新工科背景下RoboCup机器人足球课程教学模式探索

凌兆龙 张磊

关键词：新工科；RoboCup机器人足球；教学模式；跨学科融合；团队合作

0 引言

随着信息技术和人工智能的迅猛发展，全球范围内对于新工科背景下人才培养的需求日益增长[1-2]。传统的教育模式已经无法满足时代发展的需要，因此各类教育机构不断尝试创新教学方法，以适应新时代对于人才的全面要求。在这样的背景下，RoboCup机器人足球作为一项跨学科的综合性竞赛项目，被越来越多的高校引入教学，以培养学生的综合素养和创新能力[3-4]。

本文将围绕新工科背景下课程RoboCup机器人足球的教学模式进行深入探索和研究。RoboCup机器人足球比赛作为机器人领域的重要竞赛，是全球范围内科技爱好者和工程师的热门赛事。而将机器人足球引入教学，不仅为学生提供了锻炼技术能力的平台，更重要的是激发了学生的创新思维和团队协作意识。

新工科背景下的教学模式注重跨学科融合和实践能力培养[5-6]。RoboCup机器人足球课程恰恰契合了这一理念，通过机器人足球比赛项目，学生将跨越学科界限，将计算机科学、电子工程、机械工程等多个学科知识相互结合，进行创新性实践[7]。在项目开发的过程中，学生需要运用到计算机视觉、运动控制、人工智能等多个领域的知识，将所学理论与实际应用紧密结合，从而提高学生的学习积极性和实践动力。

因此，本文旨在对新工科背景下课程RoboCup机器人足球的教学模式进行探索和研究。通过实践探索和教学实施，提高学生的综合能力和创新意识，促进跨学科融合和团队合作。本文的研究将不仅对该课程的教学实践具有一定的指导意义，更为新工科背景下教育模式的发展与创新提供一定的借鉴和参考。

1 课程设计与构建

1.1 课程目标

RoboCup机器人足球课程的目标是培养学生具备RoboCup机器人足球比赛所需的技术能力和团队协作能力，提高学生的创新意识和综合能力。通过该课程的学习，学生应能够掌握RoboCup机器人足球的基本原理、控制技术、编程与算法设计等，同时培养团队协作和沟通能力。

1.2 课程内容

课程内容包括RoboCup机器人足球的基本原理、机器人控制技术、编程与算法设计、团队协作与策略等。其中，RoboCup机器人足球的基本原理包括Ro?boCup机器人足球比赛的规则、机器人的结构和工作原理等；机器人控制技术包括机器人的运动控制、传感器控制等；编程与算法设计包括机器人的编程语言、算法设计等；团队协作与策略包括团队的组建、协作和沟通、比赛策略的制定和执行等。

1.3 教学方法

采用项目式教学法，将学生分为多个小组，每个小组负责设计、搭建和编程自己的RoboCup机器人足球队伍。通过实践项目，学生能够深入理解理论知识，提高实际操作能力。同时，课程还采用讨论式教学、案例教学等多种教学方法，激发学生的学习兴趣以及提高学生的学习积极性。

1.4 课程实施

课程实施过程中，教师引导学生进行项目实践，组织学生进行讨论和交流，提供技术指导。在项目实践过程中，教师还引导学生进行自我评估和团队评估，以提高学生的自我管理和团队协作能力。

1.5 课程评估

课程评估采用多元化评估方式，包括学生学习成绩、比赛成绩、团队协作能力。学习成绩主要评估学生在课堂上的表现、作业完成情况、实践项目完成情况；比赛成绩主要评估学生设计的机器人性能、比赛策略执行；团队协作能力主要评估学生在团队中的沟通协作、分工合作。

1.6 教學资源

为了保障课程的有效实施，配备相应的教学资源，包括RoboCup机器人足球比赛场地、机器人器材、编程软件等。此外，还提供了一些在线资源，如教学视频、讲义、案例等，方便学生进行自主学习和复习。

