吳東 張立敏 陳霞

摘 要：在大力提倡創(chuàng)新教育的時代背景下，機(jī)器人被公認(rèn)為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的有效載體，機(jī)器人教育方興未艾。如何挖掘機(jī)器人教育的豐富教育價值，發(fā)揮機(jī)器人教育的重要作用，受到越來越多教育專家的關(guān)注和探索。為提升機(jī)器人實踐教學(xué)質(zhì)量和增強(qiáng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力，提出在大學(xué)生機(jī)器人實踐教學(xué)過程中引入對抗訓(xùn)練模式，讓大學(xué)生配對開展機(jī)器人技術(shù)對抗活動來完成規(guī)定的實踐教學(xué)任務(wù)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人教育；對抗訓(xùn)練；分組學(xué)習(xí)；配對學(xué)習(xí)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2018）17-0045-03

一、引言

機(jī)器人教育以其能培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的優(yōu)勢，成為了當(dāng)前開展STEAM教育和創(chuàng)客教育的最新活動形式之一。[1]追蹤國內(nèi)機(jī)器人教育現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，該領(lǐng)域已取得豐富的成果，為各層次人才的創(chuàng)新能力培養(yǎng)發(fā)揮了重要作用。這得益于政府機(jī)構(gòu)及各級學(xué)校對機(jī)器人教育的重視，得益于機(jī)器人廠商對機(jī)器人教育的支持，但更離不開有效教學(xué)模式對機(jī)器人教育質(zhì)量的保障。[2]

目前，在機(jī)器人教育中，教師通常采用基于項目（Project-Based Learning，簡稱PBL）的教學(xué)方法，用做項目來驅(qū)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)。并且，以分組、配對的形式讓學(xué)生合作完成項目規(guī)定的任務(wù)。現(xiàn)有研究結(jié)果表明，使用該教學(xué)模式可取得相比教師傳統(tǒng)授課和學(xué)生獨立學(xué)習(xí)更好的效果，但也存在不足。如學(xué)生缺乏“提創(chuàng)意，設(shè)任務(wù)”的機(jī)會，只注重完成教師給出的項目，不利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；還有合作學(xué)習(xí)時的角色固化，組內(nèi)成員通常只負(fù)責(zé)自己擅長的工作，甚至存在“抱大腿”現(xiàn)象，不利于學(xué)生能力的全面提升。這有待改進(jìn)和完善。

經(jīng)研究，我們發(fā)現(xiàn)在其它教學(xué)領(lǐng)域，如體育、軍事、棋類等廣泛采用的對抗訓(xùn)練模式[3-6]可引入到機(jī)器人教育中加以重構(gòu)和應(yīng)用。近2年，我們在競賽機(jī)器人課程實踐教學(xué)中采用了對抗訓(xùn)練模式，其不斷完善并逐漸體現(xiàn)優(yōu)勢，為提高我校競賽機(jī)器人課程教學(xué)質(zhì)量發(fā)揮了作用。[7]

二、對抗訓(xùn)練模式概述

呂超等人認(rèn)為，對抗訓(xùn)練即在教學(xué)過程中為學(xué)生構(gòu)建對抗場景，給學(xué)生設(shè)定對抗項目，讓學(xué)生展開對抗來完成學(xué)習(xí)任務(wù)。[5]學(xué)生的能力在制作機(jī)器人及開展機(jī)器人對抗活動的過程中得到提升。不過，由于結(jié)合了PBL和分組學(xué)習(xí)，讓該教學(xué)模式的執(zhí)行效果受到影響。

為此，我們設(shè)計了新的對抗訓(xùn)練模式。相比以往的對抗訓(xùn)練，它主要有兩點變化：

（1）教師不設(shè)定對抗項目，只給出要學(xué)習(xí)的知識點，要求學(xué)生在掌握全部知識點的基礎(chǔ)上自行設(shè)計機(jī)器人對抗項目。

（2）基于配對學(xué)習(xí)[2]，一名學(xué)生扮演“守衛(wèi)員”，負(fù)責(zé)設(shè)計機(jī)器人對抗項目；另一名學(xué)生扮演“攻擊者”，負(fù)責(zé)機(jī)器人的搭建和編程，并用制作出的機(jī)器人完成“守衛(wèi)員”在機(jī)器人對抗項目中設(shè)定的所有任務(wù)。

