基于競技對抗的計算機創新人才培養模式的探討

楊為民, 李龍澍

(安徽大學 計算機科學與技術學院, 安徽 合肥 230601)

基于競技對抗的計算機創新人才培養模式的探討

楊為民, 李龍澍

(安徽大學 計算機科學與技術學院, 安徽 合肥 230601)

針對本科創新人才培養過程中激發學生的創新思維、意識及團隊合作精神的問題,分析了調動學生的主動性、積極性、創造性的方法和團隊合作的方式,提出了將競技對抗模式引入計算機人才培養的方法。基于競技對抗的人才培養模式,可以激勵學生不斷提高自己的知識技能水平,提高團隊在競賽中的凝聚力。實踐證明這一方法是有效可行的。

競技對抗; 人才培養; 計算機競賽; RoboCup

競技對抗[1]是在標準的競賽平臺上,各個參賽隊最大限度地發揮個人、集體在體能、智力和技巧上的優勢,遵照統一、確定且無歧義的規則,在公平、公正和公開的條件下取得勝利的過程。它包含系統的訓練、參賽的信心、臨時的發揮,有時可能還要靠點運氣。結局的不確定性和隊員的風范是競技對抗最大的魅力。在競技對抗中,無論是強強對決，還是強弱相遇,在比賽結束前,都充滿懸念。許多對抗的結局是出人意料之外的。正是由于競技對抗結果的不可預知性以及賽事勝負的或然性,人們在其中可以強烈地感受到成功的喜悅或失敗的憂傷。借鑒于競技運動的對抗模式,結合計算機科學與技術的學科特點,探索計算機專業創新人才培養的方法和模式[2-3]。

1 計算機學科競賽

計算機學科競賽[4-5]是在正常的教學實踐的基礎上,以競賽的方式綜合運用學生的計算機知識技能,進一步加強學生的實踐動手能力的課外科技活動[6]。學生通過對競賽的規則、平臺以及相關技術的理解,學會發現問題、分析問題,進而提出解決問題的方案，并實踐驗證其有效性或高效性。在這一過程中,學生的創新思維和團隊合作意識得到了培養和加強。學科競賽在營造良好學風、促進實踐教學和激發學生潛能等方面具有重要作用。

計算機學科的競賽主要分為競技類和設計類。競技類賽事主要有:RoboCup機器人足球[7]、機器博弈[8]、信息對抗[9]等;設計類賽事主要有:ACM/ICPC程序設計競賽、互聯網軟件大賽、數學建模等。競技類比賽以對抗為主,設計類比賽則注重創意。兩者的本質差異在于比賽的結果是客觀的還是有主觀因素的。相對而言,競技類競賽更激動人心,容易激起本科生的興趣和參與熱情。競技比賽在培養學生“勝不驕,敗不餒”的優良品質和鑄造學生不斷進取的拼搏意志方面有著不可或缺的重要性。

計算機學科競技比賽,主要是在一個公共的標準平臺上進行基于軟件和硬件的對抗,展示參賽選手的計算機應用技術,其中代表性學科競賽是機器人足球。作為促進人工智能和機器人學研究的工具,機器人足球賽事得到國內外一流高校和研究所的積極響應和踴躍參與。賽事的規模逐年擴大,由早期的全球10余所高校發展到目前近3 000所各類院校。劍橋大學、得克薩斯州大學奧斯汀分校、北京大學、清華大學、中國科學技術大學等國內外著名高校引領著賽事的發展。越來越多的高校不斷參與，進一步促進了賽事的發展。

2 競技比賽的作用

競技比賽對計算機創新人才培養有著不可替代的重要作用,在教學實踐中加強競技對抗的實踐,其有效性具體表現為:

(1) 培養和提高學生的多種能力。在競技對抗運動中,涉及到各種各樣的事務或技術的問題,都直接或間接地影響到對抗的結果。學生要能夠認真對待并妥善解決好問題,防患于未然。在這一過程中,學生的觀察和分析能力、想象和創造能力、實踐和協調能力,包括語言、社交、組織能力都得到了培養和鍛煉。

