謝曉石

隨著機(jī)器人技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，如何讓多個(gè)智能體相互協(xié)調(diào)、協(xié)商來(lái)完成任務(wù)，即實(shí)現(xiàn)多智能體系統(tǒng)，已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)[1]。作為多機(jī)器人系統(tǒng)的研究和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停闱驒C(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域。本文結(jié)合筆者五年來(lái)在機(jī)器人社團(tuán)的教學(xué)經(jīng)歷，分析足球機(jī)器人在技術(shù)課程中的教育價(jià)值及其實(shí)現(xiàn)策略。

足球機(jī)器人在技術(shù)課程中的教育價(jià)值

1. 使學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合，提高動(dòng)手能力、創(chuàng)造能力、協(xié)作能力和綜合能力

足球機(jī)器人作為多機(jī)器人系統(tǒng)的典型代表，研究始于20世紀(jì)70年代。協(xié)作多機(jī)器人系統(tǒng)的快速發(fā)展體現(xiàn)為三個(gè)方面的相互影響：?jiǎn)栴}、系統(tǒng)和理論。為解決一個(gè)給定的問(wèn)題，想象出一個(gè)系統(tǒng)，然后進(jìn)行仿真、構(gòu)建，借用其他領(lǐng)域的理論進(jìn)行協(xié)作。對(duì)于中小學(xué)生，我們不可能奢求其能獨(dú)立地設(shè)計(jì)出高效能芯片或是別人從未涉及過(guò)的發(fā)明創(chuàng)造。我們只是需要他們能在別人未過(guò)多研究的領(lǐng)域提出屬于自己的創(chuàng)新點(diǎn)。所以，綜合設(shè)計(jì)成果的多樣性為學(xué)生提供了大量的創(chuàng)新機(jī)會(huì)。例如，競(jìng)賽規(guī)則限制每臺(tái)足球機(jī)器人至多有三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，怎樣將三個(gè)直流電機(jī)合理地?cái)[放在塑膠板上，就是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。這就需要學(xué)生經(jīng)過(guò)大量反復(fù)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證，得出有三種合理的擺放方法。其中正向輪擺放法屬于常用方法，而左、右偏向輪擺放法則完全可以理解成一種創(chuàng)新。

2. 更靈活的技術(shù)教學(xué)、更有效的師生互動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)和創(chuàng)新精神

技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)決定課程的教與學(xué)應(yīng)立足于現(xiàn)實(shí)的生活環(huán)境，并以實(shí)際應(yīng)用需求來(lái)獲得相關(guān)技術(shù)理論，培養(yǎng)學(xué)生把課程知識(shí)轉(zhuǎn)化為生活技能的能力，用于指導(dǎo)和解決在生活和學(xué)習(xí)中遇到的實(shí)際問(wèn)題。緊扣這一精神，筆者選擇設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的輪式足球機(jī)器人，用于體現(xiàn)課標(biāo)的核心思想。這里尤其要強(qiáng)調(diào)的是，一般我們?cè)谥v解感知系統(tǒng)時(shí)，都是片面地強(qiáng)調(diào)單個(gè)感知。使用足球機(jī)器人這一載體，學(xué)生就會(huì)形象直觀(guān)地發(fā)現(xiàn)機(jī)器人能正確識(shí)別足球、己方隊(duì)員和敵方隊(duì)員，以便機(jī)器人能準(zhǔn)確完成踢球、攔球、傳球等動(dòng)作，還有對(duì)機(jī)器人的自定位、方向、編號(hào)的識(shí)別就是靠感知系統(tǒng)這個(gè)眼睛在起作用的。這將引導(dǎo)學(xué)生利用生物學(xué)知識(shí)，運(yùn)用仿生學(xué)的原理設(shè)計(jì)出各種優(yōu)于人類(lèi)感知器官的感知原件，甚至有學(xué)生直接找來(lái)生物教師與通用技術(shù)教師，討論用仿生學(xué)的手段改進(jìn)電子感知系統(tǒng)的可能性，使課堂瞬間進(jìn)入到了一種自主、積極、充分互動(dòng)的氣氛當(dāng)中。同時(shí)，這也是機(jī)器人感知系統(tǒng)研究的一個(gè)突破方向，學(xué)生創(chuàng)新能力的一種體現(xiàn)。

3. 學(xué)生經(jīng)歷簡(jiǎn)易智能機(jī)器人系統(tǒng)的制作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)生活問(wèn)題技術(shù)化的過(guò)程，體會(huì)用機(jī)器視角的問(wèn)題思考法

