足球机器人对于技术课程的教育价值和实现策略

谢晓石

随着机器人技术和人工智能技术的发展，如何让多个智能体相互协调、协商来完成任务，即实现多智能体系统，已经成为新的研究热点[1]。作为多机器人系统的研究和实验模型，足球机器人系统是一个多学科交叉的前沿领域。本文结合笔者五年来在机器人社团的教学经历，分析足球机器人在技术课程中的教育价值及其实现策略。

足球机器人在技术课程中的教育价值

1. 使学生理论与实践相结合，提高动手能力、创造能力、协作能力和综合能力

足球机器人作为多机器人系统的典型代表，研究始于20世纪70年代。协作多机器人系统的快速发展体现为三个方面的相互影响：问题、系统和理论。为解决一个给定的问题，想象出一个系统，然后进行仿真、构建，借用其他领域的理论进行协作。对于中小学生，我们不可能奢求其能独立地设计出高效能芯片或是别人从未涉及过的发明创造。我们只是需要他们能在别人未过多研究的领域提出属于自己的创新点。所以，综合设计成果的多样性为学生提供了大量的创新机会。例如，竞赛规则限制每台足球机器人至多有三个驱动轮，怎样将三个直流电机合理地摆放在塑胶板上，就是一个极具挑战性的问题。这就需要学生经过大量反复的设计实验进行论证，得出有三种合理的摆放方法。其中正向轮摆放法属于常用方法，而左、右偏向轮摆放法则完全可以理解成一种创新。

2. 更灵活的技术教学、更有效的师生互动，培养学生的技术素养和创新精神

技术课程标准决定课程的教与学应立足于现实的生活环境，并以实际应用需求来获得相关技术理论，培养学生把课程知识转化为生活技能的能力，用于指导和解决在生活和学习中遇到的实际问题。紧扣这一精神，笔者选择设计了简易的轮式足球机器人，用于体现课标的核心思想。这里尤其要强调的是，一般我们在讲解感知系统时，都是片面地强调单个感知。使用足球机器人这一载体，学生就会形象直观地发现机器人能正确识别足球、己方队员和敌方队员，以便机器人能准确完成踢球、拦球、传球等动作，还有对机器人的自定位、方向、编号的识别就是靠感知系统这个眼睛在起作用的。这将引导学生利用生物学知识，运用仿生学的原理设计出各种优于人类感知器官的感知原件，甚至有学生直接找来生物教师与通用技术教师，讨论用仿生学的手段改进电子感知系统的可能性，使课堂瞬间进入到了一种自主、积极、充分互动的气氛当中。同时，这也是机器人感知系统研究的一个突破方向，学生创新能力的一种体现。

3. 学生经历简易智能机器人系统的制作过程，实现生活问题技术化的过程，体会用机器视角的问题思考法

机器人足球决策系统是整个系统的核心部分，起到了人类大脑中枢的作用。正因如此，对“大脑”的开发一直是学生热衷的方向，学校多名学生为使控制器支持一些深奥的算法，使机器人具有更强的智能性，部分改写过控制器的底层驱动。因此，教师在讲解机器人控制系统时，需更多地讲解控制器的底层驱动方法，方便有能力的学生进行更好的拓展。也有一部分学生联系实际，认为中学阶段研究的机器人不宜太复杂，重点在于程序的条理性。机器人足球本身又是一个有较高难度、较为复杂的竞赛项目，于是他们产生了另一种思路，即在控制器端把一个独立、复杂的程序分割成具有独立小功能的多个程序，如罚点球程序、对方坠球点进攻程序、己方坠球点防守程序，等等，就像人的大脑的各个部位控制各个部分的机体功能一样，我们称之为切盘。其实无论是哪种思路，笔者都认为这恰恰是学生已将机器人这一载体与人融为一体，实现生活问题技术化的过程。

