高效的虛擬機(jī)器人競(jìng)賽輔導(dǎo)策略

摘 要：虛擬機(jī)器人競(jìng)賽是指利用仿真機(jī)器人軟件開(kāi)展機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)，其開(kāi)展費(fèi)用較低、操作簡(jiǎn)便，易推廣和使用，對(duì)提高學(xué)生的信息技術(shù)素養(yǎng)和科技素養(yǎng)有著巨大的促進(jìn)作用，因此許多中小學(xué)都開(kāi)展了這項(xiàng)教育活動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，文章作者結(jié)合近年的競(jìng)賽輔導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)，探討了高中開(kāi)展虛擬機(jī)器人競(jìng)賽輔導(dǎo)的策略，以期為高中進(jìn)行高效的競(jìng)賽輔導(dǎo)提供參考。

關(guān)鍵詞：虛擬機(jī)器人;競(jìng)賽;輔導(dǎo)策略

中圖分類(lèi)號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 收稿日期：2019-12-14 文章編號(hào)：1674-120X（2020）18-0117-02

一、虛擬機(jī)器人競(jìng)賽開(kāi)展的背景

中學(xué)機(jī)器人競(jìng)賽作為一項(xiàng)教育活動(dòng)，不但能培養(yǎng)學(xué)生的工程思維、動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，而且對(duì)提升學(xué)生的信息素養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)有著促進(jìn)作用，是提高中學(xué)生綜合素質(zhì)的一條重要途徑。然而，競(jìng)賽機(jī)器人價(jià)格昂貴，競(jìng)賽活動(dòng)被生產(chǎn)商把持，學(xué)生訓(xùn)練需要一定規(guī)模的場(chǎng)地，參賽人數(shù)有限，這些缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了這項(xiàng)教育活動(dòng)的開(kāi)展。據(jù)一項(xiàng)調(diào)查，廣東省的機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)，88.32%參賽隊(duì)伍來(lái)自珠三角發(fā)達(dá)地區(qū)，而即使在這些地區(qū)，也僅有少數(shù)的市區(qū)重點(diǎn)學(xué)校能夠開(kāi)展。

近年來(lái)，隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)展虛擬機(jī)器人競(jìng)賽的技術(shù)環(huán)境不斷成熟，虛擬機(jī)器人競(jìng)賽的優(yōu)勢(shì)逐漸體現(xiàn)。虛擬機(jī)器人競(jìng)賽是指利用仿真軟件開(kāi)展智能機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)。學(xué)生通過(guò)電腦和網(wǎng)絡(luò)，在仿真系統(tǒng)中開(kāi)展智能機(jī)器人學(xué)習(xí)和研究，模擬實(shí)物機(jī)器人一切功能和動(dòng)作，如組裝虛擬機(jī)器人、編輯虛擬環(huán)境、編寫(xiě)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)程序、控制機(jī)器人在特定環(huán)境中按指定規(guī)則完成任務(wù)等。與實(shí)體機(jī)器人競(jìng)賽相比，虛擬機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)只需使用普通計(jì)算機(jī)，成本較低，并適合在學(xué)校中大規(guī)模開(kāi)展。截至目前，中小學(xué)虛擬機(jī)器人競(jìng)賽中先后出現(xiàn)虛擬足球、虛擬滅火、智能快遞、虛實(shí)結(jié)合、九宮探險(xiǎn)等比賽項(xiàng)目。在各種虛擬機(jī)器人比賽項(xiàng)目中，廣州市教育信息中心開(kāi)發(fā)的“虛擬快遞”“虛實(shí)結(jié)合”最具代表性。這兩個(gè)項(xiàng)目通過(guò)政府立項(xiàng)投資、企業(yè)協(xié)同開(kāi)發(fā)的方式進(jìn)行，免費(fèi)提供給全省中小學(xué)生使用，特別是“智能快遞”項(xiàng)目，因其學(xué)習(xí)難度低、趣味性強(qiáng)，不僅在廣州，在廣東省其他各地市的中小學(xué)都有大規(guī)模的學(xué)習(xí)和比賽。

