基于Unity3D與模塊化教學(xué)機(jī)器人平臺(tái)的課程改革實(shí)踐

張偉民 梁凱文 王洋

摘要：2017年以來，信息技術(shù)素養(yǎng)和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)逐漸成為中小學(xué)生教育中不可或缺的一環(huán)，機(jī)器人課程因其高度的實(shí)踐性是進(jìn)行信息技術(shù)素養(yǎng)和綜合素質(zhì)教育的平臺(tái)之一。因此，面對(duì)中小學(xué)教育教學(xué)需要，基于項(xiàng)目式教學(xué)法、虛擬教學(xué)的思想，提出了一種基于Unity3D與模塊化教學(xué)機(jī)器人平臺(tái)的課程。試點(diǎn)課堂教學(xué)證明，該課程為中小學(xué)生接觸機(jī)器人相關(guān)知識(shí)提供了安全、便捷的途徑，增加了課程的可擴(kuò)展性和靈活性，為機(jī)器人課程走進(jìn)中小學(xué)提供了一種解決思路。

關(guān)鍵詞：Unity3D；模塊化機(jī)器人；課程改革

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

2012年，我國提出推進(jìn)高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新，為創(chuàng)新人才創(chuàng)造成長(zhǎng)環(huán)境[1]。而機(jī)器人相關(guān)技術(shù)作為一大類新興學(xué)科，逐漸被人們所熟知，機(jī)器人相關(guān)課程也逐漸增多。另外，近些年國內(nèi)機(jī)械制造業(yè)的成熟，軟件工程領(lǐng)域算法的迅猛發(fā)展，也為利用機(jī)器人進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)提供了硬件條件。但有關(guān)課程動(dòng)手操作性強(qiáng)、知識(shí)儲(chǔ)備階段趣味性差、設(shè)備購買及維護(hù)成本高等特點(diǎn)給相關(guān)課程的各年齡段推廣帶來了一定的困難。

2020年，受到新型冠狀肺炎的影響，全國各地中小學(xué)、高校開學(xué)時(shí)間均有所延遲。這在一定程度上對(duì)預(yù)定的教學(xué)計(jì)劃產(chǎn)生了重大的影響，但也推動(dòng)了師生對(duì)在線教育的認(rèn)可。在教育部“停課不停學(xué)”的號(hào)召下，各中小學(xué)、高校紛紛開展線上教學(xué)。但由于機(jī)器人相關(guān)課程實(shí)踐性強(qiáng)、器材依賴性大的特點(diǎn)，傳統(tǒng)教具無法適應(yīng)線上教學(xué)的需要。這種情況下，可以適用于遠(yuǎn)程教學(xué)的機(jī)器人教具改革顯得尤為重要。另一方面，相關(guān)課程實(shí)物教學(xué)成本較高，可能存在安全隱患、課后維護(hù)消耗大，一定程度上阻礙了在實(shí)物教學(xué)，特別是中小學(xué)實(shí)物教學(xué)中的推廣。然而，遠(yuǎn)程教學(xué)在知識(shí)獲取，特別是實(shí)踐性知識(shí)的獲取方面具有嚴(yán)重的弊端——真實(shí)感和自然感的缺失。這導(dǎo)致學(xué)生無法獲得實(shí)時(shí)的反饋，導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量下降。

因此，將Unity3D等新興虛擬仿真技術(shù)用于模塊化機(jī)器人等教學(xué)平臺(tái)的前景十分可觀，并對(duì)于教學(xué)改革背景下培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力，特別是創(chuàng)新能力有一定推動(dòng)作用。本文在新冠肺炎疫情影響下，結(jié)合線上和線下教學(xué)，綜合模塊化機(jī)器人以及虛擬平臺(tái)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，以項(xiàng)目式教學(xué)法為指導(dǎo)，針對(duì)中小學(xué)教學(xué)的特點(diǎn)，利用Unity3D技術(shù)對(duì)已有的模塊化機(jī)器人進(jìn)行虛擬化建模，為疫情影響下的中小學(xué)機(jī)器人課程提供了一種教學(xué)新思路，對(duì)中小學(xué)生的信息技術(shù)素養(yǎng)和綜合素質(zhì)有一定的提升作用。

（一）虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)

與傳統(tǒng)教學(xué)不同，在線教育是一種基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的，促進(jìn)學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)的教育形態(tài)[2]。而針對(duì)中小學(xué)生存在的自制力差的特點(diǎn)，其完全自主的在線教育往往難以收到很好的效果。因此，勢(shì)必要采用多種方式增加學(xué)生興趣，提高課程關(guān)注度和參與度[3]。另一方面，因中小學(xué)生的前置知識(shí)水平限制，本文所探索的課程主題——機(jī)器人，針對(duì)現(xiàn)有部分內(nèi)容對(duì)中小學(xué)生群體趣味性不足，單純的依靠傳統(tǒng)遠(yuǎn)程錄播、直播講解內(nèi)容的形式難以達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果。其次，中小學(xué)階段機(jī)器人相關(guān)課程更多的偏向于動(dòng)手操作的工程應(yīng)用及相關(guān)知識(shí)入門，而非機(jī)器人整體知識(shí)體系框架的搭建與豐富。

在這種情況下，一種可在遠(yuǎn)程教育中使用的，能夠增加課程參與度的機(jī)器人教具顯得尤為重要。而針對(duì)機(jī)器人實(shí)物在攜帶、維護(hù)上的不便利以及對(duì)中小學(xué)生群體隱含的電氣、機(jī)械隱患，本文在對(duì)現(xiàn)有機(jī)器人教具進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，選擇結(jié)構(gòu)多樣、靈活的模塊化機(jī)器人作為機(jī)器人課程教學(xué)平臺(tái)。