1.7 课程创新与改进

针对新工科背景下的教育需求，本课程在教学过程中不断进行创新与改进。例如，引入了跨学科的知识和技能，如计算机视觉、人工智能等，以丰富课程内容，提高学生的综合能力。同时，通过加强与企业的合作，引入实际工程项目，提高课程的实用性和针对性。

通过以上课程设计与构建，本课程旨在培养具备创新意识、跨学科融合和团队合作能力的工程人才，满足新工科教育的需求。在课程实施过程中，教师和学生共同参与，不断优化课程内容和教学方法，以提高教学质量和学生的学习成效。

2 实施过程与实践环节

2.1 实施过程

课程的实施过程是一个动态的、互动的、实践的过程。在这个过程中，教师和学生共同参与，共同完成课程的目标和任务，如图1所示。

首先，教师会向学生介绍RoboCup机器人足球的基本原理和规则，讲解机器人的结构和工作原理，以及机器人的控制技术和编程方法。然后，学生会根据教师的指导，以小组的形式进行机器人的设计和搭建。在机器人的设计和搭建过程中，学生会遇到各种问题，如机器人的运动控制、传感器的使用、编程语言的掌握等。这时，教师会提供技术指导和辅导，帮助学生解决问题，完成机器人的设计和搭建。

接下来，学生会进行机器人的编程和算法设计。在这个过程中，学生需要运用所学的编程语言和算法知识，实现对机器人的控制，使其能够完成比赛所需的任务。在这个过程中，教师会引导学生进行讨论和交流，分享彼此的编程经验和算法设计思路，提高学生的编程能力和创新意识。

最后，学生会参与RoboCup机器人足球比赛。在比赛中，学生需要运用所学的知识和技能，制定比赛策略，控制机器人进行比赛。在这个过程中，学生能够锻炼自己的团队合作能力和沟通能力，提高自己的应变能力和竞争力。

2.2 实践环节

实践环节是课程的重要组成部分，也是学生掌握知识和技能的重要途径。在实践环节中，学生需要亲自操作、亲身体验，从而提高自己的实际操作能力和创新意识。

首先，在机器人的设计和搭建环节，学生需要根据比赛的要求和规则，设计出符合要求的机器人，并搭建出稳定的机器人结构。这个过程中，学生需要运用所学的知识和技能，进行机器人的设计和搭建，从而提高自己的创新意识和实际操作能力。

其次，在机器人的编程和算法设计环节，学生需要根据比赛的要求和规则，编写出符合要求的程序，并设计出高效的算法。这个过程中，学生需要运用所学的编程语言和算法知识，进行程序的编写和算法的设计，从而提高自己的编程能力和创新意识。

最后，在RoboCup机器人足球比赛的环节，学生需要亲自操作机器人，参与比赛。这个过程中，学生需要运用所学的知识和技能，进行比赛的控制和策略的制定，从而提高自己的团队合作能力和沟通能力，提高自己的应变能力和竞争力。

总而言之，实施过程与实践环节是课程的重要组成部分，也是学生掌握知识和技能的重要途径。在实施过程与实践环节中，学生需要亲自操作，亲身体验，从而提高自己的实际操作能力和创新意识，提高自己的团队合作能力和沟通能力，提高自己的应变能力和竞争力。

3 教学资源配备

为了确保RoboCup机器人足球课程的高效实施，教学资源的配备至关重要。这些资源不仅包括物理设备，还包括软件工具、教材和辅助材料，以及在线学习平台等。

3.1 物理设备

物理设备是教学资源的基础，它包括RoboCup机器人足球比赛场地、机器人器材、传感器、控制器、编程设备等。比赛场地应具备一定的规模和设施，能够容纳多支队伍同时进行比赛。机器人器材应包括各种型号和功能的机器人，以满足不同学生的学习需求。传感器和控制器是机器人核心部件，用于接收和处理信号，控制机器人的运动。编程设备包括计算机、编程软件和调试工具，用于编写和调试机器人的程序。

