真机器人软件安装成本低，使用与维护非常方便，因此课堂教学推广基本无障碍。（三）3D仿真促进了机器人教育推广发展当前我区只有极少数学校在开展了机器人课堂教育，而绝大部分学校都没有开设该类课程。其中主要因素是经费问题，从机器人硬件设备的购买，部件的配置及维护管理等等都需要庞大的开销。而3D仿真虚拟机器人作为一种纯软件环境，具有不受实体机器人的硬件、场地限制等一系列突破学校经费限制的优势，便于大范围教学的开展和管理。目前很多公司已经开发了很多大量适用各个年级阶段机器人教育的虚拟机器人仿真软件，而且网络上也有很多开源代码供用户下载，这就使得利用虚拟机器人作为传统机器人教育的拓展和补充有了物质基础。这样，经济薄弱的地区和学校，可以通过虚拟机器人开展机器人教育；经济实力较好的学校，可以在课堂中直接使用实体机器人进行教学，也可以先采用3D仿真虚拟机器人开展教学再进行实体机器人深化教学。这种方式既可以扩展机器人教育的普及基础力度，同时可以减少零部件的损耗，增加机器人的使用率。因此，3D虚拟仿真机器人教学是对当前机器人教育的完善和推广。二、理论依据（一）小学综合实践课程（机器人）相关标准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。能识别简易机器人的基本构造；说出各类传感器（如声音、光敏、红外、温度、触摸）的功能及其对人类功能的模拟。能描述机器人各部分的功能和工作原理，如通过传感器搜集信息、通过程序来判断处理信息、控制外部动作等。研究和了解现代机器人的发展趋势，讨论机器人与人类在解决相关问题上的优缺点，例如，机器人对复杂情况的反应；机器人可以完成哪些人类难以完成的任务等。学会根据生活和学习中的实际需要，设计、动手制作或组装简单的实物机器人（如：机器人导盲，机器人迎宾，机器人灭火，机器人踢足球，机器人走迷宫等），将编制好的控制程序（使用流程图方式）导出到实物机器人，运行机器人并对机器人及其控制程序做出必要的调试和修改。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。（二）3D仿真虚拟机器人的教育价值1．符合学生认知规律，从简单到复杂、从局部到整体。现代教育心理学研究指出，学生的学习过程，不仅是一个接受知识的过程，而且也是一个发现问题、分析问题、解决问题的过程。这个过程一方面是暴露学生产生各种疑问、困难、障碍和矛盾的过程，另一方面是展示学生发展聪明才智、形成独特个性与创新成果的过程。智能机器人的教学与以往的信息技术课教学有很大的不同，涉及软件、硬件的知识较多，体验的学习过程比较复杂，不同学段的学生对智能机器人的认识程度也不同，他们的思考方式、学习需求、学习优势、学习风格也不一样。学生的学习客观上存在着个体差异，不同的学生在学习同一内容时，实际具备的认知基础和情感准备以及学习能力倾向不同，决定了学生对同样的内容和任务的学习速度和掌握程度及所需要的帮助不同。实践过程中发现，因为智能机器人教学涉及软件、硬件的知识较多，所以初步接触的学生对于故障很难判断出是程序有问题还是机器人机械方面有问题。在学生对智能机器人机械结构方面理解不够深刻的情况下，仿真软件就体现出它的优越性。学生浓厚的兴趣是学习机器人的源动力，为了让学生保持浓厚的兴趣，对于初学者，教师可以先抛开机器人硬件方面的知识，降低难度，减少学生负担，只要求学生在仿真软件中完成一些比较简单的活动，在没有环境误差下，引导学生先学好程序设计。这样一步一个脚印，从简单到复杂，从局部到整体，不知不觉中学生学到东西了，自然他就能保持兴趣来学。2．没有环境误差的影响，学生更能深刻理解程序设计。目前在学校教育中使用的智能机器人虽说比较简单，但已经集合了计算机、声、光、电等多种技术，可以让学生全面接触传感器、计算机软硬件、人工智能、自动控制等高新科技知识，激发学生的兴趣，培养学生的综合思考与动手能力、团队合作精神、创造能力和进取精神。归结到具体的教学内容上，一样的模块配置，一样的场地条件，却能使不同的学生“做”出来的机器人判若两“人”，这其间的关键就是左右着机器人动作的程序。从这个角度来看，所谓机器人竞赛，实质上就是学生编程的竞赛。