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是伴隨網(wǎng)絡(luò)、多媒體、通信、虛擬儀器、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一門新興實(shí)驗(yàn)技術(shù)。玄兆燕等人早在2003年論述了虛擬實(shí)驗(yàn)室及傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也指出了虛擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的可行性[4]。近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建逐漸普及，越來越在課程改革過程中發(fā)揮出巨大的活力，已有眾多學(xué)者在該領(lǐng)域取得一定成果[5-8]。相比于傳統(tǒng)課程體系[9][10]，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于其簡(jiǎn)潔、低成本等優(yōu)點(diǎn)，必然是之后實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要發(fā)展方向[11]。另外，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為一種軟件平臺(tái)，在遠(yuǎn)程教育中具有巨大的潛力[12]。以本次新冠肺炎疫情為例，在以實(shí)物機(jī)器人平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)主體的實(shí)驗(yàn)課程中，由于其不滿足遠(yuǎn)程授課需要，給課程展開造成了不便。而作為軟件的虛擬機(jī)器人平臺(tái)，則可通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行發(fā)布，進(jìn)行正常教學(xué)。

（二）機(jī)器人課程

機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)本身涉及多學(xué)科技術(shù)，硬件方面包括電力電子技術(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器技術(shù)與應(yīng)用，軟件方面包括運(yùn)動(dòng)控制算法、人工智能深度學(xué)習(xí)、多傳感器數(shù)據(jù)處理等?，F(xiàn)代的機(jī)器人是人們生活中必不可少的幫手，機(jī)器人相關(guān)課程也成為當(dāng)前各階段學(xué)校的熱點(diǎn)課程。

機(jī)器人平臺(tái)的選取是機(jī)器人相關(guān)課程教學(xué)當(dāng)中最重要也是最困難的一步。機(jī)器人課程設(shè)計(jì)要能夠吸引學(xué)生的興趣，達(dá)到不斷提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新意識(shí)和綜合實(shí)踐能力的目的[13]，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到技術(shù)發(fā)展對(duì)于人類社會(huì)的影響，樹立正確的科技觀[14]。而我國生產(chǎn)和銷售各品類機(jī)器人產(chǎn)品的廠家已超過一萬家，每種品牌各有優(yōu)劣。面對(duì)中小學(xué)的機(jī)器人課程需要教具體積小、操作簡(jiǎn)便、攜帶簡(jiǎn)單、功能多的特點(diǎn)，本文采取模塊化機(jī)器人作為備選教具。

模塊化機(jī)器人由簡(jiǎn)單且功能類似或完全相同的零部件組成，這些零部件就是“模塊”。模塊可以通過改變自身的狀態(tài)和形狀以適應(yīng)外部工作環(huán)境或與人交互的需要[15]。相比其他種類的機(jī)器人適應(yīng)性不強(qiáng)，只能完成單一任務(wù)的特點(diǎn)，模塊化機(jī)器人因其方便拆解特點(diǎn)，更適合成為教學(xué)用具。而相比傳統(tǒng)的書本教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高，對(duì)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際品格的塑造，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力的培養(yǎng)，具有重要作用[16]。

根據(jù)機(jī)器人重構(gòu)方式的不同，可將模塊化機(jī)器人劃分為可重構(gòu)與自重構(gòu)兩種類型。其中，可重構(gòu)模塊化機(jī)器人是由外界干擾，通過人為的方式擺出各種造型，以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)功能。自重構(gòu)模塊化機(jī)器人則是利用模塊自主的運(yùn)動(dòng)能力以及模塊間的特殊機(jī)構(gòu)便于自主運(yùn)動(dòng)時(shí)連接[17]。

在傳統(tǒng)線下教學(xué)中，受實(shí)物成本、維護(hù)成本、運(yùn)輸條件等限制，學(xué)生往往無法人手一套進(jìn)行操作，影響到了學(xué)生對(duì)于課程的參與度，也不利于其對(duì)于模塊化機(jī)器人的便利性、適應(yīng)性的認(rèn)知，也偏離了實(shí)驗(yàn)課程所注重的實(shí)踐原則。另外，面對(duì)機(jī)器人這一整體而復(fù)雜的對(duì)象，中小學(xué)學(xué)生存在整體認(rèn)識(shí)不足、知識(shí)儲(chǔ)備不夠的問題，知識(shí)水平不足以達(dá)到進(jìn)行整體系統(tǒng)學(xué)習(xí)的要求，因此，根據(jù)學(xué)生知識(shí)水平分階段教學(xué)是一個(gè)較好的解決思路[18][19]。最后，對(duì)中小學(xué)生群體來說，機(jī)器人實(shí)物電氣、機(jī)械結(jié)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)具有一定安全隱患，帶來了一定的危險(xiǎn)性。因此，從改進(jìn)傳統(tǒng)線下教學(xué)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一款虛擬仿真機(jī)器人平臺(tái)教具對(duì)于滿足課程教學(xué)需要與激發(fā)學(xué)生科研興趣是十分必要的。