(2) 培養和加強團隊的合作精神。競技比賽是對抗性活動,也是集體性活動,個人的力量相對渺小。在競技運動中,由多人構成競技小組,大家分工合作、協調進程、共同解決每一問題。在共同的討論中,每人都要提出自己的見解,理解別人的看法,激發自己的靈感。這樣才能互通有無、共同學習、共同進步。團隊精神和合作意識是一個集體凝聚力的基礎,也是綜合實力的體現。現代技術的發展,越來越多地要求多學科的交叉、融合,綜合創新,各類不同的專業人員將不可避免地要集結在一起各司其職地合作完成任務。

(3) 建立和形成良好的學習氛圍。通過競技比賽,優秀的學生在群體中突顯出來。他們某些能力強、成績明顯，成功的競技之后會產生巨大的示范效應，以贏家為表率,加大其影響力和帶動力。在事實和經驗推動下,建立學習的整體氛圍,推動學風建設。以點帶面,逐步形成你追我趕,共同進步的局面。

3 競技項目的開展

競技項目的開展可以從一年級開始,利用學生的課余時間,有計劃、有步驟地按學科競賽的知識需求,與正常的教學工作并行開展。著重把握從簡單到復雜、從基礎到綜合、從學習到創新的循序漸進的過程。下面以安徽大學計算機應用技術實驗區的RoboCup機器人足球項目為例,探討競技模式在創新人才培養的管理和實踐過程中的基本經驗。

安徽大學計算機應用技術創新實驗區依托計算機科學與技術學院,致力培養計算機應用技術的創新人才。RoboCup機器人足球是實驗區開展的一個競技類計算機學科競賽的創新項目。

3.1 項目的開展思路

RoboCup機器人足球項目的開展思路是緊跟先進技術、擇優人員組合和定位研究角色。

(1) 緊跟先進技術,夯實專業知識,培養實踐技能。督促學生緊盯全球競技隊伍的發展狀態,把握競技水平提升速度,培養學生的國際視野。針對具體的項目內容,夯實基本知識、加強專業技術、熟練操作技能。操作系統、數據結構、算法設計作為基石,數學建模、程序設計作為工具,軟件工程作為指導,軟件測試作為驗證,嚴格規范地進行項目研發測試。以一流隊伍的水平作為檢驗標準,趕超一流隊伍作為目標。

(2) 擇優人員組合,靈活教學方式,培養多維創新思路。競技對抗的多面性要求不同專業、不同層次的人員組合。了解每個學生的特點、個性,合理化人員搭配是競技的起點。統一的教學方法顯然不適合于競技團隊[10]。各種教學模式都要嘗試性運用,講授、探究、案例、實踐、問題式教學都要有。特別是自學的模式，學生要會自主學習、研究。要鼓勵學生進行多向性和靈活性的思考。順向、逆向、發散、收斂思維要有,形象、辨證、邏輯的思維也要有。

(3) 定位研究角色和專一探尋方向,全面收集信息資料。本科生的興趣廣泛,轉變迅速,這會導致學而不專,責任心較差。因此需要參加競技的學生事先承諾,未完成任務前不可輕言轉向或放棄。明確學生的研究定位和方向,讓學生有了一份厚重的責任。幫助和鼓勵學生在一個確定的方向上收集、閱覽全面的資料,進行學習、整理、總結、創新研究。全程關注學生的動態,指導學生掌握開展研究的方法。

RoboCup的目標是在2050年機器人足球隊員打敗人類冠軍隊。為了這一目標,需要幾代人的努力。鼓勵學生為這一偉大的目標貢獻自己的力量。

3.2 項目的開展過程

RoboCup機器人足球項目的開展過程如圖1所示:實驗區創新人才的培養遵循:硬件→軟件→硬件和學習→掌握→創新的過程。首先進行項目宣講、演示、經驗介紹,在經過培訓后,學生自行組團成立戰隊,再進行相互間的對抗。對于成績優異的戰隊,可以考慮拉出去,參加省內、國內和國際比賽。