在实际教学活动中，占用时间最多的也是机器人程序的编制和调试。机器人的结构模块、传感器、接口等硬件只是“骨骼”，程序才是它的“灵魂”，是它的“大脑”和“神经中枢”，正是在这个“灵魂”的指挥下，机器人才会有多姿多彩的动作表现。对于初学程序设计的中小学生来说兴趣是学习的动力，仿真软件没有环境误差的影响，更有利于学生理解程序的结构。在学生能够理解程序情况下，再教学生如何在仿真软件中配置自己的机器人，配置完之后要求学生还是用已经调试成功的程序，来指挥这机器人走迷宫。很多同学就不成功了，学生不难体会出智能机器人走迷宫还要受到硬件方面的影响。智能机器人仿真软件教学，能够从易到难、循序渐进，引导学生掌握程序结构。学生也能够体会出智能机器人要能完成动作，受到硬件和程序两方面的影响。3．完美的优化环境，提升了教与学的效果。优化教与学效果是指以较少的教育投入（包括人力、物力、财力、时间等）取得较大的教育效果（主要指学生的知识获得、技能形成、情感培养等）。因为我们施教的对象是全体学生，总有个别同学会粗手粗脚，如果电机或电子器件的接线焊接不牢，容易松落，那必将影响教学的顺利进行，如有些机器人的驱动机械机构是塑料做的齿轮很容易坏，有些机器人电机或传感器的接线不能很好的固定，学生在上课的时候不小心稍拉一下就脱焊。如果学生编写好的程序下载到一台机械结构有问题的机器人上调整，肯定不能够准确地理解程序的功能。仿真软件避免了出现这类问题，可以先让学生在仿真环境中，把程序调试好，准确理解程序的功能。这样子可以避免学生和老师少走弯路，提高教学效果。实践过程，确实存在有些学生因为不理解他所写程序的功能，而乱弄机器人机械机构的情况。智能机器人仿真软件教学能够方便、快速的配置机器人，以及调整传感器的位置，能更有效的训练学生逻辑思维能力、规划能力，提高学生分析问题和解决问题的能力。解决问题的不同策略，能够很快的在仿真软件中实现。虽然使用真实的机器人和实际场地也能够作到，但在仿真软件中训练学生更容易、快捷理解这种思路。俗话说磨刀不误砍柴工，当学生深刻理解之后，让他们用真实的机器人来试也不迟。利用仿真软件进行机器人教学是能够取得好的效果的。三、课程设计（一）课程概念界定1．3D仿真虚拟机器人早在1997年就有ISO14772标准制定了VRML97的web3d规范，此后出现了java3d、cult3d等许多实现网络虚拟现实的技术。在机器人仿真领域也有众多相关项目，如TheRoboCupSoccerSimulator是一个用于多智能体系统的研究和教学目的的工具，它支持两个具有11个模拟自动机器人的团队进行足球比赛。多机器人系统仿真平台--Multi-robotSimulationSystem，采用面向对象模型化技术OMT（ObjectModelingTechnique）,OMT对多机器人仿真系统进行分析，建立了仿真系统的对象模，型动态模型和功能模型，并实现了基于该模型的分布式多机器人仿真系统MultiSim（Multi-robotSimulationSystem）。NSTRSS是纳英特科技新近推出的一款以.NET平台为基础，使用MicrosoftDirectX9.0技术的3D机器人仿真软件，可以让用户轻松的构建虚拟机器人、虚拟环境，编写与实际机器人完全相同的虚拟机器人驱动程序，模拟现实情况下机器人在特定环境中的运行情况。采用选手需利用指定软件构建虚拟机器人、虚拟环境，编写与实际机器人完全相同的虚拟驱动程序，控制机器人在特定环境中按指定规则完成特定的任务。学习者通过设置一系列参数，做出了带有驱动、马达、雷达探测仪的3D机器人，机器人可以按设定好的速度前进，还可以在前方有障碍物的时候自动转弯，和真正的机器人相比毫不逊色。2．虚拟机器人教育虚拟机器人教育是指利用仿真软件开展智能机器人课堂教学。学生通过电脑和网络，在仿真系统中开展智能机器人学习和研究，模拟实物机器人一切功能和动作：建虚拟机器人、虚拟环境，编写与实际机器人完全相同的虚拟驱动程序，控制机器人在特定环境中按指定规则完成特定的任务。更有利于学生理解体会程序是机器人的灵魂，可以使学生了解机器人是怎样在程序指挥下进行工作的，提高学习计算机程序设计语言的兴趣；在学习为机器人编写程序的过程中，学到科学而高效的