這種新的對抗訓(xùn)練模式實際上是由“守衛(wèi)者”設(shè)定任務(wù)讓“攻擊者”完成，兩人展開機(jī)器人技術(shù)對抗。

圖1是該對抗訓(xùn)練模式的教學(xué)過程，其中包括5個階段：

（1）先備知識測試，是對學(xué)生的機(jī)器人知識水平做評估，分優(yōu)、良、中、差4個等級。其中，評估結(jié)果為“差”的學(xué)生不得進(jìn)入后續(xù)階段，直到加強(qiáng)了學(xué)習(xí)機(jī)器人知識并通過測試。

（2）配對，是依據(jù)先備知識測試結(jié)果將同一等級的學(xué)生兩兩結(jié)對。

（3）對抗訓(xùn)練，是整個教學(xué)過程的關(guān)鍵。兩位學(xué)生分別扮演“守衛(wèi)員”和“攻擊者”，不斷開展“出題”和“挑戰(zhàn)”的對抗活動。

（4）結(jié)果檢查，是教師對對抗訓(xùn)練階段“守衛(wèi)員”設(shè)計的機(jī)器人對抗項目及“攻擊者”制作的機(jī)器人進(jìn)行檢查，以判定學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。

（5）推廣，是教師整理上一階段產(chǎn)生的新的機(jī)器人對抗項目，并將那些優(yōu)秀機(jī)器人對抗項目布置給其他學(xué)生“挑戰(zhàn)”，最后還要評講這些項目。

另外，為了保證對抗訓(xùn)練教學(xué)的正常開展、達(dá)到實踐教學(xué)目的，除了要嚴(yán)格遵從圖1的流程外，還需做好以下幾方面工作：

（1）要求實踐指導(dǎo)教師清楚實踐教學(xué)目的及學(xué)生必須掌握的知識點，有能力引導(dǎo)學(xué)生參與對抗訓(xùn)練并把控學(xué)生的對抗訓(xùn)練進(jìn)度，能及時發(fā)現(xiàn)教學(xué)過程中可能出現(xiàn)的問題并加以處理。

（2）要求實踐指導(dǎo)教師事先設(shè)計機(jī)器人知識水平評估方法和相關(guān)題目，并盡可能準(zhǔn)確評價學(xué)生的機(jī)器人知識水平。能給評價為“差”的學(xué)生提供幫助，讓他們盡快具備參與對抗訓(xùn)練的知識基礎(chǔ)。

（3）要求實踐指導(dǎo)教師在學(xué)生配對結(jié)束后，給學(xué)生提供詳細(xì)的實踐指導(dǎo)書，對學(xué)生要設(shè)計的機(jī)器人對抗項目所包含的知識點做規(guī)定，但要注意難度控制。同時，實驗員要確保實驗設(shè)備完備、可用。

（4）要求學(xué)生課前預(yù)習(xí)，包括弄懂對抗訓(xùn)練流程、明確實踐任務(wù)、補(bǔ)充技術(shù)知識等。特別是在對抗訓(xùn)練階段，配對雙方要進(jìn)行角色交換，輪流扮演“守衛(wèi)員”和“攻擊者”，完成不同角色的任務(wù)。并且，該階段設(shè)計的項目、機(jī)器人搭建方案和程序要留檔。

（5）進(jìn)一步做好機(jī)器人開放實驗室的管理，盡可能多地給學(xué)生提供場地和設(shè)備，讓他們有更多的機(jī)會開展對抗訓(xùn)練，提高機(jī)器人技術(shù)水平。特別是那些評價為“差”的學(xué)生，更應(yīng)借助開放實驗室多加學(xué)習(xí)，爭取早日進(jìn)入對抗訓(xùn)練階段。

三、對抗訓(xùn)練模式應(yīng)用

每所高校開設(shè)機(jī)器人課程的目的不同，其實踐教學(xué)開設(shè)的內(nèi)容也不一樣。當(dāng)前，根據(jù)我校開設(shè)機(jī)器人的教學(xué)目標(biāo)，該課程的實踐教學(xué)內(nèi)容主要包括機(jī)器人程序設(shè)計、積木機(jī)器人搭建、主題機(jī)器人設(shè)計及實現(xiàn)等三大模塊。這些內(nèi)容都可以采用對抗訓(xùn)練模式來展開學(xué)習(xí)?，F(xiàn)以機(jī)器人程序設(shè)計模塊為例，闡述對抗訓(xùn)練在我校機(jī)器人課程實踐教學(xué)中的應(yīng)用。具體課時如表1所示。

