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摘要：在中小学开展机器人活动可以培养学生的动手实践能力、创新思维能力和团结协作能力，对提高中小学生的信息技术和科技素养有着巨大的促进作用，目前在国内外已经得到了广泛的开展。本文从竞赛组织的角度出发，论述了构建中小学“虚实结合”机器人竞赛活动的背景、思路、技术基础以及实践过程。
关键词：科技教育；中小学机器人竞赛；虚拟机器人；虚实结合
中小学生机器人活动是一项综合多种学科知识和技能的综合实践活动。开展这一项活动可以培养学生的动手实践能力、创新思维能力和团结协作能力，能够适应新课程改革的需要，对提高中小学生的信息技术和科技素养有着巨大的促进作用，是发展青少年综合素质的良好途径。同时，也可为未来机器人技术的广泛应用储备人才。
在国外，最早的青少年机器人竞赛活动由美国人狄恩卡门（Dean Kamen）在麻省理工学院的协助下创办，在1992年举办了首届竞赛。随后几年，各类机器人竞赛活动在多个国家得到快速发展，逐渐从大学延伸到中小学。在美国、欧洲、澳大利亚、中东等国家和地区先后诞生了多达几十种面向中小学生的机器人活动。其中影响最大的“世界机器人奥运会”（World Robot Olympiad）2004年在新加坡举办了首届活动，活动的参与对像为16～19岁的青少年，共有来自30多个国家的1000多人参加了竞赛。该竞赛作为年度活动，每届均由不同城市承办，最近的一届活动（第十届）在2013年由印尼的雅加达承办。我国的中小学智能机器人教育自2000年左右兴起。2001年，中国科协举办了“首届中国青少年智能机器人竞赛”，2003年，教育部将“中小学电脑机器人竞赛”纳入到“全国中小学电脑制作活动”。自此开始，由中国科协和教育部举办的竞赛为引导，各机器人生产厂商推动的中小学机器人教育开始进入中小学校。目前各省市每年定期举办的青少机器人竞赛有电教和科协等多个系列的活动，开展了擂台、灭火、足球、VEX、FLL、创意等项目，现已形成一定的规模，产生了不小的社会影响。
现有的中小学机器人竞赛活动模式分析
现有的中小学机器人竞赛活动从技术手段上，可划分成实体机器人竞赛和虚拟机器人竞赛两类。实体机器人竞赛是指主要依靠机器人的实体设备开展活动，目前的擂台、FLL、VEX等项目均属于实体机器人竞赛；虚拟机器人竞赛是指利用仿真软件开展机器人竞赛活动，学生通过电脑，在仿真系统中设计程序，模拟实物机器人的功能，完成指定的任务，目前我国已开展了虚拟智能校车、虚拟灭火、3D搜救等多个项目的虚拟机器人竞赛活动。这两种活动模式各有其优势，也各有不足。
1.实体机器人活动模式的优劣
学生通过直接参与实体机器人设备的设计、组装，并通过程序设计使机器人完成指定的任务。可以学习到机器人的结构和基本原理、组装机器人的基本方法、计算机程序设计等知识与技能，还可以培养科技实践能力和协作完成任务的能力，是目前开展中小学机器人活动的主要优势。
但现有的实体机器人活动存在明显的弊端：①成本问题，由各厂商设计的机器人组件价格昂贵格且互不兼容，并频繁地对设备进行升级换代，对参与的学校造成了较大的经济负担，直接限制了活动的参与面；②公平性的问题，现有的实体机器人竞赛受到成本和时间的限制，不要求学生进行现场组装和程序设计，学生只需把组装好的机器人拿到现场参赛即可，这一漏洞使不少机器人厂商为了商业利益，直接为学生提供组装和程序设计服务，致使这一活动成了学校间拼设备和厂商间角力的舞台；③创新性问题，由于实体机器人活动高度依赖其硬件设备和场地的物理条件，在项目设计的灵活性上受到了很大的制约，一些项目的内容近十年没有变化，其程序的思路与结构每年都大致接近，造成了活动的创新性较差。
2.虚拟机器人活动模式的优劣
虚拟机器人活动作为器人科技教育的有效补充和功能延伸，目前已经有虚拟智能校车、虚拟3D搜救、虚拟灭火、虚拟火炬传递等多个项目，与实体机器人竞赛相比，具有价格低廉、使用方便、极易推广和使用等优势。尤其突出的是，虚拟机器人由于其依靠虚拟仿真技术开展活动，在项目设计上有很大的活动性，一些实体机器人限于物理条件无法实现的项目，可以用虚拟机器人来实现。