農(nóng)村學(xué)校受制于資金、場(chǎng)地，無(wú)法大規(guī)模開(kāi)展實(shí)體機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)。虛擬機(jī)器人的出現(xiàn)，為這類(lèi)學(xué)校提供了一個(gè)開(kāi)展機(jī)器人教育活動(dòng)的有效途徑。作為一所農(nóng)村學(xué)校，廣東省佛山市南海區(qū)羅村高級(jí)中學(xué)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“我?！保┳?016年開(kāi)始，開(kāi)設(shè)了“智能快遞”“虛實(shí)結(jié)合”“九宮探險(xiǎn)”競(jìng)賽項(xiàng)目，并把“智能快遞”作為校本課程，在信息技術(shù)課上進(jìn)行大班教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣濃厚，取得了良好效果。

二、高效的競(jìng)賽輔導(dǎo)策略

高效的競(jìng)賽輔導(dǎo)是取得優(yōu)秀成績(jī)的前提。近三年，我校參賽隊(duì)伍代表地市參加中小學(xué)生電腦制作活動(dòng)的機(jī)器人競(jìng)賽廣東省決賽，在“智能快遞”“虛實(shí)結(jié)合”項(xiàng)目取得一等獎(jiǎng)一次、二等獎(jiǎng)兩次、三等獎(jiǎng)多次的好成績(jī)。下面，筆者結(jié)合在虛擬機(jī)器人競(jìng)賽輔導(dǎo)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題和解決問(wèn)題的辦法，探討高中開(kāi)展虛擬機(jī)器人競(jìng)賽輔導(dǎo)的策略。

（一）團(tuán)隊(duì)研究，提升教師水平

機(jī)器人融合了信息技術(shù)、機(jī)械、電子等多個(gè)領(lǐng)域知識(shí)，教師在進(jìn)行教學(xué)輔導(dǎo)時(shí)，會(huì)碰到知識(shí)和技術(shù)上的各種難題。因此，必須通過(guò)資料搜索、學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)、培訓(xùn)等方式讓自己的專(zhuān)業(yè)能力得到提升與發(fā)展。

以“智能快遞”項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目并沒(méi)有完整的教程和資料，我們通過(guò)在搜索引擎中輸入關(guān)鍵詞進(jìn)行資料搜索，同時(shí)通過(guò)QQ群、座談會(huì)等形式向具有競(jìng)賽輔導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)的教師請(qǐng)教，獲取該項(xiàng)目開(kāi)展的相關(guān)資料和經(jīng)驗(yàn)。機(jī)器人控制程序是虛擬機(jī)器人的核心，我們?nèi)唤處熢陂_(kāi)展輔導(dǎo)前，認(rèn)真研究各個(gè)項(xiàng)目，分析、參透規(guī)則，設(shè)計(jì)高效、穩(wěn)定、模塊化的控制程序，然后帶領(lǐng)學(xué)生一起研究、設(shè)計(jì)并制訂可行的競(jìng)賽訓(xùn)練方案。根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)，還有實(shí)驗(yàn)的結(jié)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(xué)生現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試機(jī)器人騰出更多的時(shí)間。

（二）大班教學(xué)，選拔參賽學(xué)生

選拔優(yōu)秀學(xué)生參加競(jìng)賽是虛擬機(jī)器人競(jìng)賽的重要一環(huán)。參加虛擬機(jī)器人競(jìng)賽的學(xué)生必須對(duì)機(jī)器人項(xiàng)目、程序設(shè)計(jì)有濃厚的學(xué)習(xí)興趣，還必須具備較強(qiáng)的自學(xué)能力、動(dòng)手能力、與他人溝通的能力。另外，高中生的學(xué)習(xí)壓力非常大，參加競(jìng)賽的學(xué)生必須成績(jī)相對(duì)較好，學(xué)有余力，不能因?yàn)閰⒓痈?jìng)賽而影響了文化課的學(xué)習(xí)。