首先，指導(dǎo)教師利用之前設(shè)計好的先備知識測試題評估學(xué)生的機(jī)器人知識水平。如表2所示，該模塊的先備知識測試題囊括了機(jī)器人程序設(shè)計的4個方面。評估時，按照先易后難的順序進(jìn)行，逐步考察學(xué)生掌握的機(jī)器人程序設(shè)計能力，并將其水平評定為優(yōu)、良、中、差。

在對抗訓(xùn)練階段，針對學(xué)生必須完成的4次對抗，指導(dǎo)教師給出了在設(shè)計每個機(jī)器人對抗項目時要包括的知識點，如表3所示。其它對抗項目包括的知識點由學(xué)生自行確定。另外，學(xué)生在對抗訓(xùn)練過程中要使用表4做記錄，并按照固定模板記下每個對抗項目的名稱、知識點、內(nèi)容及對抗方案的實現(xiàn)。

四、教學(xué)效果

在2016到2017學(xué)年的第二學(xué)期，我們在2014級計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的機(jī)器人課程教學(xué)中應(yīng)用了對抗訓(xùn)練模式，獲得了比以往更好的教學(xué)效果：

（1）先備知識測試讓學(xué)生感到了壓力，促進(jìn)學(xué)生自覺、認(rèn)真學(xué)習(xí)，形成良好的學(xué)習(xí)氛圍，進(jìn)而加強(qiáng)學(xué)生對機(jī)器人技術(shù)的掌握。

（2）學(xué)生配對對抗訓(xùn)練，激發(fā)了學(xué)生的競爭意識，愿意花更多精力、時間去設(shè)計項目和挑戰(zhàn)項目。并且，讓水平接近的學(xué)生配對，旗鼓相當(dāng)?shù)母偁幾寣W(xué)生更喜歡這種對抗活動。

（3）由學(xué)生設(shè)計機(jī)器人對抗項目，讓學(xué)生有機(jī)會大膽設(shè)想，提出了不少創(chuàng)意項目，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新能力。這些項目申請后，還獲得了“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目”和“攀登計劃”廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項。

（4）設(shè)計對抗項目要完成文檔的撰寫，增強(qiáng)了學(xué)生的寫作能力。同時，回答對手提出的疑問也鍛煉了學(xué)生的表達(dá)能力。

（5）優(yōu)秀機(jī)器人對抗項目的推廣，促使學(xué)生互相借鑒學(xué)習(xí)，拓展了學(xué)生的視野，學(xué)生整體的機(jī)器人技術(shù)水平有一定提高。

（6）有利于學(xué)生互助學(xué)習(xí)，探索了在無教師指導(dǎo)狀態(tài)下的學(xué)生學(xué)習(xí)行為管理方法，為機(jī)器人實驗室將來發(fā)展為創(chuàng)客空間提供了經(jīng)驗樣例及奠定了基礎(chǔ)。

統(tǒng)計學(xué)生對抗訓(xùn)練記錄的耗時情況表明，在沒有對設(shè)計機(jī)器人對抗項目限時的情況下，“守衛(wèi)者”的設(shè)計進(jìn)度對整個對抗訓(xùn)練進(jìn)程影響較大。但如果采取限時，又有可能影響到設(shè)計機(jī)器人對抗項目的質(zhì)量。怎樣既能節(jié)約時間，又能得到高質(zhì)量的機(jī)器人對抗項目是我們往后應(yīng)用該教學(xué)模式時需要做深入改革的地方。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐多，胡衛(wèi)星，趙苗苗.困境與破局：我國機(jī)器人教育的研究與發(fā)展[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2017（10）：94-99.

[2]鐘柏昌，王艷霞.配對學(xué)習(xí)模式在機(jī)器人教育中的有效性[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，2018（3）：66-74.

[3]呂文元.對足球?qū)褂?xùn)練的探討[J].中國體育科技，1994（6）：27-31，40，49.

[4]孫世明.籃球攻防對抗基礎(chǔ)訓(xùn)練——介紹“一對一”攻防對抗訓(xùn)練法[J].體育教學(xué)與訓(xùn)練，1991（3）：28-30.

[5]呂超.面向海軍分隊對抗的仿真與推演方法研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2011.

[6]承德市寬城縣青少年校外活動中心：分組對抗激發(fā)興趣 網(wǎng)絡(luò)組班方便對弈[J].兒童大世界，2016（7）：24.

[7]吳東，張立敏等.多維漸進(jìn)式機(jī)器人課程實踐教學(xué)體系構(gòu)建[J].計算機(jī)教育，2018（3）：151-154.

（編輯：王天鵬）