但虚拟机器人活动也有其“先天的不足”：在一个纯虚拟的环境中，学生只能在一个人工设定的系统下去研究问题，无法在真实的环境中验证自己的设计思路，难以进行探索性学习；所有的“设备”和“环境”都处于理想化状态，学生难以体会和理解现实环境下的各种差异性；在虚拟组装机器人的过程中，学生也无法去培养和锻炼自己的动手能力。
主要设计思路
笔者根据多年组织广州市中小学机器人活动的实践，认为可以通过构建一种新型的“虚实结合”中小学机器人竞赛活动模式（以下简称“‘虚实结合’活动”），把虚、实两种机器人活动模式有机结合起来，同时运用虚拟仿真机器人系统和实体机器人开展活动，这样既可以利用虚拟机器人活动的经济性和灵活性强优势，又能发挥实体机器人活动实践性强的长处，从而更好地推广中小学机器人教育活动。笔者认为，“‘虚实结合’活动”内容的设计必须遵循以下三个主要原则。
1.整合性原则
“‘虚实结合’活动”要实现虚拟环节和实体环节的有机整合，在这两个环节间应该实现“三个统一”：任务统一、程序统一、场景统一。任务统一是指在虚拟环节和实体环节采用同一任务要求、采用同一评分标准；程序统一是指在虚拟仿真运行的程序和下载到实体机器人上运行的应是同一个程序，程序必须具有兼容性；环境统一是指仿真运行场景和实体运行环境的任务元素和运行路线是相同的。通过“三个统一”，体现了虚、实两个环节是同一个活动任务的两种验证方式，保证了活动的整体性。
2.公平性原则
机器人教育活动的公平性和经济性是息息相关的，为了避免这一项目沦为拼财力、拼设备的“烧钱”游戏，在竞赛活动当天用到的软、硬件要由主办方免费提供，学生在平时学习和练习所用的设备也必须严格控制其成本；同时，在竞赛当天只向学生提供被拆散的机器人组件，要求学生现场组装，也可避免过去出现的由公司技术人员或指导教师代劳的现象，以体现活动的公平性。 3.教育性原则
机器人竞赛作为一种科技教育活动，让学生在参加活动的过程中（包括制定解决问题的技术方案、设计程序、组装机器人、在虚拟场景和实体场地进行验证等环节） 达到既定的教育目标，笔者对照中小学课程标准的三维目标，对其进行了分类描述：①知识与技能目标。理解机器人的结构与基本原理，理解传感器的原理与性能；掌握组装机器人的基本技术；掌握计算机程序设计的基本方法，能编写完整的机器人控制程序。②过程与方法目标。能根据竞赛任务要求，设计出解决问题的技术方案；能通过组装机器人和运用图形化编程以完成竞赛任务；能通过在虚拟场景和实体场地的验证情况，总结和修正自己的技术方案。③情感态度与价值观。体验在机器人竞赛活动中获得的成功，打破对机器人的神秘感；培养以逻辑思维解决问题的意识；培养对科学技术的兴趣；培养创新性思维和科学探究的精神。
技术可行性分析
要实现上述的活动设计思路，必须有一套相应的系统，可以实现虚拟机器人和实体机器人的程序与硬件的相互兼容。广州市教育信息中心多年来，一直和有关公司合作，在做这方面做出了大量的探索和实践，并在技术上取得了重大突破。
从2008年开始，广州市教育信息中心和南方数码科技有限公司合作，以政府投资立项的方式，设计开发出一套在技术上具有国内领先地位的“易时代”3D仿真虚拟机器人软件，该系统已经实现了仿真3D组装、图形化编程（如图1）、3D场景设计、3D仿真演示（如图2）等功能，并基于这一平台，连续四年在广东地区开展了大规模的竞赛活动。
在2013年初发布的“易时代”3D仿真虚拟机器人软件2.1.2版上，已经实现了虚拟机器人模型（如图3）与“洛奇”实体机器人（如下页图4）互相配套、程序在虚拟系统和实体机器人互相兼容的功能，其程序中的传感器函数，可同时读取虚拟传感器和实体传感器的数据，数据输出函数，也可以同时输出到虚拟端口和实体端口。这一技术的发展，为实现“虚实结合”机器人竞赛提供了技术保障。
实践过程
笔者作为主要策划者，经过充分的准备，在2013年5月26日开展了首次广州市中小学“虚实结合”机器人竞赛活动。活动的具体规则如下：
1.基本要求