機(jī)器人足球決策系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，起到了人類(lèi)大腦中樞的作用。正因如此，對(duì)“大腦”的開(kāi)發(fā)一直是學(xué)生熱衷的方向，學(xué)校多名學(xué)生為使控制器支持一些深?yuàn)W的算法，使機(jī)器人具有更強(qiáng)的智能性，部分改寫(xiě)過(guò)控制器的底層驅(qū)動(dòng)。因此，教師在講解機(jī)器人控制系統(tǒng)時(shí)，需更多地講解控制器的底層驅(qū)動(dòng)方法，方便有能力的學(xué)生進(jìn)行更好的拓展。也有一部分學(xué)生聯(lián)系實(shí)際，認(rèn)為中學(xué)階段研究的機(jī)器人不宜太復(fù)雜，重點(diǎn)在于程序的條理性。機(jī)器人足球本身又是一個(gè)有較高難度、較為復(fù)雜的競(jìng)賽項(xiàng)目，于是他們產(chǎn)生了另一種思路，即在控制器端把一個(gè)獨(dú)立、復(fù)雜的程序分割成具有獨(dú)立小功能的多個(gè)程序，如罰點(diǎn)球程序、對(duì)方墜球點(diǎn)進(jìn)攻程序、己方墜球點(diǎn)防守程序，等等，就像人的大腦的各個(gè)部位控制各個(gè)部分的機(jī)體功能一樣，我們稱(chēng)之為切盤(pán)。其實(shí)無(wú)論是哪種思路，筆者都認(rèn)為這恰恰是學(xué)生已將機(jī)器人這一載體與人融為一體，實(shí)現(xiàn)生活問(wèn)題技術(shù)化的過(guò)程。

足球機(jī)器人教學(xué)的實(shí)現(xiàn)策略

近年來(lái)，機(jī)器人成本的降低及教師們持續(xù)的關(guān)注和積極參與，使得機(jī)器人進(jìn)入課堂的基礎(chǔ)條件已基本具備。許多教師也嘗試使用普及機(jī)器人、仿真機(jī)器人為載體進(jìn)行教學(xué)，并取得了不錯(cuò)的成果，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題。一是小學(xué)、初中、高中開(kāi)設(shè)的內(nèi)容極為一致，造成了有基礎(chǔ)的學(xué)生不想學(xué)，沒(méi)基礎(chǔ)的學(xué)生要花大量時(shí)間學(xué)。二是高中階段很難大面積普及。學(xué)生面臨高考?jí)毫?，很難抽出大量時(shí)間學(xué)習(xí)機(jī)器人普及方面的內(nèi)容，不少農(nóng)村學(xué)校甚至大量擠壓學(xué)生的技術(shù)課時(shí)間[2]。鑒于此，筆者分別從小學(xué)、初中、高中三個(gè)學(xué)段設(shè)計(jì)足球機(jī)器人教學(xué)的實(shí)現(xiàn)策略，形成一個(gè)遞進(jìn)的教學(xué)體系。

1. 小學(xué)階段：以普及、激發(fā)學(xué)生興趣為主

小學(xué)生的性格特點(diǎn)通常是對(duì)新事物既有新鮮感，但又不習(xí)慣，因而一時(shí)難以適應(yīng)；對(duì)學(xué)習(xí)有好奇感，卻很難專(zhuān)心聽(tīng)講和獨(dú)立完成任務(wù)[3]。在此階段不適宜讓學(xué)生承擔(dān)難度較高、獨(dú)立任務(wù)性較強(qiáng)的學(xué)習(xí)活動(dòng)。設(shè)計(jì)總體策略讓學(xué)生以單個(gè)足球機(jī)器人主框架為結(jié)構(gòu)，以流程圖的架構(gòu)為實(shí)現(xiàn)手段，教師著重講解機(jī)器人各元件的功能原理和流程圖軟件的使用方法，設(shè)計(jì)一定數(shù)量的簡(jiǎn)單任務(wù)，如低速走直線(xiàn)、S型線(xiàn)、圓形、正方形，讓學(xué)生合作完成，激發(fā)學(xué)生的興趣。尤為重要的是，必須從小培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，教師只能擔(dān)當(dāng)“授業(yè)者”的角色，而不是大包大攬，否則只能強(qiáng)化學(xué)生的虛榮心，而無(wú)法激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

