高效的虛擬機器人競賽輔導策略

摘 要：虛擬機器人競賽是指利用仿真機器人軟件開展機器人競賽活動，其開展費用較低、操作簡便，易推廣和使用，對提高學生的信息技術素養和科技素養有著巨大的促進作用，因此許多中小學都開展了這項教育活動。在此基礎上，文章作者結合近年的競賽輔導經驗，探討了高中開展虛擬機器人競賽輔導的策略，以期為高中進行高效的競賽輔導提供參考。

關鍵詞：虛擬機器人;競賽;輔導策略

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 收稿日期：2019-12-14 文章編號：1674-120X（2020）18-0117-02

一、虛擬機器人競賽開展的背景

中學機器人競賽作為一項教育活動，不但能培養學生的工程思維、動手能力和團隊協作能力，而且對提升學生的信息素養、科學素養有著促進作用，是提高中學生綜合素質的一條重要途徑。然而，競賽機器人價格昂貴，競賽活動被生產商把持，學生訓練需要一定規模的場地，參賽人數有限，這些缺點嚴重制約了這項教育活動的開展。據一項調查，廣東省的機器人競賽活動，88.32%參賽隊伍來自珠三角發達地區，而即使在這些地區，也僅有少數的市區重點學校能夠開展。

近年來，隨著虛擬仿真技術的發展，開展虛擬機器人競賽的技術環境不斷成熟，虛擬機器人競賽的優勢逐漸體現。虛擬機器人競賽是指利用仿真軟件開展智能機器人競賽活動。學生通過電腦和網絡，在仿真系統中開展智能機器人學習和研究，模擬實物機器人一切功能和動作，如組裝虛擬機器人、編輯虛擬環境、編寫機器人驅動程序、控制機器人在特定環境中按指定規則完成任務等。與實體機器人競賽相比，虛擬機器人競賽活動只需使用普通計算機，成本較低，并適合在學校中大規模開展。截至目前，中小學虛擬機器人競賽中先后出現虛擬足球、虛擬滅火、智能快遞、虛實結合、九宮探險等比賽項目。在各種虛擬機器人比賽項目中，廣州市教育信息中心開發的“虛擬快遞”“虛實結合”最具代表性。這兩個項目通過政府立項投資、企業協同開發的方式進行，免費提供給全省中小學生使用，特別是“智能快遞”項目，因其學習難度低、趣味性強，不僅在廣州，在廣東省其他各地市的中小學都有大規模的學習和比賽。

農村學校受制于資金、場地，無法大規模開展實體機器人競賽活動。虛擬機器人的出現，為這類學校提供了一個開展機器人教育活動的有效途徑。作為一所農村學校，廣東省佛山市南海區羅村高級中學（以下簡稱“我校”）自2016年開始，開設了“智能快遞”“虛實結合”“九宮探險”競賽項目，并把“智能快遞”作為校本課程，在信息技術課上進行大班教學，學生學習興趣濃厚，取得了良好效果。

二、高效的競賽輔導策略

高效的競賽輔導是取得優秀成績的前提。近三年，我校參賽隊伍代表地市參加中小學生電腦制作活動的機器人競賽廣東省決賽，在“智能快遞”“虛實結合”項目取得一等獎一次、二等獎兩次、三等獎多次的好成績。下面，筆者結合在虛擬機器人競賽輔導過程中出現的問題和解決問題的辦法，探討高中開展虛擬機器人競賽輔導的策略。

（一）團隊研究，提升教師水平

機器人融合了信息技術、機械、電子等多個領域知識，教師在進行教學輔導時，會碰到知識和技術上的各種難題。因此，必須通過資料搜索、學習、實驗、培訓等方式讓自己的專業能力得到提升與發展。

以“智能快遞”項目為例，該項目并沒有完整的教程和資料，我們通過在搜索引擎中輸入關鍵詞進行資料搜索，同時通過QQ群、座談會等形式向具有競賽輔導經驗的教師請教，獲取該項目開展的相關資料和經驗。機器人控制程序是虛擬機器人的核心，我們三位教師在開展輔導前，認真研究各個項目，分析、參透規則，設計高效、穩定、模塊化的控制程序，然后帶領學生一起研究、設計并制訂可行的競賽訓練方案。根據學生的特點，還有實驗的結果，我們大膽提出使用文本編程代替圖形化積木編程的方式，提高編程效率，為學生現場調試機器人騰出更多的時間。

（二）大班教學，選拔參賽學生

選拔優秀學生參加競賽是虛擬機器人競賽的重要一環。參加虛擬機器人競賽的學生必須對機器人項目、程序設計有濃厚的學習興趣，還必須具備較強的自學能力、動手能力、與他人溝通的能力。另外，高中生的學習壓力非常大，參加競賽的學生必須成績相對較好，學有余力，不能因為參加競賽而影響了文化課的學習。