参与的学生以两人组队的方式参加活动，主办方免费提供虚拟机器人平台、多套实体机器人零件、及包含任务元素的虚拟场景（如图5）和实体场地（如图6）。要求参赛学生在规定时间通过组装机器人和编写程序，控制机器人完成按规定的路线行进、绕开障碍物、到达终点等任务。最后由裁判组根据项目的评分规则，对每队的任务完成情况进行评判。
2.任务环节
学生两人一队参加活动，通过分工合作参与四个环节的活动：①机器人组装，根据任务要求，在90分钟以内，使用主办方提供的机器人零件现场组装机器人。②程序设计，根据任务要求，在90分钟以内，现场编写机器人控制程序。③仿真运行，把程序导入到虚拟场景下运行，在理想状态下检验运行效果。④实体运行，把程序加载到实体机器人上，在实体场地上检验运行效果。
3.活动的评价标准
每队的分值包括虚拟分和实体分两部分，各占总分50%，每部分又分别包含时间分（即完成任务的时间）和功能分（即完成指定动作所得的分数，如通过路口、通过弯道、经过直道的数量与情况等），总分较高者为优。
来自广州市25所学校的29支队伍分小、初、高三个组别参加了当天的活动。活动受到参赛师生的普遍好评，达到了预期的效果。通过这次活动对“虚实结合”项目的教育性和科学性进行了初步的检验，活动还受到了新闻媒体的关注，南方电视台和信息时报对此进行了采访和报道，产生了良好的社会影响。
反思与结论
在开展中小学“虚实结合”机器人活动取得初步成功的同时，也暴露了一些待改进问题，一是“虚实结合”所用的系统还停留在较低的仿真水平，对实体机器人中最常用的多自由度机械臂、多线程竞赛还没能完全实现，这直接制约了活动内容的丰富性；二是配套的实体机器人的功能与虚拟仿真系统差异过大，造成了不少程序在虚拟场景和实体中运行的效果完全不同；三是目前的评价指标仅对程序运行的情况进行评价，没有把协作情况、装配水平、设计创新等过程性的因素考虑在内，评价指标的科学性待加强。
经过实践，“虚实结合”作为一项全新的中小学机器人活动模式，可以对实体机器人活动和虚拟机器人活动两种模式进行扬长避短，既发挥出虚拟机器人活动成本低、灵活性强、便于开展的优势，也可以让学生在真实的环境下完成活动任务和锻炼能手能力。相信在不久的将来，经过不断的实践与完善，这一新兴的中小学科技教育模式将取得更大的社会效益，在提高中小学生综合素质方面起到更大的作用。
关键词：科技教育；中小学机器人竞赛；虚拟机器人；虚实结合
中小学生机器人活动是一项综合多种学科知识和技能的综合实践活动。开展这一项活动可以培养学生的动手实践能力、创新思维能力和团结协作能力，能够适应新课程改革的需要，对提高中小学生的信息技术和科技素养有着巨大的促进作用，是发展青少年综合素质的良好途径。同时，也可为未来机器人技术的广泛应用储备人才。
在国外，最早的青少年机器人竞赛活动由美国人狄恩卡门（Dean Kamen）在麻省理工学院的协助下创办，在1992年举办了首届竞赛。随后几年，各类机器人竞赛活动在多个国家得到快速发展，逐渐从大学延伸到中小学。在美国、欧洲、澳大利亚、中东等国家和地区先后诞生了多达几十种面向中小学生的机器人活动。其中影响最大的“世界机器人奥运会”（World Robot Olympiad）2004年在新加坡举办了首届活动，活动的参与对像为16～19岁的青少年，共有来自30多个国家的1000多人参加了竞赛。该竞赛作为年度活动，每届均由不同城市承办，最近的一届活动（第十届）在2013年由印尼的雅加达承办。我国的中小学智能机器人教育自2000年左右兴起。2001年，中国科协举办了“首届中国青少年智能机器人竞赛”，2003年，教育部将“中小学电脑机器人竞赛”纳入到“全国中小学电脑制作活动”。自此开始，由中国科协和教育部举办的竞赛为引导，各机器人生产厂商推动的中小学机器人教育开始进入中小学校。目前各省市每年定期举办的青少机器人竞赛有电教和科协等多个系列的活动，开展了擂台、灭火、足球、VEX、FLL、创意等项目，现已形成一定的规模，产生了不小的社会影响。
现有的中小学机器人竞赛活动模式分析
