基于“以賽代練”的機(jī)器人程序設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐

劉俊

機(jī)器人程序設(shè)計(jì)課程作為一門新興的學(xué)科，有其自身發(fā)展的特點(diǎn)，常規(guī)的教學(xué)模式已經(jīng)無法滿足機(jī)器人課程發(fā)展的需要。自2005年我校開展機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)以來，筆者經(jīng)過十多年的潛心實(shí)踐摸索，總結(jié)出了一套“以賽代練”的學(xué)習(xí)模式。“以賽代練”是實(shí)施探究式學(xué)習(xí)模式的方法，對(duì)學(xué)生來說“以賽代練”是一種學(xué)習(xí)形式，適用于學(xué)習(xí)技能類的知識(shí)，尤其適用于學(xué)生自主解決問題的能力以及操作等方面的技能。

● “以賽代練”學(xué)習(xí)模式概述

“以賽代練”的模式包括選定項(xiàng)目、參考規(guī)則、程序設(shè)計(jì)、成果交流、活動(dòng)反思等過程，是以分組競(jìng)技的形式完成學(xué)習(xí)任務(wù)。“賽”顧名思義就是機(jī)器人競(jìng)賽，把機(jī)器人競(jìng)賽作為學(xué)生的學(xué)習(xí)目的，把比賽規(guī)則作為學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)，學(xué)生根據(jù)自身的學(xué)習(xí)能力來細(xì)化規(guī)則，制定教學(xué)的重難點(diǎn)，循序漸進(jìn)地完成任務(wù)。例如，光感傳感器對(duì)機(jī)器人循跡來說是核心的元件，所以在教學(xué)光感元件時(shí)，針對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)比較薄弱的學(xué)生制定的初始目標(biāo)為運(yùn)用一個(gè)光感走黑線，針對(duì)基礎(chǔ)相對(duì)較好的學(xué)生制定的目標(biāo)為運(yùn)用兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)光感來循跡，并對(duì)比、總結(jié)不同光感數(shù)量對(duì)循線技能的影響。“練”是指練習(xí)、操作，學(xué)生按照既定的學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計(jì)算法編譯程序，整個(gè)過程中學(xué)生不斷地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，反復(fù)操作。例如，在機(jī)器人足球比賽中，機(jī)器人是通過光感傳感器來判斷進(jìn)攻與防守區(qū)的，由于傳感器在機(jī)器人底部離地面有一定的距離，空隙的大小直接影響了測(cè)量回值，針對(duì)這一問題，學(xué)生們經(jīng)過反復(fù)地實(shí)驗(yàn)操作，設(shè)計(jì)出用“裙子”進(jìn)行遮光，降低了不同環(huán)境下光的強(qiáng)度對(duì)光感的影響。“以賽代練”即賽中做，賽中學(xué)。學(xué)生在解決問題時(shí)能夠?qū)W會(huì)整體構(gòu)思、設(shè)計(jì)開發(fā)，并能夠針對(duì)項(xiàng)目主題主動(dòng)研究、動(dòng)手實(shí)踐，享受主動(dòng)學(xué)習(xí)的樂趣，同時(shí)學(xué)會(huì)合作，共同體會(huì)成功與失敗，進(jìn)而成長為一個(gè)能適應(yīng)社會(huì)需要的人才。

● “以賽代練”學(xué)習(xí)模式建構(gòu)

1.選定項(xiàng)目，分組競(jìng)技

首先組成學(xué)習(xí)小組（兩人為一組），學(xué)生們要相互了解，為合作學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)一個(gè)良好的氛圍，分組采用異質(zhì)分組的原則。例如，機(jī)器人循跡比賽主要考查機(jī)器人循跡線路以及走完全程需要的時(shí)間，兼顧穩(wěn)定的外觀與性能。分組時(shí)教師可以將建模能力強(qiáng)的學(xué)生與編程能力強(qiáng)的學(xué)生進(jìn)行搭配，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

2.解讀規(guī)則，制定目標(biāo)

同一項(xiàng)目不同組別的學(xué)生進(jìn)行規(guī)則解讀時(shí)，各組根據(jù)自身原有的知識(shí)基礎(chǔ)以及學(xué)習(xí)能力的不同制定不同的學(xué)習(xí)目標(biāo)。機(jī)器人學(xué)習(xí)目標(biāo)的確定不外乎兩個(gè)方向：一是機(jī)器人硬件的使用，包括馬達(dá)控制模塊、超聲波傳感器、光電傳感器以及聲控等；二是程序語句的運(yùn)用，如循環(huán)語句、條件判斷語句等。在此過程中，教師扮演“旁觀者”的角色，充分體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，但針對(duì)學(xué)生的共性問題要及時(shí)作出提示與引導(dǎo)。例如，當(dāng)學(xué)生開始使用RoboEXP機(jī)器人快車軟件設(shè)置馬達(dá)“前進(jìn)”與“后退”的時(shí)候，特別容易混淆馬達(dá)模塊的“正轉(zhuǎn)”與“反轉(zhuǎn)”的概念，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是任意搭建的，相同設(shè)置的馬達(dá)模塊安裝在機(jī)器人左側(cè)或右側(cè)會(huì)產(chǎn)生不同的效果。學(xué)生經(jīng)過多次嘗試，教師進(jìn)行適當(dāng)提示，學(xué)生形成一個(gè)默認(rèn)的習(xí)慣，就是用馬達(dá)模塊圖標(biāo)來確定“馬達(dá)模塊轉(zhuǎn)動(dòng)的方向”與“機(jī)器人的方向”之間的關(guān)系，馬達(dá)模塊“正轉(zhuǎn)”能使機(jī)器人“前進(jìn)”；馬達(dá)模塊“反轉(zhuǎn)”能使機(jī)器人“后退”。