圖1 RoboCup項目開展線路圖

(1) 從大一開始,首先接觸類似于METAL-FIGHTER金剛戰士這類機器人,了解機器人的每個關節和各類傳感器,學習和掌握機器人的運動特點和平衡控制,在感性認識的基礎上,通過簡單的指令控制機器人的行為。在充分熟悉機器人后,開展一些基于速度、平衡、對抗之類的競技項目,如快速競步、爬樓梯、搏擊等。與此同時,機器人、電子、自動化、機械學、運動學等的相關理論也被引入,并成了學習內容。

(2) 了解和掌握硬件知識后,軟件能力的培養凸顯其重要性。進入大二,加強學生程序設計能力和算法設計能力以及工程化的軟件開發過程成了當務之急。高級程序設計語言和面向對象的程序設計語言是人機交互的工具,結構化和面向對象的分析、設計、實現成了技能,更加高效的算法設計是創新的核心,軟件工程的開發過程是項目得以持續的基礎,高級軟件測試技術是項目高質量的保證。學生在實踐中不斷地發現自身知識的不足,學習的動力就從外部壓力在不知不覺中變成了自己的要求了[11]。水中機器人項目[12]的開展可以檢驗學生知識技能的狀態變化。開源的競技平臺、靈活的調試手段和熟悉的操作系統可以幫助學生漸入創新的佳境。

(3) 軟件能力的提升，大三是一個創新時期。有了基本的知識技能,軟件能力進一步提高的任務當屬RoboCup機器人世界杯項目。從仿真2D的策略、到仿真3D的運動,從機器人家庭服務的意識,到家庭服務的實現,世界杯的舞臺是精彩的。全世界的計算機精英的思想在這里交互。這也是一個可以充分張揚個性、展示魅力、提高聲譽的場所。所有的一切盡在戰隊的表現中，勝不驕,敗不餒。

(4) 大四是收獲的季節。4年的努力當結出累累碩果。總結所有知識技能,創新地運用到實踐中。運用軟件技術,結合硬件能力,綜合解決實際問題,進行創新創業,這既是大學本科階段的完美收官,又是下一階段工作或求學的起點。

RoboCup機器人足球項目的開展貫穿了本科4年,以本科學生為對象、以項目研發為中心、以綜合創新為目標,培養學生具有扎實的計算機理論、熟練的計算機技能、良好的基本素質和完善的團隊精神,特別是要擁有較強的創新思維和創新能力。

4 需要注意的問題

在計算機創新人才培養過程中引入競技對抗方式,在具體的實施中需要注意以下幾個問題。

(1) 加強機構制度建設。完備的組織機構、制度機制是開展競技項目活動的重要保障。學校應制定規章制度,明確經費管理和獎勵辦法，協調人員和設備。競技項目的開展應有專項資金支持和平臺保障,組建專業的指導團隊管理項目的運行,確保項目的開展呈現正常化、制度化。另外,學校還開設一定的與實踐相關的選修課、實驗課,供學生加強專業學習、補缺補差[13]。

(2) 完善激勵機制。學校應對競技項目出臺一定的激勵機制,主要是基于競技開展中的鼓勵和完成獲獎后的獎勵,包括面向學生的學術科技獎和面向項目的競技成果獎。不僅要精神上,也需要在物質上,以調動教師和學生的參與熱情。

(3) 加強團隊建設。以學生為主體、以教師為主導的科研團體的組織結構包括了高中級職稱的教師、碩博士研究生和本科生。在專業教師的定期指導和幫助下進行以學生為主體的科研活動。教師的跟蹤指導和定期檢查，解決了學生實踐過程中產生的問題[14]。項目可以按計劃不斷深入,既增強了學生進行項目研發的信心,也提高了參與的興趣。

(4) 通暢交流平臺。計算機競技賽事是一個集多學科知識技術于一體的項目。涉及到計算機科學與技術學院、電子信息工程學院、電氣工程與自動化學院、數學科學學院、物理與材料科學學院的多個專業的融合。學生可以在項目的平臺上進行深入的交流,互補知識體系。各專業發揮各自的優勢,能力互補。

