對(duì)抗訓(xùn)練模式在機(jī)器人教育中的應(yīng)用探究

吳東 張立敏 陳霞

摘 要：在大力提倡創(chuàng)新教育的時(shí)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(jià)值，發(fā)揮機(jī)器人教育的重要作用，受到越來(lái)越多教育專家的關(guān)注和探索。為提升機(jī)器人實(shí)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(shí)踐教學(xué)過(guò)程中引入對(duì)抗訓(xùn)練模式，讓大學(xué)生配對(duì)開(kāi)展機(jī)器人技術(shù)對(duì)抗活動(dòng)來(lái)完成規(guī)定的實(shí)踐教學(xué)任務(wù)。

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

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(shì)，成為了當(dāng)前開(kāi)展STEAM教育和創(chuàng)客教育的最新活動(dòng)形式之一。[1]追蹤國(guó)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(jí)學(xué)校對(duì)機(jī)器人教育的重視，得益于機(jī)器人廠商對(duì)機(jī)器人教育的支持，但更離不開(kāi)有效教學(xué)模式對(duì)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(xiàng)目（Project-Based Learning，簡(jiǎn)稱PBL）的教學(xué)方法，用做項(xiàng)目來(lái)驅(qū)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)。并且，以分組、配對(duì)的形式讓學(xué)生合作完成項(xiàng)目規(guī)定的任務(wù)?，F(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(dú)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(huì)，只注重完成教師給出的項(xiàng)目，不利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；還有合作學(xué)習(xí)時(shí)的角色固化，組內(nèi)成員通常只負(fù)責(zé)自己擅長(zhǎng)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(duì)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?cè)诟?jìng)賽機(jī)器人課程實(shí)踐教學(xué)中采用了對(duì)抗訓(xùn)練模式，其不斷完善并逐漸體現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，為提高我校競(jìng)賽機(jī)器人課程教學(xué)質(zhì)量發(fā)揮了作用。[7]

二、對(duì)抗訓(xùn)練模式概述

呂超等人認(rèn)為，對(duì)抗訓(xùn)練即在教學(xué)過(guò)程中為學(xué)生構(gòu)建對(duì)抗場(chǎng)景，給學(xué)生設(shè)定對(duì)抗項(xiàng)目，讓學(xué)生展開(kāi)對(duì)抗來(lái)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(kāi)展機(jī)器人對(duì)抗活動(dòng)的過(guò)程中得到提升。不過(guò)，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?cè)O(shè)計(jì)了新的對(duì)抗訓(xùn)練模式。相比以往的對(duì)抗訓(xùn)練，它主要有兩點(diǎn)變化：

（1）教師不設(shè)定對(duì)抗項(xiàng)目，只給出要學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)，要求學(xué)生在掌握全部知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上自行設(shè)計(jì)機(jī)器人對(duì)抗項(xiàng)目。

（2）基于配對(duì)學(xué)習(xí)[2]，一名學(xué)生扮演“守衛(wèi)員”，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)機(jī)器人對(duì)抗項(xiàng)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(duì)抗項(xiàng)目中設(shè)定的所有任務(wù)。

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

圖1是該對(duì)抗訓(xùn)練模式的教學(xué)過(guò)程，其中包括5個(gè)階段：

（1）先備知識(shí)測(cè)試，是對(duì)學(xué)生的機(jī)器人知識(shí)水平做評(píng)估，分優(yōu)、良、中、差4個(gè)等級(jí)。其中，評(píng)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(shí)并通過(guò)測(cè)試。

（2）配對(duì)，是依據(jù)先備知識(shí)測(cè)試結(jié)果將同一等級(jí)的學(xué)生兩兩結(jié)對(duì)。

（3）對(duì)抗訓(xùn)練，是整個(gè)教學(xué)過(guò)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(kāi)展“出題”和“挑戰(zhàn)”的對(duì)抗活動(dòng)。

（4）結(jié)果檢查，是教師對(duì)對(duì)抗訓(xùn)練階段“守衛(wèi)員”設(shè)計(jì)的機(jī)器人對(duì)抗項(xiàng)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(duì)抗項(xiàng)目，并將那些優(yōu)秀機(jī)器人對(duì)抗項(xiàng)目布置給其他學(xué)生“挑戰(zhàn)”，最后還要評(píng)講這些項(xiàng)目。

另外，為了保證對(duì)抗訓(xùn)練教學(xué)的正常開(kāi)展、達(dá)到實(shí)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(shí)踐指導(dǎo)教師清楚實(shí)踐教學(xué)目的及學(xué)生必須掌握的知識(shí)點(diǎn)，有能力引導(dǎo)學(xué)生參與對(duì)抗訓(xùn)練并把控學(xué)生的對(duì)抗訓(xùn)練進(jìn)度，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題并加以處理。

（2）要求實(shí)踐指導(dǎo)教師事先設(shè)計(jì)機(jī)器人知識(shí)水平評(píng)估方法和相關(guān)題目，并盡可能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)學(xué)生的機(jī)器人知識(shí)水平。能給評(píng)價(jià)為“差”的學(xué)生提供幫助，讓他們盡快具備參與對(duì)抗訓(xùn)練的知識(shí)基礎(chǔ)。

