以游戲?yàn)檩d體的高中機(jī)器人教學(xué)研究與實(shí)踐

孫念龍 王燕

摘 要：隨著教育觀念的不斷發(fā)展，人們意識(shí)到合理使用游戲化教學(xué)可以使學(xué)生集中注意力、高漲學(xué)習(xí)熱情、開拓研究思維。以游戲?yàn)檩d體的機(jī)器人教學(xué)研究擬尋找貼近學(xué)生實(shí)際的游戲元素，探究出一種進(jìn)階式的游戲教學(xué)模式。游戲是載體，知識(shí)學(xué)習(xí)是根本，游戲化教學(xué)對(duì)教師提出了新的要求，游戲設(shè)計(jì)應(yīng)遵循適度利用、合理選擇的原則，并且在游戲設(shè)置時(shí)應(yīng)更關(guān)注學(xué)生綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：游戲; 機(jī)器人; 教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G434? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-3315（2019）04-020-002

凱文·韋巴赫和丹·亨特認(rèn)為，教育和工作其實(shí)就是游戲。[1]以游戲?yàn)檩d體的教學(xué)研究并不是一個(gè)新鮮的話題，在學(xué)前教育和基礎(chǔ)教育中極為常見，但在以高考為指揮棒的高中階段卻并不多見。相關(guān)研究表明，游戲化學(xué)習(xí)有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)力，發(fā)展認(rèn)知能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力、問題解決能力、協(xié)作能力等高階能力。[2]游戲化學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)了寓教于樂的教育理念，凸顯了游戲?qū)逃闹С肿饔?。[3]因此，努力回歸以興趣為主導(dǎo)的課堂教學(xué)，讓學(xué)生在玩中學(xué)、學(xué)中玩，以期在更大程度上緩解學(xué)習(xí)壓力、激發(fā)學(xué)習(xí)熱情、增加學(xué)習(xí)動(dòng)力。

一、以游戲?yàn)檩d體的高中機(jī)器人教學(xué)設(shè)計(jì)分析

高中機(jī)器人課程融合了數(shù)學(xué)、物理、機(jī)械、計(jì)算機(jī)等多門學(xué)科知識(shí)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的Problem-Solving解決實(shí)際問題的能力和Teamwork團(tuán)隊(duì)合作精神。以游戲?yàn)檩d體的機(jī)器人教學(xué)主要是基于機(jī)器人構(gòu)件、計(jì)算機(jī)平臺(tái)，結(jié)合游戲化的任務(wù)設(shè)置，讓學(xué)生掌握機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)，提高相關(guān)技能。

游戲的設(shè)計(jì)在整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)中處于核心地位，它是利用游戲本身對(duì)學(xué)生的吸引力來激發(fā)學(xué)生的興趣，將教學(xué)過程游戲化、游戲活動(dòng)情境化，達(dá)到完善教學(xué)設(shè)計(jì)、優(yōu)化教學(xué)過程的目的。教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)直接影響到教學(xué)過程和教學(xué)效果。因此，結(jié)合游戲的趣味性、開放性、交流性及進(jìn)階性等特性，尋找切近學(xué)生實(shí)際的游戲元素，根據(jù)教學(xué)需要發(fā)現(xiàn)其中的關(guān)聯(lián)，并且探究出一種進(jìn)階式的游戲教學(xué)模式：入門篇——任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué);進(jìn)階篇——組隊(duì)訓(xùn)練教學(xué);終級(jí)篇——對(duì)抗PK教學(xué)。

在機(jī)器人教學(xué)的一系列游戲中，學(xué)生每完成一項(xiàng)階段任務(wù)就可以獲得相應(yīng)的點(diǎn)數(shù)和徽章。獲得一定數(shù)量的點(diǎn)數(shù)，可以進(jìn)階下一個(gè)項(xiàng)目;得到一定點(diǎn)數(shù)或完成某項(xiàng)特殊任務(wù)可以換一個(gè)徽章。最后對(duì)點(diǎn)數(shù)、徽章進(jìn)行排名。以游戲?yàn)檩d體，將游戲的思維、游戲的方式應(yīng)用到教學(xué)中，以其特有的趣味性、粘合性和刺激性來提高學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度，激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，達(dá)成預(yù)定目標(biāo)。

二、以游戲?yàn)檩d體的高中機(jī)器人教學(xué)實(shí)施

（一）入門篇——任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)