3.設(shè)計(jì)算法，編譯程序

確定學(xué)習(xí)目標(biāo)后，小組成員將分頭查找資料，擊破各難點(diǎn)。學(xué)生自主學(xué)習(xí)嘗試機(jī)器人控制程序的算法設(shè)計(jì)與編譯，遇到問題時(shí)小組內(nèi)部交流，教師也可以幫助學(xué)生解決在機(jī)器人編程中遇到的難題。教師由知識(shí)傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，學(xué)生的角色由被動(dòng)的接受者變?yōu)橹鲃?dòng)的探究者。

在足球項(xiàng)目中，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)技術(shù)難題。在賽場(chǎng)上，用綠色和淺綠色區(qū)分場(chǎng)地左右兩邊，但是兩種綠色非常接近，使用灰度傳感器檢測(cè)的時(shí)候，檢測(cè)值只有2到3的差距，這意味著在激烈的比賽中，機(jī)器人很容易出現(xiàn)誤判，學(xué)生很難寫出有針對(duì)性的策略。場(chǎng)地檢測(cè)問題成為比賽的一個(gè)瓶頸，那么如何解決這個(gè)問題呢？一開始，學(xué)生總在程序方面去想辦法，遲遲不能突破，后來，有的組想到了用統(tǒng)計(jì)的方法來解決問題，既然兩種顏色的差值不夠明顯，那么我們可以增加樣本的數(shù)量，14或者24個(gè)樣本一起檢測(cè)，這樣區(qū)分度就明顯了。問題終于得到了解決，但仍舊不夠理想，當(dāng)機(jī)器人從一個(gè)色塊運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)色塊的時(shí)候，明明是在不同區(qū)域，但平均值卻是兩種顏色的中間值，仍會(huì)有誤差、誤判等情況發(fā)生，最終我們升級(jí)了這一段程序的設(shè)計(jì)，仍采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，但改為在程序中統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)不同顏色的頻率，每采樣十次，做一次判斷。后來，學(xué)生在程序中使用統(tǒng)計(jì)學(xué)的次數(shù)越來越多，也越來越嫻熟，他們開始有目的地統(tǒng)計(jì)攻門次數(shù)、控球時(shí)間、射門概率等，一些概率學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的知識(shí)教師都不知道，但學(xué)生們卻能通過查找資料自主學(xué)習(xí)，筆者感受到了他們無窮的潛力。

2對(duì)2機(jī)器人足球比賽，機(jī)器人的排兵布陣尤為重要，或一攻一防或同時(shí)進(jìn)攻，根據(jù)不同的策略編譯不同的程序。在實(shí)踐過程中學(xué)生發(fā)現(xiàn)了很多問題，尤其是兩種策略的對(duì)決，一攻一防隊(duì)在進(jìn)攻方面明顯比較薄弱；兩攻隊(duì)的進(jìn)攻能力很強(qiáng)，但球在自己區(qū)域的時(shí)候防守缺陷卻很嚴(yán)重。有沒有一種策略能夠解決這些問題呢？學(xué)生們經(jīng)過多次嘗試后，最終將兩種策略優(yōu)化整合，即先將場(chǎng)地分成一定的區(qū)域，每個(gè)機(jī)器人各自負(fù)責(zé)一片區(qū)域，只要球位于自己的區(qū)域內(nèi)，就享有踢球的優(yōu)先權(quán)，反之則協(xié)助進(jìn)攻或者防守。這種方法并沒有明確的分工，也互不侵犯，大大提高了機(jī)器人活動(dòng)的效率。

4.以賽代練，成果交流

學(xué)生通過組與組之間的比賽，發(fā)現(xiàn)對(duì)手的優(yōu)點(diǎn)，反思自己作品存在的問題。以賽代練強(qiáng)調(diào)的不僅是學(xué)生以比賽的形式完成任務(wù)，更是要讓他們通過比賽更清楚地認(rèn)識(shí)到自己的不足。比賽只是查漏補(bǔ)缺的過程，整個(gè)過程中學(xué)生必須認(rèn)識(shí)到自己是任務(wù)的主體，從而調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性。

5.學(xué)生反思，教師總結(jié)

每個(gè)活動(dòng)結(jié)束后，學(xué)生們都要進(jìn)行學(xué)習(xí)反思，學(xué)習(xí)過程中學(xué)到了什么，項(xiàng)目有什么需要改進(jìn)的地方，有什么技術(shù)或者算法值得借鑒等。教師針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中易錯(cuò)問題、共性問題等進(jìn)行強(qiáng)調(diào)總結(jié)，強(qiáng)化他們經(jīng)常忽視的重難點(diǎn)，使其真正學(xué)到知識(shí)，學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)。

“以賽代練”理念的最終目的是使學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)他們解決問題的能力。在機(jī)器人的活動(dòng)過程中，學(xué)生自己設(shè)計(jì)活動(dòng)方案，并通過組與組之間的較量，發(fā)現(xiàn)自身的不足，汲取其他組的優(yōu)點(diǎn)，不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，潛移默化中建構(gòu)了知識(shí)體系，獲取了新的知識(shí)。同時(shí)，組內(nèi)的合作學(xué)習(xí)以及組與組之間的經(jīng)驗(yàn)交流都使學(xué)生體驗(yàn)到合作學(xué)習(xí)的重要性，學(xué)會(huì)了溝通與表達(dá)。學(xué)習(xí)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，教師應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用能力，以真正達(dá)到“以賽代練”的目的。