為了選拔最優秀的學生，我校在高一的信息技術課開設“智能快遞”項目校本課程，面向所有高一學生普及機器人基礎知識，讓學生了解“智能快遞”項目中基本的馬達、傳感器知識;掌握利用程序驅動快遞車行進、巡線、轉彎、接收快遞等基本競賽任務。在此基礎上，通過課程考核、填報競賽意向表，結合學生的文化課成績，初步選拔出參賽學生。之后，利用校本選修課，組織這些學生進行《C語言基礎》《“智能快遞”文本編程課》教程的學習，最后通過綜合設計任務進行考核，篩選出最合適的人選加入虛擬機器人競賽小組。對小組成員，采用導師制形式，根據不同項目的競賽任務和規則，由不同教師進行一對一的指導。

（三）課程開發，形成教學體系

虛擬機器人競賽是一項基于任務驅動的教育實踐活動，現階段沒有符合競賽輔導要求的完整教材與課程，開發校本課程是開展教學活動的一項重要工作。作為農村學校，我校學生的計算機基礎知識、自學能力薄弱。基于這些特點，并充分利用現有的資源，我校開發了適合學生個性發展和潛能開發的校本課程。課程分為兩個部分，一個是面向全體學生的普及型大班課程，另一個是針對接受競賽輔導的學生的文本編程課程。前者內容包括小車組裝、巡線、轉彎、抓取快遞等基本任務;以圖形編程為主要形式;以學生完成一個任務，順利達到終點作為最終的考核目標。后者內容包括文本編程基礎知識、各種功能函數的理解和應用，以競賽的考評規則作為考核的目標。經過兩年的教學實踐和不斷改進、完善，形成了從目標、內容到評價標準的完整體系。

（四）策略制訂，提升競賽成績

綜合考慮虛擬機器人項目特點、學生基礎、訓練時間，選擇合適的訓練輔導方案和競賽策略，是競賽取得優異成績的關鍵。高中學生學習任務繁重，每天能夠擠出來訓練的時間不多。在訓練時間不足的情況下，合理安排訓練內容，提高訓練效率，是提高競賽成績的重要途徑。我校采用文本編程，而不是大多數學校采用的圖形化編程，是為了盡量減少編程時間，使學生有更多的時間來完成調試和訓練任務。然后，把訓練任務分割成一個個獨立小項目，減少任務間的耦合度，讓學生每天在有限的訓練時間內，能夠完成一個小項目，有效降低了訓練的難度。每兩周定期舉行一次學生間的比賽，不僅可以讓學生在實戰中發現問題，改進程序，還可以相互學習，相互促進。

以“智能快遞”項目為例，學生學習了C語言基礎知識和智能快遞基礎知識后，逐漸進入競賽訓練階段。“智能快遞”的競賽規則是：在比賽現場公布運行環境（地圖），學生于限定時間內（90分鐘），在地圖上規劃出合理的快遞車行走路線，編寫快遞車控制程序，控制快遞車沿著規定的路線行走，在3分鐘的時間內，盡可能多地接收快遞，并把快遞送達終點，以接收快遞的多少和是否到達終點作為成績計算的標準。經過研究分析，我們發現比賽任務雖然復雜多變，但把它分割成各個小任務后，各個任務間具有一定的相似性，這使得部分程序重用成為可能。以此為出發點，我們把整個比賽任務分解為驅動、巡線、轉彎、接收快遞等小任務，同時通過函數參數形式來解決任務間的差別，主要的功能函數如下表：

最后在主函數中，根據現場地圖的實際情況，調用各個任務函數，構成一個完整的比賽程序。

在競賽前，教師對學生進行競賽現場策略的指導。以“智能快遞”為例，首先，代碼編寫必須規范，代碼要分段測試、編譯，以求盡快發現語法的錯誤。其次，比賽初始階段要規劃好快遞車行走路線，并對路線進行行走測試。再次，現場不要編寫難度高、穩定度差的程序，如倒車巡線、倒車轉彎。最后，在完成全程的基礎上去追求好成績，不能花費大量的時間來調整微小的參數。

（五）過程反思，積累輔導材料

學生參加競賽后，輔導教師和學生都要做好反思和總結工作，對競賽的完整過程，從學生選拔到訓練到比賽進行認真檢討，好的經驗繼續保留，做得不好的地方要深挖原因，避免重復犯錯。把檢討反思的過程形成書面材料，保存下來。這樣不僅能提高學生競賽的水平，同時有助于輔導教師積累豐富的經驗和教學方法。

三、結語

虛擬機器人競賽綜合了信息技術、數學、物理等基礎學科知識，需要學生自主學習各科知識，融會貫通，對培養學生的信息素養、科學精神、實踐動手能力和團隊合作精神具有重要作用。相信隨著機器人競賽的發展和虛擬現實技術的日益成熟，虛擬機器人教育和競賽將會得到更大范圍的普及。

參考文獻：

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作者簡介：林俊桂（1978—），男，廣東澄海人，一級教師，本科，研究方向：人工智能教育，機器人教育。