作為課程的第一個(gè)游戲任務(wù)，適用于入門級(jí)的學(xué)生，側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作技能，不宜過難，但又應(yīng)具有一定的挑戰(zhàn)性。它在教學(xué)設(shè)計(jì)中將作為學(xué)習(xí)者操作練習(xí)的工具，具有多樣性、個(gè)體性的特點(diǎn)。[4]這兩個(gè)特點(diǎn)在游戲中維持學(xué)生對(duì)操作與練習(xí)的興趣，讓一成不變的傳統(tǒng)教學(xué)練習(xí)變得靈活生動(dòng)。

1.游戲目標(biāo)。本階游戲任務(wù)為機(jī)器人高爾夫，要求機(jī)器人從起點(diǎn)出發(fā)，沿黑線行走，到指定位置揮動(dòng)機(jī)械臂進(jìn)行擊球操作。沿途共有5個(gè)小球，機(jī)器人擊完5個(gè)小球后在終點(diǎn)停止，場(chǎng)地如圖1所示。

通過本階段的學(xué)習(xí)，主要讓學(xué)生熟悉機(jī)器人的組成部件、了解機(jī)器人的各種傳感器、初步了解機(jī)器人的編程方式，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)器人學(xué)習(xí)的興趣。

2.游戲過程。本階段學(xué)生處于剛接觸機(jī)器人的階段，對(duì)機(jī)器人一無所知，因此本階段首先重點(diǎn)講解機(jī)器人的構(gòu)造、工作原理、傳感器、組裝。此時(shí)學(xué)生會(huì)迫不及待的組裝自己的機(jī)器人，而在游戲設(shè)計(jì)之初沒有必要限定機(jī)器人的形態(tài)，讓學(xué)生小組內(nèi)討論拼搭機(jī)器人的形式，可以是機(jī)器小車、機(jī)器蜘蛛等。在拼搭的過程中老師適時(shí)進(jìn)行小組指導(dǎo)，如提醒注意手臂的長度、傳感器的位置等。

機(jī)器人每跑完一段計(jì)1個(gè)點(diǎn)數(shù)，跑完全程計(jì)6個(gè)點(diǎn)數(shù);機(jī)器人每擊一個(gè)小球計(jì)1個(gè)點(diǎn)數(shù);小球被擊進(jìn)洞（經(jīng)過圓心位置）得1枚徽章;過程中手動(dòng)干預(yù)一次扣一個(gè)點(diǎn)數(shù)。完成本游戲任務(wù)后共可得11個(gè)點(diǎn)數(shù)和5枚徽章。

本階段任務(wù)可組織多場(chǎng)活動(dòng)，避免由于各種原因產(chǎn)生的打分不科學(xué)、不合理等現(xiàn)像。本階段所有點(diǎn)數(shù)和徽章均為客觀得分，不會(huì)因?yàn)榍榫w原因造成得分的偏差。

拼搭完成后，教師統(tǒng)一講解編程和傳感器的使用。在機(jī)器人高爾夫的圖紙中我們會(huì)看到前5段是完全一樣的路徑，因此我們可以引導(dǎo)學(xué)生試著通過5次循環(huán)來解決5次打球的問題，而不是每個(gè)路徑都編寫一段代碼。

最后通過多次比賽活動(dòng)得出各機(jī)器人的點(diǎn)數(shù)和徽章，進(jìn)入下一階段的游戲。

3.游戲總結(jié)。任務(wù)驅(qū)動(dòng)模式教學(xué)可以讓學(xué)生跟著任務(wù)走，讓學(xué)生在快樂中學(xué)到知識(shí)，但在此過程中由于物理、數(shù)學(xué)知識(shí)的限制，有些同學(xué)在編程的過程中無法理解代碼的意思，特別是5次循環(huán)，因此在游戲前可以再加強(qiáng)部分知識(shí)的拓展、思維的訓(xùn)練。

（二）進(jìn)階篇——組隊(duì)訓(xùn)練教學(xué)

在游戲中可邀請(qǐng)不同的玩家一同進(jìn)行完成任務(wù)、升級(jí)打怪等活動(dòng)。在活動(dòng)中，一個(gè)人的行為讓其他成員都能夠享受到獎(jiǎng)勵(lì)的形式稱為組隊(duì)。組隊(duì)的特點(diǎn)是成員相互配合，“一榮俱榮”、“一損俱損”。一個(gè)成員的得失可能影響整個(gè)團(tuán)隊(duì)的得分。

以小組學(xué)習(xí)、小組之間合作方式讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，遇到問題小組論討解決，解決不了的還可以小組之間討論。充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生在自我挑戰(zhàn)、協(xié)作共進(jìn)的過程中體驗(yàn)創(chuàng)造和成功的喜悅。

