基于機(jī)器人足球仿真的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言教學(xué)改革研究

基于機(jī)器人足球仿真的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言教學(xué)改革研究

儲(chǔ)岳中，劉宏申，王小林，程澤凱

(安徽工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

摘要：基于機(jī)器人足球仿真平臺(tái)，建立新型教學(xué)模式，提高教學(xué)“速率”，更新教學(xué)手段，改革考核方式，突出課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，整合教學(xué)資源，對(duì)提高程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言課程教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力具有良好的效果。

關(guān)鍵詞：程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；機(jī)器人足球仿真；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-9247(2015)03-0095-02

Abstract:Based on robot soccer simulation platform, the practice of establishing a new teaching mode, accelerating teaching “speed”, updating teaching methods, reforming on evaluation mode, highlighting course design, integrating teaching resources would improve teaching quality of programming language course, and cultivate well the programming ability of students.

收稿日期：2014-06-06

基金項(xiàng)目：安徽工業(yè)大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目(2012jg27)

作者簡(jiǎn)介：儲(chǔ)岳中(1971-)，男，安徽岳西人，安徽工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授。

A Study on Program Designing Language Teaching Reform Based on Robot Soccer Simulation

CHU Yue-zhong, LIU Hong-shen, WANG Xiao-lin, CHENG Ze-kai

(School of Computer Engineering, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243002, Anhui, China)

Key words:programming language; RoboCup Soccer Simulation; teaching reform

程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)工程及物聯(lián)網(wǎng)工程等相關(guān)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程。這類課程的目的是使學(xué)生系統(tǒng)掌握高級(jí)語(yǔ)言的基本知識(shí)和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的思想，培養(yǎng)學(xué)生程序設(shè)計(jì)的基本方法與編程技巧，并形成良好的程序設(shè)計(jì)風(fēng)格和習(xí)慣，使學(xué)生具備一定的應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決和處理實(shí)際問(wèn)題的思維方法與基本能力，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)和應(yīng)用計(jì)算機(jī)奠定良好的基礎(chǔ)。為提高教學(xué)質(zhì)量，我們對(duì)本類課程教學(xué)模式進(jìn)行了改革，并取得了一定成果。

一、學(xué)情分析

我校程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開(kāi)課時(shí)間為大學(xué)第一學(xué)年，C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程安排在第一學(xué)期的后10周和第二學(xué)期，共96學(xué)時(shí)。本課程是學(xué)生入學(xué)面對(duì)的第一門程序設(shè)計(jì)類課程，入門困難，課程教學(xué)若沒(méi)能很好導(dǎo)入，很容易讓部分學(xué)生失去興趣或喪失信心，并隨著教學(xué)的深入，知識(shí)點(diǎn)難度的加大，使得更多同學(xué)對(duì)程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生動(dòng)搖。因此，如何培養(yǎng)并保持學(xué)生對(duì)程序設(shè)計(jì)的興趣，如何有效化解程序設(shè)計(jì)中那些抽象、高難度的知識(shí)點(diǎn)，如何培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的動(dòng)手能力等，這是一線教師經(jīng)常思考的問(wèn)題。

近年來(lái)，學(xué)校不斷推進(jìn)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言課程的教學(xué)改革，將上課地點(diǎn)由教室改為機(jī)房，改變了過(guò)去學(xué)生上課只聽(tīng)課不動(dòng)手“填鴨式教學(xué)”的方式，使學(xué)生更近、更快地接觸計(jì)算機(jī)，大大提高了程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言課程教學(xué)效果，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，激發(fā)了學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。因此，相對(duì)早期的傳統(tǒng)教學(xué)方法，本課程的教學(xué)效果有了很大的改觀，但是在面對(duì)一些實(shí)際問(wèn)題時(shí)，學(xué)生的動(dòng)手能力仍然顯得有些不夠。為此，我們?cè)谝延懈母锏幕A(chǔ)上進(jìn)一步引入新的內(nèi)容，以求更有效地提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

多年來(lái)，學(xué)校一直重視計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)工作，并致力于各種教學(xué)改革，推出了舉措，如本科生導(dǎo)師制、本科生進(jìn)入老師課題組及專業(yè)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)進(jìn)校園并負(fù)責(zé)就業(yè)等。近幾年學(xué)生的畢業(yè)論文、學(xué)生就業(yè)及考研情況均從不同方面反映我校對(duì)計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)改革帶來(lái)的可喜變化。另外，對(duì)足球的喜愛(ài)是當(dāng)前大學(xué)生的一大特點(diǎn)，但他們很大程度上是從體育或業(yè)余愛(ài)好方面考慮，若將這種愛(ài)好轉(zhuǎn)化成學(xué)習(xí)的動(dòng)力，機(jī)器人足球是再合適不過(guò)的形式。因此，本次課程教學(xué)改革嘗試在教學(xué)實(shí)施中引入機(jī)器人足球仿真，以期進(jìn)一步挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛能，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，從而達(dá)到提高動(dòng)手能力與解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