綜合疫情背景下線上線下教育相結(jié)合的需求和傳統(tǒng)機(jī)器人課程的改革思路，本文基于Unity3D對(duì)選用的模塊化機(jī)器人進(jìn)行了虛擬化建模。通過研究模塊化機(jī)器人的控制系統(tǒng)原理，結(jié)合其構(gòu)型方式、控制特性設(shè)計(jì)一種圖形化人機(jī)交互系統(tǒng)，能夠通過拖拽圖元的形式完成模塊化機(jī)器人的拼裝與動(dòng)作編程，并實(shí)現(xiàn)多模態(tài)下機(jī)器人的實(shí)時(shí)通訊控制。在底層編程的基礎(chǔ)上，通過上位機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)，開放自定義接口，有助于相關(guān)課程的順利進(jìn)行。

總體上看，本文所提出的基于Unity3D模塊化拼裝教學(xué)機(jī)器人平臺(tái)能夠有效地縮短開發(fā)周期，將課程更好地集中于對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維、編程及協(xié)作能力的培養(yǎng)。同時(shí)，相比線下課程，本文提出的虛擬教學(xué)平臺(tái)在長(zhǎng)期疫情防控背景下機(jī)器人課程的遠(yuǎn)程教育、課程拓展等方面具有更多的應(yīng)用推廣前景，具有更大的優(yōu)勢(shì)。另一方面，模塊化機(jī)器人較低的價(jià)格也為其走進(jìn)每個(gè)家庭提供了可能，這也進(jìn)一步的提高了配套課程的授課效果。為配套課程打破疫情等帶來的地理隔離，取得與同線下教學(xué)相同甚至更高的教學(xué)成果提供良好條件。

本文所設(shè)計(jì)的模塊化機(jī)器人虛擬平臺(tái)立足于遠(yuǎn)程在線教學(xué)中現(xiàn)有機(jī)器人課程所需的機(jī)器人平臺(tái)攜帶不便、存在安全隱患的現(xiàn)狀，著眼于解決當(dāng)前新冠肺炎疫情帶來的遠(yuǎn)程教學(xué)中學(xué)生注意力易分散、課程參與程度低、難以動(dòng)手實(shí)踐的問題。為中小學(xué)機(jī)器人入門課程提供了一個(gè)基礎(chǔ)的模塊化機(jī)器人虛擬平臺(tái)，避免中小學(xué)教學(xué)中實(shí)物教學(xué)的弊端。在軟件平臺(tái)上進(jìn)行相應(yīng)操作即可完成實(shí)驗(yàn)?zāi)康模岣吡诵屎筒僮鞯陌踩訹20]。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，對(duì)本軟件進(jìn)行相應(yīng)分析。

本文所設(shè)計(jì)的虛擬模塊化機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)，如圖1所示。仿真平臺(tái)基于Unity3D環(huán)境搭建，分為顯示、交互及控制三個(gè)部分，以及仿真平臺(tái)與實(shí)物機(jī)器人平臺(tái)的通信部分。用于遠(yuǎn)程在線教學(xué)的虛擬模塊化機(jī)器人主要由前三者組成，用于充分利用互聯(lián)網(wǎng)、5G等通信傳輸手段實(shí)現(xiàn)便捷傳播，并在上課過程中通過即時(shí)通訊軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生上課的積極性、主動(dòng)性，提高課程參與感和授課質(zhì)量。在完成設(shè)計(jì)功能的同時(shí)，本虛擬教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)有機(jī)械模型庫，預(yù)置了基本的臂部關(guān)節(jié)、腿部關(guān)節(jié)、輪式底盤等各類基本模塊，并且開放接口，可以自行設(shè)計(jì)添加功能模塊。另外，功能上教師也可以根據(jù)授課需求基于項(xiàng)目式教學(xué)法在項(xiàng)目教學(xué)的基礎(chǔ)上選擇“虛擬拼裝”“實(shí)物操作”以及“整體布局”三種任務(wù)模式。對(duì)本虛擬平臺(tái)進(jìn)行二次編程開發(fā)，通過分階段教學(xué)充分啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

（一）需求分析

根據(jù)疫情期間線上線下相結(jié)合教學(xué)示教教具的具體功能需求，以及機(jī)器人課程自身所需要的動(dòng)手操作性這一情況，整個(gè)仿真系統(tǒng)需要四個(gè)功能模塊：交互模塊、通信模塊、控制模塊及顯示管理模塊。

1.交互模塊

（1）通過點(diǎn)擊界面中按鈕來控制整體的操作邏輯，包括生成關(guān)節(jié)、刪除關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)向、控制手臂、控制不同的底盤、改變串口端口參數(shù)設(shè)置等；（2）通過拖動(dòng)滑塊實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊化關(guān)節(jié)的無極控制；（3）通過拖動(dòng)生成的模塊化關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)不同模塊化關(guān)節(jié)的拼裝。

2.通信模塊

通信模塊主要包含三個(gè)部分，分別負(fù)責(zé)虛擬交互界面中模塊化機(jī)器人的控制錄入，交互界面將用戶操作轉(zhuǎn)化為與下位機(jī)控制器的通信協(xié)議，以及下位機(jī)主控制器與模塊化關(guān)節(jié)的通訊轉(zhuǎn)化。該模塊在程序中內(nèi)置，根據(jù)課程需要對(duì)學(xué)生開放，以達(dá)到更加靈活的授課目的。

3.控制模塊

控制模塊主要依靠交互界面實(shí)現(xiàn)，包括模塊化關(guān)節(jié)的軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制。通過界面上直觀的鍵鼠操作，以可視化的形式展示模塊化機(jī)器人的預(yù)定動(dòng)作。相比實(shí)物機(jī)器人控制編程的無界面操作，本軟件所采用的控制模塊更加安全、簡(jiǎn)便：通過拖動(dòng)滑動(dòng)條的方式，實(shí)現(xiàn)虛擬界面和實(shí)體機(jī)器人的聯(lián)動(dòng)；通過填補(bǔ)文本框的形式對(duì)模塊化關(guān)節(jié)可運(yùn)動(dòng)角度進(jìn)行調(diào)整設(shè)定。

