虚拟机器人:让信息技术教育更丰盈
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编者按：
随着智能技术的发展，机器人也走进了学生的视野和课堂教学之中。机器人技术综合了信息技术、电子工程、机械工程、控制理论、传感技术等前沿科技，备受各国科研与教育界关注，相继出现了一系列机器人设计大赛。而通过训练与参赛也的确培养了学生的创新精神、合作能力与竞争意识，提升了师生的综合素质。在全国中小学生机器人大赛风生水起之际，我刊特别组织到了广州市白云区的教师撰写了5篇机器人教学与参赛论文，介绍其经验，推广其成果。同时，我们也热诚欢迎更多教师参与此热点问题的探讨与交流。
机器人给我们的感觉是它只出现在科幻小说和电影里，而且总是集各种高尖科技于一身，无论是成人还是孩童，都对它充满想象和兴趣。机器人问世已有几十年，但是科技界因为其发展速度快一直没有给出明确统一的定义，随着科学技术的高速发展和信息时代的到来，人类的智慧更使机器人的内容与内涵不断充实与创新[1]。伴随人工智能的研究发展，人类对机器人的期待和创造更多地从小说和电影走向我们的现实生活。因智能机器人的创造与制作对青少年创新意识与创造能力培养具有独特影响，近年来机器人教育也进入到教育领域中来。
一、亦远亦近—机器人教育发展现状与趋势
国外的机器人教育一直是教育的热点，发达国家普遍高度重视机器人学科教育对高科技社会的作用和影响，其中，美国号称“现代机器人故乡”。自1992年开始，美国政府有关部门在全国高中生中推行“感知和认知移动机器人”计划，高中生可免费获得一套70公斤重的零件，自行组装成遥控机器人，然后可参加有关比赛。1994年，麻省理工学院（MIT）设立了设计和建造LEGO机器人课程，目的是提高工程设计专业学生的设计和创造能力，并开发了各种教学工具，通过与积木玩具商乐高公司紧密合作，开发出可编程的乐高玩具，帮孩子们学会在数字时代进行设计活动[2]。
日本机器人发展虽然比美国晚10年，但是也非常重视机器人教育和机器人文化。在日本，每所大学都有高水平的机器人研究和教学内容，每年定期举行各种不同层次的机器人设计和制作大赛，既有国际性高水平比赛，也有社区性中小学生参加的比赛[2]。
机器人国际赛开始于1995年，国际上较有影响力的机器人竞赛包括机器人足球、机器人灭火、机器人迷宫等，我国也有代表队参赛。
近年来，我国的机器人教育在计算机领域专家的大力推动下有了很大的发展，第八轮课程改革在高中信息技术课程设立了“人工智能初步”选修模块，迈出了我国高中阶段开展人工智能教育的第一步，这也意味着我国的人工智能教育在大众化、普及化层面上跃上了一个新的台阶[3]。青少年机器人竞赛的开展，促使各地方政府关注机器人教育，并组织信息技术或通用技术教师开展了小众性的培训辅导活动，一小部分实验学校还将机器人普及教育纳入信息技术课程中，如北京景山学校[3]。这些机器人教育先行者的研究实践所形成的机器人文化，无论是对机器人教育走近中小学生，还是对我国的机器人教育研究都有积极的意义。
机器人套件的售价昂贵及其更新速度快成为机器人教育普及的拦路石，机器人赛事几乎成为名校代表队的独欢宴。义务教育阶段的学生，大多未能触摸到这仿佛不是太遥远而又离他们学习很远的东西。
虚拟机器人又称软件机器人，是由用户基于虚拟机器人软件平台编制程序产生的机器人源文件，可在仿真环境下运行形成虚拟仿真功能。虚拟机器人的设计与出现，使机器人教育分成了实体机器人和虚拟机器人两类[4]。虚拟机器人软件最早出现在国外，2000年，世界RoboCup机器人足球赛的仿真组比赛就采用了虚拟机器人软件。近年来，我国出现了几款自行研制开发的虚拟机器人软件，比较常见的有中鸣公司的AI—RCJ虚拟机器人足球软件、纳英特公司的3D仿真机器人软件、南方数码公司的高仿虚拟机器人软件等。这些软件在不同地方被不同行政主管部门引入中小学生教育竞赛项目中，在一定程度上拉近了中小学校师生与机器人教育的距离[5]。
二、竞赛新宠—3D仿真虚拟机器人竞赛开展
踢开了实体机器人套件的价格阻石，虚拟机器人软件平台及虚拟机器人竞赛仿似“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”。一直无奈地对各级实体机器人竞赛进行选择性忽略的我们，终于等来了学习钻研、培训辅导的参与机会。
广州市教育信息中心（广州市电教馆）规划设计，委托南方数码公司开发了易时代3D仿真虚拟机器人软件平台。该软件具备了虚拟机器人软件一般具备的三种功能：建立虚拟仿真场景、组装虚拟机器人、编写机器人程序，还采用了3D虚拟现实技术，实现了机器人及场景的全3D模拟，可有效模拟出灭火、巡线等各种机器人比赛环境，仿真场景较为真实，具备地形起伏、地表纹理、构筑物（建筑物）、路面附属物、道路拓扑信息等特征，使程序的编制符合场景模拟、仿真模块参数设计的要求[5]。2009年秋，广州市组织了第一届中小学生3D仿真虚拟机器人实验赛。在实验赛前特意挑选了城市发达区域、城郊农村地区的不同层次学校作为试验校，目的是对软件的要求环境、师生的素质及其对竞赛操作性等进行试赛实验。其中，白云区一所优质城市学校、一所城乡结合部学校、两所乡镇小学参与了试验赛。完全没有机器人教育传承基础的师生在大约十天的培训中，就能在虚拟机器人软件平台上自如地执行组织方设定的任务，开展竞技、竞时比赛，甚为刺激，深受试赛师生的喜爱。更令人欣慰的是，虚拟机器人比赛使机器人赛事不再成为名校优生的专利，普通学校甚至是农村边远学校，只要配置了中小学信息技术课程实施计算机室设备设施，就可以进行学习和任务攻关。到目前为止，广州市已顺利组织了两届全市性比赛，由各行政区公开选拔或推荐参赛选手参加市赛。该套软件平台也在广东省虚拟机器人竞赛中使用。
自2004年信息技术课程在中小学普及实施以来，行政力较强、影响面较大、占据信息技术教育竞赛主体地位的一直是“全国中小学电脑制作活动”。因为它的电脑绘画及艺术设计、电子报刊、网页制作、动画设计等作品类别能够与各学段课程模块接轨，与教师的专业学习及学生课程学习相关性大，可操作性强。而易时代3D仿真虚拟机器人软件平台的出现及赛事的成功组织，使机器人的相关教育进入中小学教育的视野，让我们重新审视机器人教育从小众教育变为大众教育的可行性。作为信息技术教育竞赛的新宠，它也得到教育行政部门投入更多的资金与精力去开发和组织，教育实践者对其实践研究较之前也丰富起来，包括软件系统的可持续发展、竞赛机制的设计、教练培训的策略、培训学习的支持性材料编写、校本课程的开发等，对虚拟机器人教育的发展起到较显著的推动作用。