现有的中小学机器人竞赛活动从技术手段上，可划分成实体机器人竞赛和虚拟机器人竞赛两类。实体机器人竞赛是指主要依靠机器人的实体设备开展活动，目前的擂台、FLL、VEX等项目均属于实体机器人竞赛；虚拟机器人竞赛是指利用仿真软件开展机器人竞赛活动，学生通过电脑，在仿真系统中设计程序，模拟实物机器人的功能，完成指定的任务，目前我国已开展了虚拟智能校车、虚拟灭火、3D搜救等多个项目的虚拟机器人竞赛活动。这两种活动模式各有其优势，也各有不足。
1.实体机器人活动模式的优劣
学生通过直接参与实体机器人设备的设计、组装，并通过程序设计使机器人完成指定的任务。可以学习到机器人的结构和基本原理、组装机器人的基本方法、计算机程序设计等知识与技能，还可以培养科技实践能力和协作完成任务的能力，是目前开展中小学机器人活动的主要优势。
但现有的实体机器人活动存在明显的弊端：①成本问题，由各厂商设计的机器人组件价格昂贵格且互不兼容，并频繁地对设备进行升级换代，对参与的学校造成了较大的经济负担，直接限制了活动的参与面；②公平性的问题，现有的实体机器人竞赛受到成本和时间的限制，不要求学生进行现场组装和程序设计，学生只需把组装好的机器人拿到现场参赛即可，这一漏洞使不少机器人厂商为了商业利益，直接为学生提供组装和程序设计服务，致使这一活动成了学校间拼设备和厂商间角力的舞台；③创新性问题，由于实体机器人活动高度依赖其硬件设备和场地的物理条件，在项目设计的灵活性上受到了很大的制约，一些项目的内容近十年没有变化，其程序的思路与结构每年都大致接近，造成了活动的创新性较差。
2.虚拟机器人活动模式的优劣
虚拟机器人活动作为器人科技教育的有效补充和功能延伸，目前已经有虚拟智能校车、虚拟3D搜救、虚拟灭火、虚拟火炬传递等多个项目，与实体机器人竞赛相比，具有价格低廉、使用方便、极易推广和使用等优势。尤其突出的是，虚拟机器人由于其依靠虚拟仿真技术开展活动，在项目设计上有很大的活动性，一些实体机器人限于物理条件无法实现的项目，可以用虚拟机器人来实现。
但虚拟机器人活动也有其“先天的不足”：在一个纯虚拟的环境中，学生只能在一个人工设定的系统下去研究问题，无法在真实的环境中验证自己的设计思路，难以进行探索性学习；所有的“设备”和“环境”都处于理想化状态，学生难以体会和理解现实环境下的各种差异性；在虚拟组装机器人的过程中，学生也无法去培养和锻炼自己的动手能力。
主要设计思路
笔者根据多年组织广州市中小学机器人活动的实践，认为可以通过构建一种新型的“虚实结合”中小学机器人竞赛活动模式（以下简称“‘虚实结合’活动”），把虚、实两种机器人活动模式有机结合起来，同时运用虚拟仿真机器人系统和实体机器人开展活动，这样既可以利用虚拟机器人活动的经济性和灵活性强优势，又能发挥实体机器人活动实践性强的长处，从而更好地推广中小学机器人教育活动。笔者认为，“‘虚实结合’活动”内容的设计必须遵循以下三个主要原则。
1.整合性原则
“‘虚实结合’活动”要实现虚拟环节和实体环节的有机整合，在这两个环节间应该实现“三个统一”：任务统一、程序统一、场景统一。任务统一是指在虚拟环节和实体环节采用同一任务要求、采用同一评分标准；程序统一是指在虚拟仿真运行的程序和下载到实体机器人上运行的应是同一个程序，程序必须具有兼容性；环境统一是指仿真运行场景和实体运行环境的任务元素和运行路线是相同的。通过“三个统一”，体现了虚、实两个环节是同一个活动任务的两种验证方式，保证了活动的整体性。
2.公平性原则
机器人教育活动的公平性和经济性是息息相关的，为了避免这一项目沦为拼财力、拼设备的“烧钱”游戏，在竞赛活动当天用到的软、硬件要由主办方免费提供，学生在平时学习和练习所用的设备也必须严格控制其成本；同时，在竞赛当天只向学生提供被拆散的机器人组件，要求学生现场组装，也可避免过去出现的由公司技术人员或指导教师代劳的现象，以体现活动的公平性。 3.教育性原则