1.游戲目標(biāo)。通過本階段的教學(xué)需讓學(xué)生更好的了解光電傳感器、觸碰傳感器及其工作原理，了解程序的分支結(jié)構(gòu)，并能畫出流程圖。

2.游戲過程。本階段游戲需4臺(tái)機(jī)器人同時(shí)組隊(duì)參加，由該隊(duì)的組長負(fù)責(zé)組織和協(xié)調(diào)工作。4臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行接力比賽，第一臺(tái)機(jī)器人可以手動(dòng)啟動(dòng)，其它三臺(tái)機(jī)器人都需由前面的機(jī)器人碰撞而后啟動(dòng)，碰撞后第一臺(tái)機(jī)器人應(yīng)停止運(yùn)動(dòng)，第四臺(tái)機(jī)器人應(yīng)在終點(diǎn)處停止。場(chǎng)地如圖2。

每一臺(tái)機(jī)器人完成路徑行走及碰撞后停止得1個(gè)點(diǎn)數(shù)，最短時(shí)間完成此項(xiàng)目的小隊(duì)得1枚徽章。本項(xiàng)目所得點(diǎn)數(shù)和徽章應(yīng)記入每臺(tái)機(jī)器人的得分中。

學(xué)生已經(jīng)對(duì)該階段機(jī)器人有了全面的了解，因此教師對(duì)機(jī)器人不需要做過多的講解，只需把游戲任務(wù)講解清楚。然后由第一臺(tái)機(jī)器人的小組負(fù)責(zé)對(duì)四臺(tái)機(jī)器人搭建的統(tǒng)一設(shè)計(jì)，由編程組對(duì)四臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

此階段的主要教學(xué)目標(biāo)為光電傳感器和碰撞傳感器，因此在游戲過程中需讓學(xué)生體會(huì)到不同的光，如早晚太陽光、日光燈的光對(duì)光電傳感器的影響;碰撞力度不同對(duì)機(jī)器人的影響。編程時(shí)需學(xué)生畫出流程圖，并思考如何在不完成整個(gè)游戲的情況下盡可能縮短時(shí)間。

3.游戲總結(jié)。游戲活動(dòng)涉及到4個(gè)小組的分工協(xié)作，要求組長具有較強(qiáng)的協(xié)調(diào)分配能力。同時(shí)由于組隊(duì)活動(dòng)造成實(shí)際操作人員的過剩，有的學(xué)生只能旁觀，這就需要小組長加強(qiáng)管理，督促觀察記錄。理論和實(shí)踐的統(tǒng)一還需進(jìn)一步加強(qiáng)。

（三）終級(jí)篇——對(duì)抗PK教學(xué)

PK（Player Killing）是指游戲中高等級(jí)玩家之間的對(duì)決。PK模式也是游戲中最為刺激和吸引人的一種模式，在這種模式中分為“攻擊者”和“守衛(wèi)者”兩個(gè)角色，二者通過單獨(dú)對(duì)決的方式得出勝負(fù)，從而守住領(lǐng)地。

在教學(xué)中可通過預(yù)先設(shè)定好的對(duì)抗項(xiàng)目，“攻擊者”、“守衛(wèi)者”以打擂臺(tái)的方式進(jìn)行多輪對(duì)抗，直到最后得出勝利者。

1.游戲目標(biāo)。通過本階段的教學(xué)，讓學(xué)生更好的了解機(jī)器人的組成和搭建，深入了解機(jī)器人的編程知識(shí)。

2.游戲過程。本游戲需兩臺(tái)機(jī)器人同時(shí)參加PK，兩臺(tái)機(jī)器人從各自的投球點(diǎn)出發(fā)至取球點(diǎn)取到球后返回投入自家的投球點(diǎn)，可反復(fù)取球投球直至取球點(diǎn)的球全部取完，取球多者獲勝。每臺(tái)機(jī)器人可以參加4次，分別以點(diǎn)數(shù)和徽章之和記入總分。場(chǎng)地如圖3。

在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，隨機(jī)抽取兩個(gè)機(jī)器人PK。機(jī)器人取一個(gè)球得1個(gè)點(diǎn)數(shù)，本輪獲勝方得1枚徵章。

3.游戲總結(jié)。投球PK賽是所有機(jī)器人知識(shí)的綜合運(yùn)用階段，也是整個(gè)機(jī)器人游戲課程的高潮部分。在這一階段，學(xué)生已經(jīng)能夠根據(jù)每個(gè)階段的任務(wù)自主設(shè)計(jì)搭建機(jī)器人結(jié)構(gòu)，也能夠設(shè)計(jì)流程編寫機(jī)器人程序。由于機(jī)器人的程序調(diào)試是一個(gè)既考驗(yàn)知識(shí)技能，也鍛煉性格的過程，所以本階段的游戲重點(diǎn)在于深入培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)器人的教育情感。