3.2 软件工具

软件工具是教学资源的重要组成部分，它包括编程语言、开发环境、仿真软件、数据分析工具等。编程语言（如Python、C++等）是学生编写机器人控制程序的基础。开发环境（如Eclipse、Visual Studio等）应提供方便的编程、调试和测试功能。仿真软件（如Matlab、ROS等）可以帮助学生在不实际操作机器人的情况下，模拟机器人的运动和控制效果。数据分析工具（如Excel、SPSS等）可以帮助学生分析比赛数据，优化机器人的性能和策略。

3.3 教材和辅助材料

教材和辅助材料是学生学习和参考的重要资源，它包括教科书、实验指导书、技术手册、案例研究等。教科书应涵盖RoboCup机器人足球的基本原理、技术和策略等方面的内容；实验指导书应详细描述实验步骤、注意事项和预期结果；技术手册应提供机器人器材的详细说明、编程指南和故障排除方法；案例研究应展示成功的RoboCup机器人足球比赛案例，分析其成功因素和可借鉴的经验。

3.4 在线学习平台

在线学习平台是教学资源的重要补充，它提供了一系列的在线资源和工具，方便学生进行自主学习和交流。在线学习平台可以提供视频教程、讲义、作业提交、讨论区等功能。视频教程可以帮助学生直观地学习机器人的搭建和编程过程。讲义可以提供课程的详细内容和重要概念。作业提交和讨论区可以促进学生与教师、同学之间的互动和交流。

3.5 实践项目

实践项目是教学资源的重要组成部分，它包括设计、搭建、编程和比赛等环节。通过实践项目，学生能够将理论知识应用到实際操作中，提高自己的技能和能力。实践项目应具有一定的挑战性和创新性，鼓励学生积极探索和解决问题。

3.6 技术支持和维护

技术支持和维护是确保教学资源正常运作的关键。教师和技术人员应提供及时的技术支持和维护服务，解决学生在使用教学资源过程中遇到的问题。技术支持和维护包括机器人器材的维修、软件工具的更新和升级、在线学习平台的维护等。通过以上教学资源的配备，学生能够在一个完备的环境中学习和实践，提高自己的技术能力和创新意识。教学资源的合理配备和使用，能够有效支持课程的教学活动。

4 学习成效评估

学生的学习成效评估如图2所示，具体的每个环节如下。

4.1 评估方法

学习成效评估是课程教学的重要环节，它能够帮助教师了解学生的学习情况，也为学生提供反馈，帮助他们认识到自己的优势和不足。评估方法应多元化，包括形成性评估和总结性评估。形成性评估主要在课程进行过程中进行，目的是及时了解学生的学习进展，帮助学生调整学习策略。总结性评估则是在课程结束后进行，目的是对学生的学习成果进行全面评价。评估方法可以包括课堂表现、作业完成情况、实践项目成果、比赛成绩、团队协作能力等。

4.2 评估指标

评估指标是评估学生学习成效的具体标准，它应具有可量化和可比较的特点。评估指标应涵盖知识掌握、技能应用、团队合作、创新能力等方面。知识掌握主要评估学生对RoboCup机器人足球基本原理、控制技术、编程语言等知识的理解和掌握程度；技能应用则评估学生在实际操作中运用所学知识解决问题的能力；团队合作评估学生在团队中的沟通协作、分工合作等能力；创新能力评估学生的创新思维、问题解决能力以及对新技术的探索和运用能力。

4.3 评估标准

评估标准是对评估指标的具体量化，它应具有明确性和可操作性的特点。评估标准可以根据课程目标和教学内容进行设定，如课堂表现可以根据出勤、参与讨论、完成实验等情况进行评分；作业完成情况可以根据作业的准确性、完整性、创新性等进行评分；实践项目成果可以根据项目的完成度、技术难度、创新性等进行评分；比赛成绩可以根据比赛的名次、比赛策略、团队合作等进行评分；团队协作能力可以根据团队沟通、协作效率、团队成果等进行评分。