足球機器人教学的实现策略

近年来，机器人成本的降低及教师们持续的关注和积极参与，使得机器人进入课堂的基础条件已基本具备。许多教师也尝试使用普及机器人、仿真机器人为载体进行教学，并取得了不错的成果，同时也发现了一些问题。一是小学、初中、高中开设的内容极为一致，造成了有基础的学生不想学，没基础的学生要花大量时间学。二是高中阶段很难大面积普及。学生面临高考压力，很难抽出大量时间学习机器人普及方面的内容，不少农村学校甚至大量挤压学生的技术课时间[2]。鉴于此，笔者分别从小学、初中、高中三个学段设计足球机器人教学的实现策略，形成一个递进的教学体系。

1. 小学阶段：以普及、激发学生兴趣为主

小学生的性格特点通常是对新事物既有新鲜感，但又不习惯，因而一时难以适应；对学习有好奇感，却很难专心听讲和独立完成任务[3]。在此阶段不适宜让学生承担难度较高、独立任务性较强的学习活动。设计总体策略让学生以单个足球机器人主框架为结构，以流程图的架构为实现手段，教师着重讲解机器人各元件的功能原理和流程图软件的使用方法，设计一定数量的简单任务，如低速走直线、S型线、圆形、正方形，让学生合作完成，激发学生的兴趣。尤为重要的是，必须从小培养学生良好的学习习惯，教师只能担当“授业者”的角色，而不是大包大揽，否则只能强化学生的虚荣心，而无法激发学生学习兴趣。

2. 初中阶段：以夯实基础、确立研究方向为主

学生进入初中阶段，更多的基础性课程逐步开设。随着所学科目的增多，如物理、化学的开设让学生更加理性地看待自己的学习过程，小学时学习的新鲜感也会消失，此外，学生的知识体系也愈发丰满起来。因此在初中阶段，教师可以尝试以足球机器人为模型，直接以程序语言（C语言）为手段，使用标准的机器人足球场地教导学生实现足球机器人的更多功能。

在这个过程中，既要教授学生各元件的性能参数、驱动原理，也要讲述实现各项功能的各个程序块。对于异常出色的学生，授课教师应能及时地甄别出来，再多讲些实用的、甚至有点深奥的算法，以拓宽学生视野，为其以后的学习做好铺垫。

3. 高中阶段：以体现学生创新思路、初级自主研发为主

进入高中阶段以后，基础较好的学生已经有了很强的理论支撑和程序编写能力，也具备了较强的自主学习能力、自我认识能力和团队协作能力。教师只需花很少时间告诉学生足球机器人发展的前沿动态和革新方向，而把重点放在引导学生开动脑筋把创新的理念转变为现实上。记得在一次青少年机器人大赛上，笔者发现有一支足球队伍的机器人之间使用蓝牙系统实现了通讯，但据笔者所知，在高速运转的足球机器人上，蓝牙通讯实现的多机器人协同工作基本上是无意义的。因为在蓝牙采集到信号的瞬间，机器人有可能就已经发生了移动而且干扰较大。如何提高其协同效率呢？回来后笔者把这个信息告诉给了学生。结果其中有位学生就提出了自己的想法，即以球为参照物，在一定范围内，只要防守机器人看得到球，就参与进攻，一旦看不到球，立即跑回球门前变为防守机器人。这种想法就从根本上解决了硬件通讯协同的问题，变为以软件实现协同进攻。后经其无数次试验发现，机器人的进攻效率明显提高，而防守则几乎不受影响。经历了这件事，笔者得出结论，机器人只是一个优能、高效的教学载体，它的最大价值是把学生的创新想法现实地表达出来，为学生进入大学后进行工业创新设计提供新思路和新方法。

笔者通过调查发现，学生在动手能力、解决处理问题能力方面较弱，应试能力则较强，并且往往只是在单调、片面地处理一个问题，不懂得将自己所学知识综合起来去解决问题。这一问题的根源在于，学生所学科目的试题（评价体系）本身就是抽象、片面的，学生也就不会主动地将自己所学知识有机地联系起来。基于这一点，笔者选择了足球机器人这一直观、高度智能化的小型多机器人系统作为载体进行技术课程教学。经过五年的教学实践达到了预期的效果，提高了学生解决综合问题的能力。

（作者单位：江苏扬州中学）