4.顯示管理模塊

顯示管理模塊通過將實(shí)物模塊化機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)建立三維圖形的形式，實(shí)現(xiàn)了模塊化機(jī)器人的虛擬化，從軟件上實(shí)現(xiàn)了示教平臺(tái)的構(gòu)建。同時(shí)，通過虛擬模塊化機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)和仿真交互界面的聯(lián)合操作、顯示，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)仿真、同步顯示。

（二）界面設(shè)計(jì)

該上位機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)主要分為四個(gè)部分。

1.位于窗口主體左側(cè)的功能區(qū)。主要包含常用功能的按鈕，如“生成關(guān)節(jié)”“刪除關(guān)節(jié)”“關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)向”“改變串口端口參數(shù)設(shè)置”“控制手臂”“控制底盤”等；

2.位于交互界面中部的機(jī)器人主體是虛擬模塊化拼裝機(jī)器人。常駐顯示中間的主體殼外殼，通過點(diǎn)擊不同的按鈕以及拖動(dòng)滑動(dòng)條，可以連接通訊模塊實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)器人的模型顯示與實(shí)體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制；

3.在某一確定類型模塊化機(jī)器人（雙足機(jī)器人、輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人等）拼裝完成后，通過按鍵盤Z鍵可在當(dāng)前鼠標(biāo)所在位置生成對(duì)于某條“模塊化關(guān)節(jié)手臂”的相關(guān)控制面板；

4.對(duì)于特殊的底盤履帶式和輪式，設(shè)有不同的控制面板，面板包含前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向按鍵，通過輸入不同的代碼來切換底盤，通過輸入數(shù)值控制底盤運(yùn)轉(zhuǎn)的速度。

（三）軟件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的虛擬模塊化機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件系統(tǒng)選用Windows 10操作系統(tǒng)作為程序的開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境，利用3D Max和SolidWorks進(jìn)行模型的構(gòu)建和格式轉(zhuǎn)換，使用C++語言對(duì)下位機(jī)主控制板STM32算法進(jìn)行編程調(diào)試，使用C#語言在Visual Studio的環(huán)境下對(duì)上位機(jī)圖形化人機(jī)交互系統(tǒng)的算法進(jìn)行編程，在Unity3D軟件環(huán)境下對(duì)模型和算法的功能進(jìn)行調(diào)試。

軟件開發(fā)主要包括兩部分任務(wù)：通過軟件仿真的形式，操作者可以自由拼裝模塊化機(jī)器人，并實(shí)現(xiàn)虛擬仿真和實(shí)體機(jī)器人聯(lián)合共同運(yùn)動(dòng)；通過開放一些自定義接口，以滑動(dòng)條和文本框的形式讓操作者間接接觸底層架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)的目的。該軟件的工作流程如圖2所示。

首先啟動(dòng)主程序“模塊化教學(xué)機(jī)器人”。隨后，在控制區(qū)可點(diǎn)擊生成關(guān)節(jié)1（長(zhǎng)關(guān)節(jié)）或關(guān)節(jié)2（短關(guān)節(jié)），可在當(dāng)前鼠標(biāo)的位置生成虛擬化的長(zhǎng)關(guān)節(jié)和短關(guān)節(jié)，將鼠標(biāo)放在對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)模塊上，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵即可進(jìn)行拖動(dòng)，可根據(jù)教學(xué)中布置的教學(xué)需求，將兩種關(guān)節(jié)隨意在主體機(jī)殼上拼裝，并在后續(xù)通過輸入控制端口等信息進(jìn)行實(shí)物控制。

按照教學(xué)需求拼裝完成后，點(diǎn)擊“拼裝完成”按鈕，即可完成拼裝環(huán)節(jié)。此時(shí)交互模塊中拼裝功能鎖死，通信模塊開始處理協(xié)議。在交互界面中，鼠標(biāo)右鍵選定所需控制的模塊（機(jī)械臂、腿或輪式移動(dòng)底盤等），按下Z鍵即可在不影響觀看仿真效果的當(dāng)前鼠標(biāo)位置上生成該條手臂的控制滑動(dòng)條和舵機(jī)編號(hào)文本框。

在線下模塊化機(jī)器人實(shí)體拼裝完成后，查看各舵機(jī)編號(hào)。在交互界面中相應(yīng)舵機(jī)位置輸入機(jī)器人實(shí)體對(duì)應(yīng)的舵機(jī)號(hào)，鼠標(biāo)拖動(dòng)滑動(dòng)條即可完成虛擬模塊化機(jī)器人與實(shí)體模塊化機(jī)器人的同步控制。特別的，對(duì)于模塊化機(jī)器人腿部控制及底盤控制，需要點(diǎn)擊左側(cè)控制區(qū)域的控制左右腿和底盤的按鈕，即可調(diào)出腿和底盤的控制表，通過輸入相應(yīng)代號(hào)、行進(jìn)速度并點(diǎn)擊按鈕即可完成對(duì)整體模塊化機(jī)器人的控制。

對(duì)于初步線上教學(xué)，無法完成與模塊化機(jī)器人實(shí)物通信控制，會(huì)對(duì)教學(xué)效果造成一定影響。針對(duì)這一點(diǎn)，可利用即時(shí)通訊軟件在教師端進(jìn)行操作，即在教師發(fā)布課程任務(wù)、學(xué)生完成相應(yīng)操作后，學(xué)生遠(yuǎn)程利用教師端PC機(jī)完成對(duì)實(shí)物機(jī)器人的控制。