（3）要求實(shí)踐指導(dǎo)教師在學(xué)生配對(duì)結(jié)束后，給學(xué)生提供詳細(xì)的實(shí)踐指導(dǎo)書(shū)，對(duì)學(xué)生要設(shè)計(jì)的機(jī)器人對(duì)抗項(xiàng)目所包含的知識(shí)點(diǎn)做規(guī)定，但要注意難度控制。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)員要確保實(shí)驗(yàn)設(shè)備完備、可用。

（4）要求學(xué)生課前預(yù)習(xí)，包括弄懂對(duì)抗訓(xùn)練流程、明確實(shí)踐任務(wù)、補(bǔ)充技術(shù)知識(shí)等。特別是在對(duì)抗訓(xùn)練階段，配對(duì)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(jì)的項(xiàng)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(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的管理，盡可能多地給學(xué)生提供場(chǎng)地和設(shè)備，讓他們有更多的機(jī)會(huì)開(kāi)展對(duì)抗訓(xùn)練，提高機(jī)器人技術(shù)水平。特別是那些評(píng)價(jià)為“差”的學(xué)生，更應(yīng)借助開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室多加學(xué)習(xí)，爭(zhēng)取早日進(jìn)入對(duì)抗訓(xùn)練階段。

三、對(duì)抗訓(xùn)練模式應(yīng)用

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

首先，指導(dǎo)教師利用之前設(shè)計(jì)好的先備知識(shí)測(cè)試題評(píng)估學(xué)生的機(jī)器人知識(shí)水平。如表2所示，該模塊的先備知識(shí)測(cè)試題囊括了機(jī)器人程序設(shè)計(jì)的4個(gè)方面。評(píng)估時(shí)，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(jì)能力，并將其水平評(píng)定為優(yōu)、良、中、差。

在對(duì)抗訓(xùn)練階段，針對(duì)學(xué)生必須完成的4次對(duì)抗，指導(dǎo)教師給出了在設(shè)計(jì)每個(gè)機(jī)器人對(duì)抗項(xiàng)目時(shí)要包括的知識(shí)點(diǎn)，如表3所示。其它對(duì)抗項(xiàng)目包括的知識(shí)點(diǎn)由學(xué)生自行確定。另外，學(xué)生在對(duì)抗訓(xùn)練過(guò)程中要使用表4做記錄，并按照固定模板記下每個(gè)對(duì)抗項(xiàng)目的名稱、知識(shí)點(diǎn)、內(nèi)容及對(duì)抗方案的實(shí)現(xiàn)。

四、教學(xué)效果

在2016到2017學(xué)年的第二學(xué)期，我們?cè)?014級(jí)計(jì)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(duì)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(shí)測(cè)試讓學(xué)生感到了壓力，促進(jìn)學(xué)生自覺(jué)、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(duì)機(jī)器人技術(shù)的掌握。

（2）學(xué)生配對(duì)對(duì)抗訓(xùn)練，激發(fā)了學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，愿意花更多精力、時(shí)間去設(shè)計(jì)項(xiàng)目和挑戰(zhàn)項(xiàng)目。并且，讓水平接近的學(xué)生配對(duì)，旗鼓相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)讓學(xué)生更喜歡這種對(duì)抗活動(dòng)。

（3）由學(xué)生設(shè)計(jì)機(jī)器人對(duì)抗項(xiàng)目，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)大膽設(shè)想，提出了不少創(chuàng)意項(xiàng)目，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新能力。這些項(xiàng)目申請(qǐng)后，還獲得了“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目”和“攀登計(jì)劃”廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)。

（4）設(shè)計(jì)對(duì)抗項(xiàng)目要完成文檔的撰寫(xiě)，增強(qiáng)了學(xué)生的寫(xiě)作能力。同時(shí)，回答對(duì)手提出的疑問(wèn)也鍛煉了學(xué)生的表達(dá)能力。

（5）優(yōu)秀機(jī)器人對(duì)抗項(xiàng)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(wú)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(shí)驗(yàn)室將來(lái)發(fā)展為創(chuàng)客空間提供了經(jīng)驗(yàn)樣例及奠定了基礎(chǔ)。

統(tǒng)計(jì)學(xué)生對(duì)抗訓(xùn)練記錄的耗時(shí)情況表明，在沒(méi)有對(duì)設(shè)計(jì)機(jī)器人對(duì)抗項(xiàng)目限時(shí)的情況下，“守衛(wèi)者”的設(shè)計(jì)進(jìn)度對(duì)整個(gè)對(duì)抗訓(xùn)練進(jìn)程影響較大。但如果采取限時(shí)，又有可能影響到設(shè)計(jì)機(jī)器人對(duì)抗項(xiàng)目的質(zhì)量。怎樣既能節(jié)約時(shí)間，又能得到高質(zhì)量的機(jī)器人對(duì)抗項(xiàng)目是我們往后應(yīng)用該教學(xué)模式時(shí)需要做深入改革的地方。

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（編輯：王天鵬）