5 結束語

從競技角度探索計算機創新人才培養的方式方法,通過對抗性比賽激發學生爭強好勝的意識,進一步促進學生的賽事參與意識,提高學生的學習興趣。通過學生參與競技比賽,將理論教學與實踐教學相結合,培養學生的創新思維和動手能力,進一步地向綜合創新和原始創新努力。通過競技賽事,促進學生良好行為品質的養成。勝不驕,敗不餒,可以平靜面對人生起浮波瀾,形成學生完整的性格特征。

安徽大學自2006年參加RoboCup中國公開賽以來,成績不斷提高,機器人足球隊獲得了16個一等獎、29個二等獎和18個三等獎,其中包括1項冠軍、5項亞軍、6項季軍。機器人足球隊也多次參加RoboCup世界杯和國際公開賽,排位前8名。更重要的是,球隊培養了一批品學兼優、能力出眾的學生,他們中的大多數在畢業后進入了“985工程”高校深造,余下的學生畢業后很快成為單位的技術骨干。

References)

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[2] 王淑靜,郝建民,柳洪潔.依托國家級實驗教學示范中心,搭建創新人才培養平臺[J].實驗室科學,2010(2):1-2.

[3] Nico Rutten,Wouter R van Joolingen,Jan T van der Veen.The learning effects of computer simulations in science education[J].Computers & Education,2012，58(11):136-153.

[4] 楊寧,李平.通過綜合性學科競賽平臺,加強優秀大學生培養[J].實驗室研究與探索,2014,33(8):166-168,201.

[5] Deshpande A A, Huang S H.Simulation Games in Engineering Education:A State-of-the-Art Review[J].Computer Applications in Engineering Education, 2011，19(9):399-410.

[6] 李金昌,林家蓮.實踐教學與學科競賽相結合,促進創新人才培養[J].實驗技術與管理,2011,28(11):1-3,16.

[7] RoboCup機器人世界杯足球錦標賽[EB/OL].[2014-11-18].http://www.robocup.org/

[8] 全國大學生計算機博弈大賽暨全國錦標賽[EB/OL].[2014-11-18].http://www.caaigames.net/

[9] 全國大學生信息安全技術大賽[EB/OL].[2014-11-18].http://is.campus.360.cn/

[10] Daniel Rodriguez-Cerezo,Antonio Sarasa-Cabezuelo,Mercedes Gomez-Albarran.Serious games in tertiary education:A case study concerning the comprehension of basic concepts in computer language implementation courses[J].Computers in Human Behavior,2014，31(2):558-570.

[11] Wong Yoke Seng,Maizatul Hayati Mohamad Yatim.Computer Game as Learning and Teaching Tool for Object Oriented Programming in Higher Education Institution[J].Procedia - Social and Behavioral Sciences,2014，123(3)：215-224.

[12] 國際水中機器人聯盟[EB/OL].[2014-11-18].http://robot.pku.edu.cn/

[13] 李雪梅,李金成.加強實驗室開放,培養創新型人才[J].高校實驗室工作研究,2010(2):102-103.

[14] 譚冠中.基于創新人才培養的高校實驗技術人員隊伍建設[J].高教論壇,2010(1):102-104.

Research on mode of cultivation of innovative talents based on computer competitive confrontation

Yang Weimin, Li Longshu

(School of Computer Science and Technology, Anhui University, Hefei 230601, China)

Aiming at solving the issue of training undergraduate talents,including of stimulating students’ innovtive thinking and awareness of cooperation,this paper analyses the approaches of motivating students’ initiative,enthusiasm, and creation. A method is proposed to lead the computer competitive confrontation to innovative talents’ cultivation. Based on computer competitive confrontation, this way can motivate students to continue to improve their level of knowledge and skills, and improve team cohesion in the contest.Practice has proved the effectiveness of this approach.

competitive confrontation; cultivation of talent; computer competition; RoboCup

2014- 12- 24 修改日期：2015- 01- 16

教育部2009年度人才培養模式創新實驗區(教高函〔2009〕27號)；安徽省高等教育振興計劃“信息安全新專業建設”(2013zytz008)；安徽大學2014年本科教育質量提升計劃項目(xjjyxm14041)

楊為民(1968—)，男，安徽合肥，博士，講師，主管計算機科學與技術創新實驗室，主要研究方向為智能軟件.

E-mail：jsjcx@ahu.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2015)6- 0021- 04