（四）運(yùn)行效果

為了提高機(jī)器人操作的真實(shí)程度、激發(fā)學(xué)生興趣、提高學(xué)生參與度，進(jìn)而提高教學(xué)質(zhì)量，本文所設(shè)計(jì)的虛擬模塊化教學(xué)平臺(tái)利用簡(jiǎn)單的模塊進(jìn)行機(jī)器人搭建，并就機(jī)器人模塊顯示做出可修改添加及優(yōu)化，即教師可根據(jù)教學(xué)需求，自行或啟發(fā)學(xué)生對(duì)虛擬模塊進(jìn)行建模。以實(shí)例模型為例，虛擬模塊化機(jī)器人拼裝、控制測(cè)試和仿真軟件與實(shí)體模塊化機(jī)器人的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)方面測(cè)試效果如下。

1.虛擬拼裝測(cè)試

如上文所述，模塊化機(jī)器人最終構(gòu)型可以根據(jù)教學(xué)需要與目的進(jìn)行改變，如根據(jù)作業(yè)任務(wù)需求，將輪式底盤與機(jī)械臂組合，對(duì)機(jī)器人可達(dá)空間進(jìn)行分析以達(dá)到作業(yè)目的；或根據(jù)仿人形機(jī)器人來對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)布局調(diào)整，以達(dá)到實(shí)物仿人形機(jī)器人可以行動(dòng)而不至于傾倒的目的。

2.虛擬運(yùn)動(dòng)測(cè)試

在完成機(jī)器人結(jié)構(gòu)的拼裝后，點(diǎn)擊“拼裝完成”按鈕完成機(jī)器人拼裝任務(wù)，進(jìn)入虛擬控制與通信協(xié)議生成任務(wù)。此時(shí)，根據(jù)機(jī)械臂長(zhǎng)度不同，生成舵機(jī)相應(yīng)數(shù)量的滑動(dòng)條，拖動(dòng)滑動(dòng)條即可完成各“手臂的虛擬運(yùn)動(dòng)”，此時(shí)軟件自動(dòng)根據(jù)底層算法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)計(jì)算，并根據(jù)通信協(xié)議準(zhǔn)備進(jìn)行通信。為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⑺惴ㄊ欠裾_，可利用串口軟件進(jìn)行模擬通信，在虛擬運(yùn)動(dòng)測(cè)試通過后，方可進(jìn)行下一步聯(lián)合運(yùn)動(dòng)測(cè)試。

3.聯(lián)合同步運(yùn)動(dòng)測(cè)試

在拼裝完成且通過虛擬運(yùn)動(dòng)測(cè)試后，可將虛擬仿真平臺(tái)與模塊化機(jī)器人實(shí)物進(jìn)行鏈接，進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)動(dòng)測(cè)試，如機(jī)械臂控制、輪式底盤控制及腿足部控制等。

2017年，教育部發(fā)布的《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》中指出，要以學(xué)生的真實(shí)生活和發(fā)展需要設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程，要從學(xué)習(xí)者在實(shí)際生活中發(fā)現(xiàn)的實(shí)際問題出發(fā)，通過引導(dǎo)學(xué)生探究、體驗(yàn)、制作等多種形式設(shè)計(jì)課程，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)[21]。此外，2020年起，因新冠肺炎疫情影響，各地中小學(xué)及教育機(jī)構(gòu)都需要面對(duì)因疫情影響隨時(shí)會(huì)將課程從線下移到線上的情況。本課程遵循“培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)”的原則，以“項(xiàng)目教學(xué)法”為核心理念，通過一系列的體驗(yàn)和教學(xué)設(shè)計(jì)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于機(jī)械拼裝以及淺層程序邏輯知識(shí)的理解和學(xué)習(xí)。以設(shè)計(jì)的教學(xué)平臺(tái)為載體，通過設(shè)置單人獨(dú)立、多人寫作和原理邏輯解讀等環(huán)節(jié)鍛煉學(xué)習(xí)者的獨(dú)立學(xué)習(xí)思考、小組溝通協(xié)作以及邏輯表達(dá)能力。在面對(duì)突發(fā)的疫情時(shí)，因圖形化上位機(jī)虛擬化的形式優(yōu)勢(shì)，可以方便得快速從線下轉(zhuǎn)為線上而不影響正常的教學(xué)進(jìn)度。

（一）課程內(nèi)容定位與目標(biāo)

1.課程定位

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，學(xué)生的求學(xué)就業(yè)方向的成功道路透明化以及課下輔導(dǎo)機(jī)構(gòu)的專業(yè)體系化，越來越多高等級(jí)高層次的知識(shí)課程提前下放，如編程的理念和知識(shí)已經(jīng)在一、二線城市的中小學(xué)普及開來。機(jī)器人教育正是新課改中將信息技術(shù)與各學(xué)科課程進(jìn)行整合的落地實(shí)踐，本文提到的以Untiy3D和模塊化教學(xué)機(jī)器人為平臺(tái)的課程作為一項(xiàng)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程，旨在引導(dǎo)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中利用信息技術(shù)的手段豐富學(xué)識(shí)，在動(dòng)手實(shí)踐過程中鍛煉信息素養(yǎng)。

2.課程目標(biāo)