二、RoboCup機(jī)器人足球仿真簡(jiǎn)介

RoboCup(Robot World Cup)[2]即機(jī)器人世界杯足球錦標(biāo)賽，是各類國(guó)際機(jī)器人競(jìng)賽中水平最高、影響力最大的賽事之一。RoboCup以多智能體系統(tǒng)和分布式人工智能為主要研究背景，通過(guò)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的易于評(píng)價(jià)的比賽平臺(tái)，促進(jìn)相關(guān)核心技術(shù)的研究與發(fā)展。仿真比賽有RoboCup2D、RoboCup3D和救援仿真三個(gè)組別，其中RoboCup2D是近幾年最為流行的比賽，比賽是在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)環(huán)境內(nèi)進(jìn)行的，比賽規(guī)則基本上與國(guó)際足球聯(lián)合會(huì)的比賽規(guī)則一致。它采用Server/Client(服務(wù)器/客戶端)方式，由RoboCup聯(lián)合會(huì)提供標(biāo)準(zhǔn)的Soccer server 系統(tǒng)，參賽隊(duì)編寫各自的Client程序，模擬實(shí)際足球隊(duì)員進(jìn)行比賽。每一個(gè)Client相當(dāng)于一個(gè)球員的大腦，控制場(chǎng)上球員的移動(dòng)。比賽開(kāi)始后，雙方可以各派11個(gè)球員與1名在線教練上場(chǎng)。

Soccer server 通過(guò)提供一個(gè)虛擬場(chǎng)地，對(duì)比賽全部球員和足球的移動(dòng)進(jìn)行仿真。當(dāng)球員和server連接上后，所有的信息都通過(guò)UDP/IP端口傳遞。球員發(fā)送他們下一步要做的動(dòng)作請(qǐng)求給server(如踢球kick，轉(zhuǎn)身turn，突進(jìn)dash等)。Server接收到這些消息后，執(zhí)行請(qǐng)求，并相應(yīng)地更新環(huán)境。另外，server向所有的球員提供感知sensory信息(如：關(guān)于足球，球門和其他球員的位置可視信息)。球員用于更新自身世界模型。

仿真開(kāi)發(fā)環(huán)境一般需要三臺(tái)計(jì)算機(jī)組成的局域網(wǎng)，其中一臺(tái)運(yùn)行Soccer server ,另外兩臺(tái)分別運(yùn)行兩個(gè)參賽隊(duì)伍，三臺(tái)機(jī)連到同一個(gè)Hub。為了調(diào)試方便，也可以運(yùn)行在同一臺(tái)機(jī)上。Soccer server 通過(guò)UDP/IP協(xié)議和Client進(jìn)行通信，對(duì)球隊(duì)的開(kāi)發(fā)編譯沒(méi)有任何限制。由于Soccer server 運(yùn)行在Linux/Unix系統(tǒng)下，而Linux遵循GPL協(xié)議與RoboCup開(kāi)放源碼，共享資源的思路有極大的相通之處，因此一般都是選擇Linux系統(tǒng)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。因此球隊(duì)的開(kāi)發(fā)工作主要集中在球員的控制策略上，即客戶端程序。

我校YuShan2D仿真機(jī)器人足球隊(duì)成立于2009年，近幾年在國(guó)內(nèi)比賽多次獲得一等獎(jiǎng)， 2011年蘭州中國(guó)公開(kāi)賽進(jìn)入一等行列， 2012年在第16屆RoboCup世界杯取得歷史性突破，獲仿真2D組第七名好成績(jī)，2013年和2014年先后獲RoboCup伊朗公開(kāi)賽季軍和亞軍，今年7月將赴巴西參加2014 RoboCup世界杯決賽。 這些成績(jī)的取得并非偶然，而是我們各種教學(xué)改革的成果之一。

三、教學(xué)改革實(shí)踐

近幾年，為充分利用學(xué)校良好的機(jī)器人足球仿真氛圍，整合教學(xué)資源，有效培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生動(dòng)手能力，在實(shí)施教學(xué)過(guò)程中我們大膽進(jìn)行改革。

(一)建立新型教學(xué)模式

改革傳統(tǒng)的平面的知識(shí)傳授模式，建立一個(gè)新型的立體的綜合模式。新型教學(xué)模式分為三個(gè)基本層次[3]：基礎(chǔ)層——知識(shí)優(yōu)化層；中介層——思維訓(xùn)練層；提高層——能力培養(yǎng)層。為提高教學(xué)與學(xué)習(xí)效率，節(jié)約教學(xué)時(shí)間，針對(duì)程序設(shè)計(jì)課程的自身特點(diǎn)，采取案例驅(qū)動(dòng)與RoboCup機(jī)器人足球仿真培訓(xùn)相結(jié)合的方式。案例驅(qū)動(dòng)在精選案例的基礎(chǔ)上，以“教”為主，輔之以專題實(shí)驗(yàn)。仿真培訓(xùn)以“練”為主，擇優(yōu)參加各級(jí)比賽，在知識(shí)優(yōu)化的同時(shí)，訓(xùn)練思維，培養(yǎng)能力。