為了選拔最優(yōu)秀的學(xué)生，我校在高一的信息技術(shù)課開(kāi)設(shè)“智能快遞”項(xiàng)目校本課程，面向所有高一學(xué)生普及機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)，讓學(xué)生了解“智能快遞”項(xiàng)目中基本的馬達(dá)、傳感器知識(shí);掌握利用程序驅(qū)動(dòng)快遞車(chē)行進(jìn)、巡線、轉(zhuǎn)彎、接收快遞等基本競(jìng)賽任務(wù)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)課程考核、填報(bào)競(jìng)賽意向表，結(jié)合學(xué)生的文化課成績(jī)，初步選拔出參賽學(xué)生。之后，利用校本選修課，組織這些學(xué)生進(jìn)行《C語(yǔ)言基礎(chǔ)》《“智能快遞”文本編程課》教程的學(xué)習(xí)，最后通過(guò)綜合設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行考核，篩選出最合適的人選加入虛擬機(jī)器人競(jìng)賽小組。對(duì)小組成員，采用導(dǎo)師制形式，根據(jù)不同項(xiàng)目的競(jìng)賽任務(wù)和規(guī)則，由不同教師進(jìn)行一對(duì)一的指導(dǎo)。

（三）課程開(kāi)發(fā)，形成教學(xué)體系

虛擬機(jī)器人競(jìng)賽是一項(xiàng)基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教育實(shí)踐活動(dòng)，現(xiàn)階段沒(méi)有符合競(jìng)賽輔導(dǎo)要求的完整教材與課程，開(kāi)發(fā)校本課程是開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)的一項(xiàng)重要工作。作為農(nóng)村學(xué)校，我校學(xué)生的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、自學(xué)能力薄弱?；谶@些特點(diǎn)，并充分利用現(xiàn)有的資源，我校開(kāi)發(fā)了適合學(xué)生個(gè)性發(fā)展和潛能開(kāi)發(fā)的校本課程。課程分為兩個(gè)部分，一個(gè)是面向全體學(xué)生的普及型大班課程，另一個(gè)是針對(duì)接受競(jìng)賽輔導(dǎo)的學(xué)生的文本編程課程。前者內(nèi)容包括小車(chē)組裝、巡線、轉(zhuǎn)彎、抓取快遞等基本任務(wù);以圖形編程為主要形式;以學(xué)生完成一個(gè)任務(wù)，順利達(dá)到終點(diǎn)作為最終的考核目標(biāo)。后者內(nèi)容包括文本編程基礎(chǔ)知識(shí)、各種功能函數(shù)的理解和應(yīng)用，以競(jìng)賽的考評(píng)規(guī)則作為考核的目標(biāo)。經(jīng)過(guò)兩年的教學(xué)實(shí)踐和不斷改進(jìn)、完善，形成了從目標(biāo)、內(nèi)容到評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的完整體系。

（四）策略制訂，提升競(jìng)賽成績(jī)

綜合考慮虛擬機(jī)器人項(xiàng)目特點(diǎn)、學(xué)生基礎(chǔ)、訓(xùn)練時(shí)間，選擇合適的訓(xùn)練輔導(dǎo)方案和競(jìng)賽策略，是競(jìng)賽取得優(yōu)異成績(jī)的關(guān)鍵。高中學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)繁重，每天能夠擠出來(lái)訓(xùn)練的時(shí)間不多。在訓(xùn)練時(shí)間不足的情況下，合理安排訓(xùn)練內(nèi)容，提高訓(xùn)練效率，是提高競(jìng)賽成績(jī)的重要途徑。我校采用文本編程，而不是大多數(shù)學(xué)校采用的圖形化編程，是為了盡量減少編程時(shí)間，使學(xué)生有更多的時(shí)間來(lái)完成調(diào)試和訓(xùn)練任務(wù)。然后，把訓(xùn)練任務(wù)分割成一個(gè)個(gè)獨(dú)立小項(xiàng)目，減少任務(wù)間的耦合度，讓學(xué)生每天在有限的訓(xùn)練時(shí)間內(nèi)，能夠完成一個(gè)小項(xiàng)目，有效降低了訓(xùn)練的難度。每?jī)芍芏ㄆ谂e行一次學(xué)生間的比賽，不僅可以讓學(xué)生在實(shí)戰(zhàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，改進(jìn)程序，還可以相互學(xué)習(xí)，相互促進(jìn)。