（1）理論學(xué)習(xí)。軟件層面：學(xué)習(xí)者需掌握模塊化拼裝機(jī)器人舵機(jī)間控制通訊原理、主控制器與舵機(jī)、與上位機(jī)之間的通訊原理與邏輯；Unity3D中組件類的嵌套關(guān)系、事件函數(shù)的執(zhí)行機(jī)制；模塊化關(guān)節(jié)虛擬運(yùn)動(dòng)算法，關(guān)節(jié)起點(diǎn)終點(diǎn)同步，角度換算；模塊化關(guān)節(jié)庫的生成、拖動(dòng)、碰撞檢測(cè)和關(guān)鍵控制變量的改變存儲(chǔ)方法。硬件層面：學(xué)習(xí)者需掌握舵機(jī)的選型原則，該模塊化機(jī)器人所使用的舵機(jī)參數(shù)及相關(guān)優(yōu)缺點(diǎn)；舵機(jī)、主控制器與上位機(jī)的接線方式；通訊的指令包形式；各個(gè)模塊化關(guān)節(jié)的固定與連接等。

（2）實(shí)踐方法。本課程在實(shí)踐教學(xué)中主要通過機(jī)器人拼裝、調(diào)參到同步運(yùn)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際拼裝的過程中，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的動(dòng)手能力和行為習(xí)慣，通過自由拼裝的形式培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造思維；在運(yùn)用程序虛擬拼裝的過程中鍛煉學(xué)習(xí)者的邏輯能力；在“項(xiàng)目式教學(xué)法”中的小組協(xié)作任務(wù)中，提高學(xué)習(xí)者交流溝通相互協(xié)作的能力；在總結(jié)匯報(bào)的過程中，鍛煉學(xué)習(xí)者總結(jié)歸納和語言表達(dá)的能力。

（3）綜合素養(yǎng)。學(xué)習(xí)者通過機(jī)器人課程的學(xué)習(xí)，了解不同種類的機(jī)器人在生活中的實(shí)際應(yīng)用和機(jī)器人的通用工作原理；在實(shí)際拼裝和虛擬拼裝過程中，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新意識(shí)，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者對(duì)科學(xué)技術(shù)的好奇心；在各類實(shí)際操作問題的解決中，鍛煉學(xué)習(xí)者獨(dú)立思考和協(xié)作配合解決實(shí)際問題的能力；在總結(jié)匯報(bào)的過程中，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的批判思維和多角度看待問題的能力。

（二）課程教學(xué)內(nèi)容與活動(dòng)

本課程主要面向中小學(xué)生，針對(duì)不同的年齡段開放不同等級(jí)和內(nèi)容的課程。根據(jù)皮亞杰提出的認(rèn)知發(fā)展理論，中小學(xué)階段（6、7歲—11、12歲）正處于具體運(yùn)算階段，這個(gè)階段年齡段的學(xué)習(xí)者已經(jīng)可以在心理進(jìn)行一些抽象的概念，但思維活動(dòng)仍然需要具體內(nèi)容的支持。因此本課程內(nèi)容設(shè)計(jì)從具體的生活以及學(xué)習(xí)者們能接觸到的內(nèi)容著手，從實(shí)際問題和項(xiàng)目出發(fā)。以生活化的內(nèi)容為主線，設(shè)計(jì)教學(xué)項(xiàng)目，使學(xué)習(xí)者能夠沉浸并深層次參與到課程中。

1.課程內(nèi)容

（1）課程核心內(nèi)容。基于Unity3D和模塊化拼裝教學(xué)機(jī)器人平臺(tái)的中小學(xué)課程內(nèi)容按照從硬件到軟件，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的流程設(shè)計(jì)。整個(gè)課程內(nèi)容共分為三大部分，通識(shí)部分、硬件部分和軟件部分。通識(shí)部分包含整套課程的背景應(yīng)用簡(jiǎn)單介紹；硬件部分包含下位機(jī)硬件的原理和基礎(chǔ)知識(shí)；軟件部分包含下位機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制算法、上下位機(jī)間的通訊以及圖形化上位機(jī)的運(yùn)行流程具體算法。整體課程以生活中實(shí)際的應(yīng)用問題入手，以項(xiàng)目式教學(xué)法為基礎(chǔ)，將生活中某個(gè)具體的應(yīng)用項(xiàng)目打包交由某個(gè)項(xiàng)目組的學(xué)習(xí)者自行處理，由教師作為所有項(xiàng)目的顧問，對(duì)所有項(xiàng)目進(jìn)行指導(dǎo)和答疑。

（2）項(xiàng)目式打包設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際生活中的應(yīng)用、學(xué)習(xí)者水平層次的不同以及實(shí)際教學(xué)需求，本課程將核心內(nèi)容封裝成以下幾個(gè)項(xiàng)目。其中5個(gè)項(xiàng)目共有的內(nèi)容為：認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)單的機(jī)械拼裝結(jié)構(gòu)；了解簡(jiǎn)單的機(jī)械傳動(dòng)方式；了解初步的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方法；初步認(rèn)識(shí)STM32控制板；Unity3D軟件入門；C#語言入門；虛擬運(yùn)動(dòng)和拼裝算法知識(shí)；步態(tài)運(yùn)動(dòng)聯(lián)動(dòng)調(diào)試，剩余課程獨(dú)立內(nèi)容設(shè)計(jì)如表1所示。

2.教學(xué)活動(dòng)