(二)提高教學(xué)“速率”

主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。首先，加快語(yǔ)言規(guī)范的教學(xué)進(jìn)度，突出重難點(diǎn)，讓學(xué)生盡早進(jìn)入程序設(shè)計(jì)及解決問(wèn)題的能力訓(xùn)練；其次，增設(shè)專題講座，將以往面面俱到、平均用力，轉(zhuǎn)化為關(guān)鍵處點(diǎn)撥、梳理，實(shí)行網(wǎng)狀教學(xué)體系，避免簡(jiǎn)單知識(shí)的不必要重復(fù)，增加知識(shí)信息的有效性。如果再輔之以充分的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，能有效地提高教學(xué)“速率”。

(三)更新教學(xué)手段

目前，多媒體教學(xué)在高校已普及，但若使用不當(dāng)，很容易將多媒體設(shè)備當(dāng)成一塊電子黑板，不能有效發(fā)揮多媒體教學(xué)的作用。為了最大化多媒體教學(xué)的效果，我們將程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言課程的教學(xué)地點(diǎn)從多媒體教室轉(zhuǎn)移到多媒體機(jī)房，學(xué)生一人一機(jī)，上課期間，學(xué)生能夠即學(xué)即練，個(gè)別學(xué)生提出的問(wèn)題可以隨時(shí)向全體同學(xué)反饋，同時(shí)通過(guò)課程網(wǎng)站共享教學(xué)資料及課堂學(xué)習(xí)管理，這種教學(xué)手段在克服普通教學(xué)方式不足的同時(shí)，有效提高程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)效果。

(四)培養(yǎng)學(xué)生能力素質(zhì)

程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的教學(xué)很容易陷入注重語(yǔ)言規(guī)范的誤區(qū)，導(dǎo)致很多同學(xué)精于考試而疏于設(shè)計(jì)。實(shí)際上，相關(guān)語(yǔ)言規(guī)范可以歸納教學(xué)，我們的作法是在驅(qū)動(dòng)案例中總結(jié)語(yǔ)法，讓學(xué)生在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中逐漸掌握語(yǔ)法，將基礎(chǔ)知識(shí)交給學(xué)生自學(xué)，教學(xué)的重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生結(jié)構(gòu)化和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感及研究能力。

(五)改革考核方式

傳統(tǒng)教學(xué)模式中課程考核主要是通過(guò)考試，對(duì)于程序設(shè)計(jì)課程的考核僅通過(guò)考試這一個(gè)環(huán)節(jié)，顯然不合理?；诖饲暗母鞣N改革，我們對(duì)本課程的考核主要分以下幾個(gè)部分：平時(shí)環(huán)節(jié)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、團(tuán)隊(duì)表現(xiàn)和考試，而期末考試也在逐步實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化考試。同時(shí)，本課程的考核結(jié)果將作為RoboCup機(jī)器人足球仿真比賽選手選拔的重要依據(jù)。

(六)突出課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

相關(guān)專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中，程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言課程均配有兩個(gè)學(xué)分的課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，安排在課程結(jié)束后一學(xué)期進(jìn)行，因此學(xué)生有充分時(shí)間完成課程設(shè)計(jì)。這期間，可以安排學(xué)生以團(tuán)隊(duì)為單位，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單RoboCup2D仿真程序，由指導(dǎo)教師提供平臺(tái)，團(tuán)隊(duì)間相互進(jìn)行比賽。這種形式，一方面會(huì)極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，另一方面也會(huì)培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

(七)整合教學(xué)資源

教學(xué)計(jì)劃制定和教學(xué)大綱修訂要突出RoboCup機(jī)器人足球仿真特色。仿真案例的選擇將是本課程教學(xué)實(shí)施的關(guān)鍵，由于教學(xué)內(nèi)容有個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，教學(xué)案例的選擇要滿足階段性的教學(xué)要求，而不能盲目引入，以免導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)畏難局面，影響學(xué)生興趣。

經(jīng)過(guò)近幾年的改革實(shí)踐，學(xué)生的動(dòng)手能力與解決問(wèn)題能力得到明顯提高，主要體現(xiàn)：一是學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的應(yīng)對(duì)能力較以前有很大提高；二是多個(gè)團(tuán)隊(duì)在ACM/ICPC國(guó)際大學(xué)生程序競(jìng)賽、仿真機(jī)器人足球賽及全國(guó)軟件設(shè)計(jì)與創(chuàng)業(yè)大賽等競(jìng)賽中獲得好成績(jī)；三是畢業(yè)生在用人單位獲得好評(píng)。然而程序設(shè)計(jì)課程改革任重道遠(yuǎn)，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域技術(shù)日新月異，我們必須充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，精選案例，因材施教，堅(jiān)持理論與實(shí)踐相結(jié)合，強(qiáng)化實(shí)踐，逐步探索和完善適合校情和學(xué)情的教學(xué)模式。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯雷金火)