以“智能快遞”項(xiàng)目為例，學(xué)生學(xué)習(xí)了C語(yǔ)言基礎(chǔ)知識(shí)和智能快遞基礎(chǔ)知識(shí)后，逐漸進(jìn)入競(jìng)賽訓(xùn)練階段?！爸悄芸爝f”的競(jìng)賽規(guī)則是：在比賽現(xiàn)場(chǎng)公布運(yùn)行環(huán)境（地圖），學(xué)生于限定時(shí)間內(nèi)（90分鐘），在地圖上規(guī)劃出合理的快遞車(chē)行走路線，編寫(xiě)快遞車(chē)控制程序，控制快遞車(chē)沿著規(guī)定的路線行走，在3分鐘的時(shí)間內(nèi)，盡可能多地接收快遞，并把快遞送達(dá)終點(diǎn)，以接收快遞的多少和是否到達(dá)終點(diǎn)作為成績(jī)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)研究分析，我們發(fā)現(xiàn)比賽任務(wù)雖然復(fù)雜多變，但把它分割成各個(gè)小任務(wù)后，各個(gè)任務(wù)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(fā)點(diǎn)，我們把整個(gè)比賽任務(wù)分解為驅(qū)動(dòng)、巡線、轉(zhuǎn)彎、接收快遞等小任務(wù)，同時(shí)通過(guò)函數(shù)參數(shù)形式來(lái)解決任務(wù)間的差別，主要的功能函數(shù)如下表：

最后在主函數(shù)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地圖的實(shí)際情況，調(diào)用各個(gè)任務(wù)函數(shù)，構(gòu)成一個(gè)完整的比賽程序。

在競(jìng)賽前，教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行競(jìng)賽現(xiàn)場(chǎng)策略的指導(dǎo)。以“智能快遞”為例，首先，代碼編寫(xiě)必須規(guī)范，代碼要分段測(cè)試、編譯，以求盡快發(fā)現(xiàn)語(yǔ)法的錯(cuò)誤。其次，比賽初始階段要規(guī)劃好快遞車(chē)行走路線，并對(duì)路線進(jìn)行行走測(cè)試。再次，現(xiàn)場(chǎng)不要編寫(xiě)難度高、穩(wěn)定度差的程序，如倒車(chē)巡線、倒車(chē)轉(zhuǎn)彎。最后，在完成全程的基礎(chǔ)上去追求好成績(jī)，不能花費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)調(diào)整微小的參數(shù)。

（五）過(guò)程反思，積累輔導(dǎo)材料

學(xué)生參加競(jìng)賽后，輔導(dǎo)教師和學(xué)生都要做好反思和總結(jié)工作，對(duì)競(jìng)賽的完整過(guò)程，從學(xué)生選拔到訓(xùn)練到比賽進(jìn)行認(rèn)真檢討，好的經(jīng)驗(yàn)繼續(xù)保留，做得不好的地方要深挖原因，避免重復(fù)犯錯(cuò)。把檢討反思的過(guò)程形成書(shū)面材料，保存下來(lái)。這樣不僅能提高學(xué)生競(jìng)賽的水平，同時(shí)有助于輔導(dǎo)教師積累豐富的經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)方法。

三、結(jié)語(yǔ)

虛擬機(jī)器人競(jìng)賽綜合了信息技術(shù)、數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)，需要學(xué)生自主學(xué)習(xí)各科知識(shí)，融會(huì)貫通，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)、科學(xué)精神、實(shí)踐動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作精神具有重要作用。相信隨著機(jī)器人競(jìng)賽的發(fā)展和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日益成熟，虛擬機(jī)器人教育和競(jìng)賽將會(huì)得到更大范圍的普及。

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作者簡(jiǎn)介：林俊桂（1978—），男，廣東澄海人，一級(jí)教師，本科，研究方向：人工智能教育，機(jī)器人教育。