2. 初中階段：以夯實(shí)基礎(chǔ)、確立研究方向?yàn)橹?/p>

學(xué)生進(jìn)入初中階段，更多的基礎(chǔ)性課程逐步開(kāi)設(shè)。隨著所學(xué)科目的增多，如物理、化學(xué)的開(kāi)設(shè)讓學(xué)生更加理性地看待自己的學(xué)習(xí)過(guò)程，小學(xué)時(shí)學(xué)習(xí)的新鮮感也會(huì)消失，此外，學(xué)生的知識(shí)體系也愈發(fā)豐滿(mǎn)起來(lái)。因此在初中階段，教師可以嘗試以足球機(jī)器人為模型，直接以程序語(yǔ)言（C語(yǔ)言）為手段，使用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人足球場(chǎng)地教導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)足球機(jī)器人的更多功能。

在這個(gè)過(guò)程中，既要教授學(xué)生各元件的性能參數(shù)、驅(qū)動(dòng)原理，也要講述實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的各個(gè)程序塊。對(duì)于異常出色的學(xué)生，授課教師應(yīng)能及時(shí)地甄別出來(lái)，再多講些實(shí)用的、甚至有點(diǎn)深?yuàn)W的算法，以拓寬學(xué)生視野，為其以后的學(xué)習(xí)做好鋪墊。

3. 高中階段：以體現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新思路、初級(jí)自主研發(fā)為主

進(jìn)入高中階段以后，基礎(chǔ)較好的學(xué)生已經(jīng)有了很強(qiáng)的理論支撐和程序編寫(xiě)能力，也具備了較強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)能力、自我認(rèn)識(shí)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。教師只需花很少時(shí)間告訴學(xué)生足球機(jī)器人發(fā)展的前沿動(dòng)態(tài)和革新方向，而把重點(diǎn)放在引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)動(dòng)腦筋把創(chuàng)新的理念轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)上。記得在一次青少年機(jī)器人大賽上，筆者發(fā)現(xiàn)有一支足球隊(duì)伍的機(jī)器人之間使用藍(lán)牙系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通訊，但據(jù)筆者所知，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的足球機(jī)器人上，藍(lán)牙通訊實(shí)現(xiàn)的多機(jī)器人協(xié)同工作基本上是無(wú)意義的。因?yàn)樵谒{(lán)牙采集到信號(hào)的瞬間，機(jī)器人有可能就已經(jīng)發(fā)生了移動(dòng)而且干擾較大。如何提高其協(xié)同效率呢？回來(lái)后筆者把這個(gè)信息告訴給了學(xué)生。結(jié)果其中有位學(xué)生就提出了自己的想法，即以球?yàn)閰⒄瘴?，在一定范圍?nèi)，只要防守機(jī)器人看得到球，就參與進(jìn)攻，一旦看不到球，立即跑回球門(mén)前變?yōu)榉朗貦C(jī)器人。這種想法就從根本上解決了硬件通訊協(xié)同的問(wèn)題，變?yōu)橐攒浖?shí)現(xiàn)協(xié)同進(jìn)攻。后經(jīng)其無(wú)數(shù)次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人的進(jìn)攻效率明顯提高，而防守則幾乎不受影響。經(jīng)歷了這件事，筆者得出結(jié)論，機(jī)器人只是一個(gè)優(yōu)能、高效的教學(xué)載體，它的最大價(jià)值是把學(xué)生的創(chuàng)新想法現(xiàn)實(shí)地表達(dá)出來(lái)，為學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后進(jìn)行工業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供新思路和新方法。

筆者通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在動(dòng)手能力、解決處理問(wèn)題能力方面較弱，應(yīng)試能力則較強(qiáng)，并且往往只是在單調(diào)、片面地處理一個(gè)問(wèn)題，不懂得將自己所學(xué)知識(shí)綜合起來(lái)去解決問(wèn)題。這一問(wèn)題的根源在于，學(xué)生所學(xué)科目的試題（評(píng)價(jià)體系）本身就是抽象、片面的，學(xué)生也就不會(huì)主動(dòng)地將自己所學(xué)知識(shí)有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)。基于這一點(diǎn)，筆者選擇了足球機(jī)器人這一直觀(guān)、高度智能化的小型多機(jī)器人系統(tǒng)作為載體進(jìn)行技術(shù)課程教學(xué)。經(jīng)過(guò)五年的教學(xué)實(shí)踐達(dá)到了預(yù)期的效果，提高了學(xué)生解決綜合問(wèn)題的能力。

（作者單位：江蘇揚(yáng)州中學(xué)）