本課程的教學(xué)活動(dòng)從以下幾個(gè)流程為主線，課程導(dǎo)入，理論知識(shí)學(xué)習(xí)，組內(nèi)協(xié)同完成作業(yè)，總結(jié)匯報(bào)進(jìn)行了設(shè)計(jì)（如圖3所示）。這充分體現(xiàn)項(xiàng)目式教學(xué)中以學(xué)習(xí)者為主體的原則，組內(nèi)協(xié)同完成作業(yè)的過程中給學(xué)習(xí)者提供了一個(gè)自主學(xué)習(xí)的環(huán)境，學(xué)習(xí)者從以往的被動(dòng)的知識(shí)的接受者變成知識(shí)的使用者，在項(xiàng)目中對(duì)學(xué)習(xí)到的知識(shí)進(jìn)行探究、協(xié)作處理，參與到信息技術(shù)素養(yǎng)的提升中來。選取的項(xiàng)目主題內(nèi)容貼合生活已有內(nèi)容，讓學(xué)習(xí)者沉浸在課堂中并意識(shí)到自己是課堂的主人，設(shè)置的不同難度的項(xiàng)目也能讓學(xué)習(xí)者在完成項(xiàng)目的同時(shí)提高獲取、加工和處理信息的能力。

（三）課程評(píng)價(jià)原則與方法

1.課程教學(xué)評(píng)價(jià)原則

（1）以學(xué)習(xí)者為主體。本課程在設(shè)計(jì)之初的目標(biāo)就是讓學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中提升信息技術(shù)素養(yǎng)和綜合素養(yǎng)，因此課程的評(píng)價(jià)要以學(xué)習(xí)者為中心，要充分考慮到學(xué)習(xí)者作為個(gè)體所具有的不同的性格和思維特點(diǎn)。

（2）從實(shí)際出發(fā)。本課程旨在課程設(shè)置的動(dòng)手過程中體驗(yàn)學(xué)習(xí)科學(xué)技術(shù)知識(shí)，提升科學(xué)技術(shù)素養(yǎng)。在評(píng)價(jià)體系中重要的是學(xué)習(xí)者在過程中所體驗(yàn)領(lǐng)悟到的知識(shí)，因此在評(píng)價(jià)中教師要從實(shí)際出發(fā)，更多的關(guān)注過程中學(xué)習(xí)者的領(lǐng)悟，而非用結(jié)果和效果的優(yōu)劣作為判斷成績(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）多方面評(píng)價(jià)。在課程授課中，教室不是一言堂，每位學(xué)習(xí)者的個(gè)人狀況教師不可能完全地掌握了解到。因此教師個(gè)人單獨(dú)的評(píng)價(jià)往往不具有通用性，在課程的評(píng)價(jià)過程中要將家長(zhǎng)的評(píng)價(jià)納入評(píng)價(jià)體系中，從不同的角度對(duì)課程的教學(xué)成果和學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行評(píng)價(jià)。教師和家長(zhǎng)之間相互促進(jìn)、相互改進(jìn)，從而教師可以及時(shí)調(diào)整授課方式，保障教學(xué)效果。

2.課程教學(xué)評(píng)價(jià)方法

（1）學(xué)生自評(píng)。學(xué)習(xí)者對(duì)照課程制定的評(píng)價(jià)指標(biāo)如理論學(xué)習(xí)、課堂聽講、合作交流等方面進(jìn)行自評(píng)，在整個(gè)課程結(jié)束后對(duì)自我形成一個(gè)綜合評(píng)價(jià)，有助于學(xué)習(xí)者養(yǎng)成良好的自律習(xí)慣。

（2）組間互評(píng)和組內(nèi)互評(píng)。通過組間互評(píng)的方式讓學(xué)習(xí)者以批判性思維綜合評(píng)價(jià)各個(gè)組的作品，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者發(fā)現(xiàn)事物優(yōu)缺點(diǎn)的能力；通過組內(nèi)互評(píng)幫助學(xué)習(xí)者培養(yǎng)正確的合作協(xié)作態(tài)度，保障組內(nèi)每位學(xué)習(xí)者的參與度。

（3）成長(zhǎng)記錄卡評(píng)價(jià)。在課程的每個(gè)階段通過設(shè)置檔案卡的形式由教師或者課代表記錄每組每位學(xué)習(xí)者的課程學(xué)習(xí)過程，作為學(xué)習(xí)者整個(gè)課程學(xué)習(xí)的記錄，最終輔助整體課程評(píng)價(jià)。

（一）課程實(shí)踐前期準(zhǔn)備

1.課程實(shí)踐目標(biāo)

課程實(shí)踐的目標(biāo)是對(duì)基于Unity3D和模塊化拼裝教學(xué)平臺(tái)所涉及的課程進(jìn)行效果檢驗(yàn)，主要包括設(shè)計(jì)的課程內(nèi)容是否適齡學(xué)習(xí)，能否達(dá)到預(yù)期效果。

2.課程實(shí)踐方案

（1）面向?qū)ο蟆１敬握n程實(shí)踐對(duì)象為西北某中學(xué)的初中生和北京某中學(xué)的小學(xué)生，初中生課程容量為30人，小學(xué)生課程容量為40人。

（2）課程設(shè)置。初中生和小學(xué)生班級(jí)課程授課均采用課余教學(xué)模式，利用中小學(xué)生的課余空閑時(shí)間進(jìn)行綜合素質(zhì)的課程教育，每周進(jìn)行一次授課，每次授課4學(xué)時(shí)，每學(xué)時(shí)45分鐘，依照設(shè)計(jì)好的項(xiàng)目進(jìn)行分組和課程進(jìn)度推進(jìn)。

