基于“以賽代練”的機器人程序設計教學實踐

劉俊

機器人程序設計課程作為一門新興的學科，有其自身發展的特點，常規的教學模式已經無法滿足機器人課程發展的需要。自2005年我校開展機器人教學活動以來，筆者經過十多年的潛心實踐摸索，總結出了一套“以賽代練”的學習模式。“以賽代練”是實施探究式學習模式的方法，對學生來說“以賽代練”是一種學習形式，適用于學習技能類的知識，尤其適用于學生自主解決問題的能力以及操作等方面的技能。

● “以賽代練”學習模式概述

“以賽代練”的模式包括選定項目、參考規則、程序設計、成果交流、活動反思等過程，是以分組競技的形式完成學習任務。“賽”顧名思義就是機器人競賽，把機器人競賽作為學生的學習目的，把比賽規則作為學生的學習目標，學生根據自身的學習能力來細化規則，制定教學的重難點，循序漸進地完成任務。例如，光感傳感器對機器人循跡來說是核心的元件，所以在教學光感元件時，針對基礎知識比較薄弱的學生制定的初始目標為運用一個光感走黑線，針對基礎相對較好的學生制定的目標為運用兩個、三個、四個、五個光感來循跡，并對比、總結不同光感數量對循線技能的影響。“練”是指練習、操作，學生按照既定的學習目標設計算法編譯程序，整個過程中學生不斷地發現問題、解決問題，反復操作。例如，在機器人足球比賽中，機器人是通過光感傳感器來判斷進攻與防守區的，由于傳感器在機器人底部離地面有一定的距離，空隙的大小直接影響了測量回值，針對這一問題，學生們經過反復地實驗操作，設計出用“裙子”進行遮光，降低了不同環境下光的強度對光感的影響。“以賽代練”即賽中做，賽中學。學生在解決問題時能夠學會整體構思、設計開發，并能夠針對項目主題主動研究、動手實踐，享受主動學習的樂趣，同時學會合作，共同體會成功與失敗，進而成長為一個能適應社會需要的人才。

● “以賽代練”學習模式建構

1.選定項目，分組競技

首先組成學習小組（兩人為一組），學生們要相互了解，為合作學習創設一個良好的氛圍，分組采用異質分組的原則。例如，機器人循跡比賽主要考查機器人循跡線路以及走完全程需要的時間，兼顧穩定的外觀與性能。分組時教師可以將建模能力強的學生與編程能力強的學生進行搭配，優勢互補。

2.解讀規則，制定目標

同一項目不同組別的學生進行規則解讀時，各組根據自身原有的知識基礎以及學習能力的不同制定不同的學習目標。機器人學習目標的確定不外乎兩個方向：一是機器人硬件的使用，包括馬達控制模塊、超聲波傳感器、光電傳感器以及聲控等；二是程序語句的運用，如循環語句、條件判斷語句等。在此過程中，教師扮演“旁觀者”的角色，充分體現學生的主體地位，但針對學生的共性問題要及時作出提示與引導。例如，當學生開始使用RoboEXP機器人快車軟件設置馬達“前進”與“后退”的時候，特別容易混淆馬達模塊的“正轉”與“反轉”的概念，機器人的結構是任意搭建的，相同設置的馬達模塊安裝在機器人左側或右側會產生不同的效果。學生經過多次嘗試，教師進行適當提示，學生形成一個默認的習慣，就是用馬達模塊圖標來確定“馬達模塊轉動的方向”與“機器人的方向”之間的關系，馬達模塊“正轉”能使機器人“前進”；馬達模塊“反轉”能使機器人“后退”。

3.設計算法，編譯程序

確定學習目標后，小組成員將分頭查找資料，擊破各難點。學生自主學習嘗試機器人控制程序的算法設計與編譯，遇到問題時小組內部交流，教師也可以幫助學生解決在機器人編程中遇到的難題。教師由知識傳授者轉變為學習的引導者，學生的角色由被動的接受者變為主動的探究者。

在足球項目中，學生們發現了一個技術難題。在賽場上，用綠色和淺綠色區分場地左右兩邊，但是兩種綠色非常接近，使用灰度傳感器檢測的時候，檢測值只有2到3的差距，這意味著在激烈的比賽中，機器人很容易出現誤判，學生很難寫出有針對性的策略。場地檢測問題成為比賽的一個瓶頸，那么如何解決這個問題呢？一開始，學生總在程序方面去想辦法，遲遲不能突破，后來，有的組想到了用統計的方法來解決問題，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量，14或者24個樣本一起檢測，這樣區分度就明顯了。問題終于得到了解決，但仍舊不夠理想，當機器人從一個色塊運動到另一個色塊的時候，明明是在不同區域，但平均值卻是兩種顏色的中間值，仍會有誤差、誤判等情況發生，最終我們升級了這一段程序的設計，仍采用統計學的方法，但改為在程序中統計出現不同顏色的頻率，每采樣十次，做一次判斷。后來，學生在程序中使用統計學的次數越來越多，也越來越嫻熟，他們開始有目的地統計攻門次數、控球時間、射門概率等，一些概率學和統計學的知識教師都不知道，但學生們卻能通過查找資料自主學習，筆者感受到了他們無窮的潛力。

2對2機器人足球比賽，機器人的排兵布陣尤為重要，或一攻一防或同時進攻，根據不同的策略編譯不同的程序。在實踐過程中學生發現了很多問題，尤其是兩種策略的對決，一攻一防隊在進攻方面明顯比較薄弱；兩攻隊的進攻能力很強，但球在自己區域的時候防守缺陷卻很嚴重。有沒有一種策略能夠解決這些問題呢？學生們經過多次嘗試后，最終將兩種策略優化整合，即先將場地分成一定的區域，每個機器人各自負責一片區域，只要球位于自己的區域內，就享有踢球的優先權，反之則協助進攻或者防守。這種方法并沒有明確的分工，也互不侵犯，大大提高了機器人活動的效率。

4.以賽代練，成果交流

學生通過組與組之間的比賽，發現對手的優點，反思自己作品存在的問題。以賽代練強調的不僅是學生以比賽的形式完成任務，更是要讓他們通過比賽更清楚地認識到自己的不足。比賽只是查漏補缺的過程，整個過程中學生必須認識到自己是任務的主體，從而調動學習積極性。

5.學生反思，教師總結

每個活動結束后，學生們都要進行學習反思，學習過程中學到了什么，項目有什么需要改進的地方，有什么技術或者算法值得借鑒等。教師針對學生學習過程中易錯問題、共性問題等進行強調總結，強化他們經常忽視的重難點，使其真正學到知識，學會學習。

“以賽代練”理念的最終目的是使學生學會學習，培養他們解決問題的能力。在機器人的活動過程中，學生自己設計活動方案，并通過組與組之間的較量，發現自身的不足，汲取其他組的優點，不斷發現問題、解決問題，潛移默化中建構了知識體系，獲取了新的知識。同時，組內的合作學習以及組與組之間的經驗交流都使學生體驗到合作學習的重要性，學會了溝通與表達。學習機器人程序設計是一個循序漸進的過程，教師應注重培養學生的知識運用能力，以真正達到“以賽代練”的目的。