4.4 学生反馈

学生反馈是评估的重要环节，它可以帮助教师了解学生的学习体验，也为教学改进提供依据。学生反馈可以通过问卷调查、访谈、讨论等方式进行收集。问卷调查可以了解学生对课程内容、教学方法、教学资源等方面的满意度和建议；访谈可以深入了解学生的学习体验、学习困难、学习收获等方面；讨论则可以在课堂上或课后组织，让学生就课程的相关问题进行交流讨论。

4.5 结果分析

评估结果的分析是对学生学习成效的深入解读，它可以帮助教师了解学生的学习状况，也为教学改进提供参考。结果分析可以从以下几个方面进行：首先，分析学生的学习成绩分布，了解学生的知识掌握情况；其次，分析学生的实践项目成果，了解学生的技能应用情况；再次，分析学生的比赛成绩，了解学生的团队合作和创新能力；最后，分析学生的反馈，了解学生的学习体验和教学的效果。

通过以上学习成效评估的实施，教师可以全面了解学生的学习情况，及时调整教学策略，提高教学效果。同时，学生也可以通过评估了解自己的学习成效，找到自己的优势和不足，调整学习策略，提高自己的学习效果。

5 结果与讨论

5.1 结果概述

通过RoboCup机器人足球课程的学习和实践活动，学生不仅在技术层面上取得了显著的进步，还在团队合作、创新思维和问题解决等方面展现了明显的提升。课程结束后，学生普遍反映通过该课程的学习，对RoboCup机器人足球有了更深入的理解，能够在实际操作中运用所学的知识和技术，有效提升了自身的工程实践能力。

5.2 技术能力提升

学生在机器人的设计、搭建和编程方面取得了显著的进步。通过实践项目的锻炼，学生能够独立完成机器人的设计蓝图，准确搭建机器人结构，并编写出高效的控制程序。在课程结束时的RoboCup機器人足球比赛中，学生队伍展现出了良好的竞技状态，机器人在场上的表现稳定，能够完成复杂的动作和战术配合。

5.3 团队合作与沟通能力

课程强调团队合作，学生在共同完成项目的过程中，学会了如何有效沟通、协调分工和解决团队内部的冲突。通过多次的团队合作练习，学生在比赛中的团队协作能力得到了明显提升，能够在紧张的比赛中保持冷静，迅速做出决策，并有效地执行比赛策略。

5.4 创新思维与问题解决

课程鼓励学生创新思维，学生在面对设计和编程中的难题时，能够运用所学知识，提出创新的解决方案。在比赛过程中，学生面对各种突发状况，能够迅速分析问题，调整策略，展现了良好的应变能力和问题解决能力。

5.5 教学反馈与改进

课程结束后，教师收集了学生的反馈，对教学方法和课程内容进行了评估。学生普遍认为课程内容丰富、实践性强，能够激发学习兴趣。同时，学生也对课程提出了一些建议，如增加更多高级编程技巧的教学、提供更多实际案例分析等。教师根据学生的反馈，对课程进行了优化和调整，以提高未来的教学效果。

5.6 讨论与展望

课程的成功实施表明，将实践导向的教学方法应用于新工科教育中，能够有效提升学生的综合能力和创新意识。通过参与RoboCup机器人足球比赛，学生不仅提高了技术能力，还在团队合作、创新思维和问题解决等方面得到了全面的锻炼。

展望未来，随着技术的不断进步和教育的持续创新，将有更多类似RoboCup机器人足球这样的课程出现，以适应新工科教育的发展需求。这些课程将更加注重学生的实践能力和创新能力的培养，通过跨学科的学习和实践，培养出更多具备未来竞争力的工程人才。此外，随着人工智能、机器人技术等领域的快速发展，RoboCup机器人足球比赛也将变得更加智能化和复杂化。未来的比赛可能会引入更高级的传感器、更复杂的算法和更智能的决策系统。这将对学生提出更高的要求，也意味着课程内容和教学方法需要不断更新和改进，以适应技术的发展和教育的变革。

总之，RoboCup机器人足球课程作为一种实践导向的教学模式，展现了实践导向教学在新工科教育中的潜力和价值。通过不断的实践和探索，相信能够培养出更多具备实践能力和创新能力的工程人才，为社会和产业的发展做出贡献。