（3）課程管理。為保證課程的授課效果，在課程內(nèi)容開始教學(xué)之前，需要對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行機(jī)器人基礎(chǔ)材料的認(rèn)識(shí)教學(xué)，并強(qiáng)調(diào)課程教學(xué)期間要注意小組合作、禁止打鬧、提問舉手、愛惜保護(hù)模塊化機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)的零件、相關(guān)零件在拼裝完成后放回位置、有不懂的地方及時(shí)向老師和助教尋求幫助等。

（二）課程實(shí)踐效果分析

基于Unity3D和模塊化拼裝教學(xué)平臺(tái)的課程經(jīng)過陜西某中學(xué)和北京某小學(xué)各16周的教學(xué)實(shí)踐，為滿足不同階段的教學(xué)需求，課程的教學(xué)內(nèi)容和代碼分層級(jí)難度教學(xué)。授課教師根據(jù)教學(xué)實(shí)際需要進(jìn)行版本選擇，從提高學(xué)生興趣入手逐步深入，涉及結(jié)構(gòu)、通信、控制原理，為中小學(xué)生建立基礎(chǔ)而全面的機(jī)器人體系架構(gòu)提供一個(gè)有力工具。

本課程所設(shè)計(jì)的基于項(xiàng)目式教學(xué)法的模塊化機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)以5個(gè)預(yù)設(shè)好的項(xiàng)目為依托，根據(jù)授課需要完成“虛擬拼裝”“實(shí)物操作”以及“整體布局”三種不同任務(wù)模式。“虛擬拼裝”模式為學(xué)生個(gè)性化擴(kuò)充功能提供可能：教師通過布置機(jī)器人作業(yè)任務(wù)，如運(yùn)輸、越障等。學(xué)生根據(jù)實(shí)際任務(wù)需求，根據(jù)已有機(jī)器人功能模塊、結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)?！皩?shí)物操作”模式則開放更多接口：開放動(dòng)作編程，可自定義定制一系列設(shè)定動(dòng)作，并可根據(jù)需要開放通訊模塊、控制模塊的部分內(nèi)容?！罢w布局”模式對(duì)機(jī)器人整體控制、通訊、動(dòng)作進(jìn)行完全控制，以適應(yīng)更加深入的教學(xué)需要。

通過這種方式，將中小學(xué)生這一相關(guān)知識(shí)不足的群體引入機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域，為分層次教學(xué)提供了便捷的途徑，為中小學(xué)生信息技術(shù)素養(yǎng)和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為疫情期間保證遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的思路，獲得了師生們的一致好評(píng)。

本文結(jié)合本次新冠肺炎疫情所造成的機(jī)器人相關(guān)課程對(duì)遠(yuǎn)程教學(xué)的新需求，結(jié)合當(dāng)前編機(jī)器人課程存在的問題和發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了一款針對(duì)中小學(xué)生這一特殊群體的入門用機(jī)器人實(shí)驗(yàn)示教用具和圖形化人機(jī)交互系統(tǒng)。通過Unity3D實(shí)現(xiàn)了虛擬教學(xué)，克服了疫情影響線上線下相結(jié)合教學(xué)困難的同時(shí)，提高了學(xué)生的平均操作時(shí)間，節(jié)約了授課成本與維護(hù)成本，提高了實(shí)物機(jī)器人的使用效率和操作安全性。另外，該實(shí)驗(yàn)教具成功將“模塊化機(jī)器人虛擬化教具”這一概念具體化，通過實(shí)際作業(yè)場(chǎng)景需要進(jìn)行項(xiàng)目教學(xué)。另外本虛擬教學(xué)平臺(tái)的開放添加的機(jī)械模型庫，通過預(yù)置模型和自建模型的組合，進(jìn)一步增加課程的可擴(kuò)展性和靈活性。以啟發(fā)創(chuàng)造性、貼近實(shí)用性為出發(fā)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于機(jī)器人的興趣，利于學(xué)生增強(qiáng)創(chuàng)新能力、互動(dòng)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。試點(diǎn)教學(xué)證明，本文所設(shè)計(jì)的虛擬模塊化機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)可以在遠(yuǎn)程教學(xué)中較好地吸引聽課學(xué)生興趣，完成預(yù)定的教學(xué)任務(wù)，有效的在課程中提升中小學(xué)生的信息技術(shù)素養(yǎng)和綜合素質(zhì)。

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作者簡(jiǎn)介：

張偉民：研究員，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)器人定位導(dǎo)航、室內(nèi)機(jī)器人服務(wù)應(yīng)用。

梁凱文：碩士，研究方向?yàn)槟繕?biāo)檢測(cè)。

王洋：碩士，研究方向?yàn)槎鄠鞲衅魅诤吓c定位。

Curriculum Reform Practice Based on Unity3D and Modular Teaching Robot Platform

—A Case Study of Robotics Courses in Primary and Secondary Schools

Zhang Weimin， Liang Kaiwen， Wang Yang（Key Laboratory of Biomimetic Robots and Systems， School of Mechatronical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081）

Abstract： Since 2017， the cultivation of information technology literacy and comprehensive quality has gradually become an indispensable part of primary and secondary school students’ education， and the robot course is one of the platforms for information technology literacy and comprehensive quality education due to its high practicality. Therefore， in the face of the education and teaching needs of primary and secondary schools， a curriculum based on Unity3D and modular teaching robot platform is proposed based on the idea of project-based teaching method and virtual teaching. The pilot classroom teaching proves that this course provides a safe and convenient way for primary and secondary school students to contact robot related knowledge， increases the scalability and flexibility of the course， and provides a solution for the introduction of robot courses into primary and secondary schools.

Keywords： Unity3D； modular robot； curriculum reform

責(zé)任編輯：李雅瑄

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