三、以游戲?yàn)檩d體的高中機(jī)器人教學(xué)反思

在當(dāng)今的課堂教學(xué)中，游戲化教學(xué)模式備受學(xué)生青睞，但游戲只是教學(xué)的載體，知識(shí)的獲取才是根本，利用游戲的趣味性、互動(dòng)性、競(jìng)爭(zhēng)性等特性，讓學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)，回歸教育以“興趣”教學(xué)為主的本質(zhì)。為更好的組織游戲化教學(xué)，應(yīng)注意以下問題。

（一）游戲化教學(xué)對(duì)教師提出的新要求

游戲化教學(xué)要求教師不斷探索并創(chuàng)新教學(xué)模式，其設(shè)計(jì)要求是教師融合教學(xué)內(nèi)容、連貫教學(xué)環(huán)節(jié)、突出教學(xué)目標(biāo)。教師除了常規(guī)的教學(xué)設(shè)計(jì)之外，需要在滲透了游戲的教學(xué)環(huán)境中研究各教學(xué)環(huán)節(jié)之間的重要并復(fù)雜的關(guān)系，然后根據(jù)教學(xué)情境選擇合適的游戲、分析游戲結(jié)果、反饋教學(xué)效果，不斷調(diào)整確定最終游戲設(shè)計(jì)方案。另外，游戲化教學(xué)對(duì)教師掌握課堂教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)目標(biāo)的熟練程度提出了更高的要求，其有效性取決于教師對(duì)整個(gè)教學(xué)過程的把控水平。教師在積極探索游戲化教學(xué)方式時(shí)，不僅要吃透學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)，還需要研究游戲化教學(xué)模式。在教學(xué)過程中能夠靈活創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)計(jì)合適方案，有的放矢的開展教學(xué)。

（二）游戲設(shè)計(jì)應(yīng)遵循適度利用、合理選擇的原則

在機(jī)器人教學(xué)中使用游戲是一種教學(xué)手段，作為教學(xué)手段的利用應(yīng)該遵循適度利用、合理選擇的原則。首先，需要明確的是游戲設(shè)計(jì)是教學(xué)過程中的充分條件，而非必要條件。教師利用游戲設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生的興趣愛好，達(dá)到預(yù)定的教學(xué)目標(biāo)，但并不是每節(jié)課都要有游戲設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。游戲設(shè)計(jì)的內(nèi)容圍繞不同的教學(xué)目的和教學(xué)內(nèi)容展開，使得教學(xué)過程內(nèi)容豐富、形式多樣，教學(xué)效果事半功倍。其次，游戲設(shè)計(jì)的內(nèi)容選擇應(yīng)契合教學(xué)內(nèi)容，其中游戲設(shè)計(jì)的難度及其挑戰(zhàn)性是教師考慮的重要因素之一。

（三）游戲設(shè)置應(yīng)注重學(xué)生綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)

受傳統(tǒng)觀念的影響，大多數(shù)人都對(duì)游戲有偏見，覺得游戲會(huì)讓人玩物喪志。但隨著教育觀念的不斷發(fā)展，項(xiàng)目教學(xué)的深入研究，人們也意識(shí)到合理使用游戲化教學(xué)可以使學(xué)生的注意力更加集中、學(xué)習(xí)熱情更加高漲、研究思維更加開闊。合理的游戲化教學(xué)可以給學(xué)生帶來新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，讓學(xué)生學(xué)得開心，同時(shí)還可以提高學(xué)生的社會(huì)交往能力。因此游戲化的教學(xué)要注重對(duì)學(xué)生智力因素和非智力因素的雙重培養(yǎng)。在智力因素方面，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的注意力、觀察力、邏輯思維、想象力;在非智力因素方面，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的興趣與愛好、耐挫力和意志力，發(fā)展自信、活潑的性格等。教育既要“解惑”，又要“授道”，以文化為基礎(chǔ)，培養(yǎng)科學(xué)精神、促進(jìn)自主發(fā)展、提高社會(huì)參與，明確責(zé)任擔(dān)當(dāng)，注重學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

本文系江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2018年度課題“以立德樹人為導(dǎo)向的我國高校教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用研究”（批準(zhǔn)號(hào)為：C-c/2018/01/31）階段研究成果。

本文系江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究2018年度課題“教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究”（批準(zhǔn)號(hào)為：2018-R-66242）階段研究成果。

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