机器人竞赛作为一种科技教育活动，让学生在参加活动的过程中（包括制定解决问题的技术方案、设计程序、组装机器人、在虚拟场景和实体场地进行验证等环节） 达到既定的教育目标，笔者对照中小学课程标准的三维目标，对其进行了分类描述：①知识与技能目标。理解机器人的结构与基本原理，理解传感器的原理与性能；掌握组装机器人的基本技术；掌握计算机程序设计的基本方法，能编写完整的机器人控制程序。②过程与方法目标。能根据竞赛任务要求，设计出解决问题的技术方案；能通过组装机器人和运用图形化编程以完成竞赛任务；能通过在虚拟场景和实体场地的验证情况，总结和修正自己的技术方案。③情感态度与价值观。体验在机器人竞赛活动中获得的成功，打破对机器人的神秘感；培养以逻辑思维解决问题的意识；培养对科学技术的兴趣；培养创新性思维和科学探究的精神。
技术可行性分析
要实现上述的活动设计思路，必须有一套相应的系统，可以实现虚拟机器人和实体机器人的程序与硬件的相互兼容。广州市教育信息中心多年来，一直和有关公司合作，在做这方面做出了大量的探索和实践，并在技术上取得了重大突破。
从2008年开始，广州市教育信息中心和南方数码科技有限公司合作，以政府投资立项的方式，设计开发出一套在技术上具有国内领先地位的“易时代”3D仿真虚拟机器人软件，该系统已经实现了仿真3D组装、图形化编程（如图1）、3D场景设计、3D仿真演示（如图2）等功能，并基于这一平台，连续四年在广东地区开展了大规模的竞赛活动。
在2013年初发布的“易时代”3D仿真虚拟机器人软件2.1.2版上，已经实现了虚拟机器人模型（如图3）与“洛奇”实体机器人（如下页图4）互相配套、程序在虚拟系统和实体机器人互相兼容的功能，其程序中的传感器函数，可同时读取虚拟传感器和实体传感器的数据，数据输出函数，也可以同时输出到虚拟端口和实体端口。这一技术的发展，为实现“虚实结合”机器人竞赛提供了技术保障。
实践过程
笔者作为主要策划者，经过充分的准备，在2013年5月26日开展了首次广州市中小学“虚实结合”机器人竞赛活动。活动的具体规则如下：
1.基本要求
参与的学生以两人组队的方式参加活动，主办方免费提供虚拟机器人平台、多套实体机器人零件、及包含任务元素的虚拟场景（如图5）和实体场地（如图6）。要求参赛学生在规定时间通过组装机器人和编写程序，控制机器人完成按规定的路线行进、绕开障碍物、到达终点等任务。最后由裁判组根据项目的评分规则，对每队的任务完成情况进行评判。
2.任务环节
学生两人一队参加活动，通过分工合作参与四个环节的活动：①机器人组装，根据任务要求，在90分钟以内，使用主办方提供的机器人零件现场组装机器人。②程序设计，根据任务要求，在90分钟以内，现场编写机器人控制程序。③仿真运行，把程序导入到虚拟场景下运行，在理想状态下检验运行效果。④实体运行，把程序加载到实体机器人上，在实体场地上检验运行效果。
3.活动的评价标准
每队的分值包括虚拟分和实体分两部分，各占总分50%，每部分又分别包含时间分（即完成任务的时间）和功能分（即完成指定动作所得的分数，如通过路口、通过弯道、经过直道的数量与情况等），总分较高者为优。
来自广州市25所学校的29支队伍分小、初、高三个组别参加了当天的活动。活动受到参赛师生的普遍好评，达到了预期的效果。通过这次活动对“虚实结合”项目的教育性和科学性进行了初步的检验，活动还受到了新闻媒体的关注，南方电视台和信息时报对此进行了采访和报道，产生了良好的社会影响。
反思与结论
在开展中小学“虚实结合”机器人活动取得初步成功的同时，也暴露了一些待改进问题，一是“虚实结合”所用的系统还停留在较低的仿真水平，对实体机器人中最常用的多自由度机械臂、多线程竞赛还没能完全实现，这直接制约了活动内容的丰富性；二是配套的实体机器人的功能与虚拟仿真系统差异过大，造成了不少程序在虚拟场景和实体中运行的效果完全不同；三是目前的评价指标仅对程序运行的情况进行评价，没有把协作情况、装配水平、设计创新等过程性的因素考虑在内，评价指标的科学性待加强。
经过实践，“虚实结合”作为一项全新的中小学机器人活动模式，可以对实体机器人活动和虚拟机器人活动两种模式进行扬长避短，既发挥出虚拟机器人活动成本低、灵活性强、便于开展的优势，也可以让学生在真实的环境下完成活动任务和锻炼能手能力。相信在不久的将来，经过不断的实践与完善，这一新兴的中小学科技教育模式将取得更大的社会效益，在提高中小学生综合素质方面起到更大的作用。