对抗训练模式在机器人教育中的应用探究

吴东 张立敏 陈霞

摘 要：在大力提倡创新教育的时代背景下，机器人被公认为培养学生创新能力的有效载体，机器人教育方兴未艾。如何挖掘机器人教育的丰富教育价值，发挥机器人教育的重要作用，受到越来越多教育专家的关注和探索。为提升机器人实践教学质量和增强大学生的创新能力，提出在大学生机器人实践教学过程中引入对抗训练模式，让大学生配对开展机器人技术对抗活动来完成规定的实践教学任务。

关键词：机器人教育；对抗训练；分组学习；配对学习

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2018）17-0045-03

一、引言

机器人教育以其能培养学生创新能力的优势，成为了当前开展STEAM教育和创客教育的最新活动形式之一。[1]追踪国内机器人教育现状发现，该领域已取得丰富的成果，为各层次人才的创新能力培养发挥了重要作用。这得益于政府机构及各级学校对机器人教育的重视，得益于机器人厂商对机器人教育的支持，但更离不开有效教学模式对机器人教育质量的保障。[2]

目前，在机器人教育中，教师通常采用基于项目（Project-Based Learning，简称PBL）的教学方法，用做项目来驱动学生主动学习。并且，以分组、配对的形式让学生合作完成项目规定的任务。现有研究结果表明，使用该教学模式可取得相比教师传统授课和学生独立学习更好的效果，但也存在不足。如学生缺乏“提创意，设任务”的机会，只注重完成教师给出的项目，不利于创新能力的培养；还有合作学习时的角色固化，组内成员通常只负责自己擅长的工作，甚至存在“抱大腿”现象，不利于学生能力的全面提升。这有待改进和完善。

经研究，我们发现在其它教学领域，如体育、军事、棋类等广泛采用的对抗训练模式[3-6]可引入到机器人教育中加以重构和应用。近2年，我们在竞赛机器人课程实践教学中采用了对抗训练模式，其不断完善并逐渐体现优势，为提高我校竞赛机器人课程教学质量发挥了作用。[7]

二、对抗训练模式概述

吕超等人认为，对抗训练即在教学过程中为学生构建对抗场景，给学生设定对抗项目，让学生展开对抗来完成学习任务。[5]学生的能力在制作机器人及开展机器人对抗活动的过程中得到提升。不过，由于结合了PBL和分组学习，让该教学模式的执行效果受到影响。

为此，我们设计了新的对抗训练模式。相比以往的对抗训练，它主要有两点变化：

（1）教师不设定对抗项目，只给出要学习的知识点，要求学生在掌握全部知识点的基础上自行设计机器人对抗项目。

（2）基于配对学习[2]，一名学生扮演“守卫员”，负责设计机器人对抗项目；另一名学生扮演“攻击者”，负责机器人的搭建和编程，并用制作出的机器人完成“守卫员”在机器人对抗项目中设定的所有任务。

这种新的对抗训练模式实际上是由“守卫者”设定任务让“攻击者”完成，两人展开机器人技术对抗。

图1是该对抗训练模式的教学过程，其中包括5个阶段：

（1）先备知识测试，是对学生的机器人知识水平做评估，分优、良、中、差4个等级。其中，评估结果为“差”的学生不得进入后续阶段，直到加强了学习机器人知识并通过测试。

（2）配对，是依据先备知识测试结果将同一等级的学生两两结对。

（3）对抗训练，是整个教学过程的关键。两位学生分别扮演“守卫员”和“攻击者”，不断开展“出题”和“挑战”的对抗活动。

（4）结果检查，是教师对对抗训练阶段“守卫员”设计的机器人对抗项目及“攻击者”制作的机器人进行检查，以判定学生的学习状况。

（5）推广，是教师整理上一阶段产生的新的机器人对抗项目，并将那些优秀机器人对抗项目布置给其他学生“挑战”，最后还要评讲这些项目。

另外，为了保证对抗训练教学的正常开展、达到实践教学目的，除了要严格遵从图1的流程外，还需做好以下几方面工作：

（1）要求实践指导教师清楚实践教学目的及学生必须掌握的知识点，有能力引导学生参与对抗训练并把控学生的对抗训练进度，能及时发现教学过程中可能出现的问题并加以处理。

（2）要求实践指导教师事先设计机器人知识水平评估方法和相关题目，并尽可能准确评价学生的机器人知识水平。能给评价为“差”的学生提供帮助，让他们尽快具备参与对抗训练的知识基础。

（3）要求实践指导教师在学生配对结束后，给学生提供详细的实践指导书，对学生要设计的机器人对抗项目所包含的知识点做规定，但要注意难度控制。同时，实验员要确保实验设备完备、可用。

（4）要求学生课前预习，包括弄懂对抗训练流程、明确实践任务、补充技术知识等。特别是在对抗训练阶段，配对双方要进行角色交换，轮流扮演“守卫员”和“攻击者”，完成不同角色的任务。并且，该阶段设计的项目、机器人搭建方案和程序要留档。

（5）进一步做好机器人开放实验室的管理，尽可能多地给学生提供场地和设备，让他们有更多的机会开展对抗训练，提高机器人技术水平。特别是那些评价为“差”的学生，更应借助开放实验室多加学习，争取早日进入对抗训练阶段。

三、对抗训练模式應用

每所高校开设机器人课程的目的不同，其实践教学开设的内容也不一样。当前，根据我校开设机器人的教学目标，该课程的实践教学内容主要包括机器人程序设计、积木机器人搭建、主题机器人设计及实现等三大模块。这些内容都可以采用对抗训练模式来展开学习。现以机器人程序设计模块为例，阐述对抗训练在我校机器人课程实践教学中的应用。具体课时如表1所示。

首先，指导教师利用之前设计好的先备知识测试题评估学生的机器人知识水平。如表2所示，该模块的先备知识测试题囊括了机器人程序设计的4个方面。评估时，按照先易后难的顺序进行，逐步考察学生掌握的机器人程序设计能力，并将其水平评定为优、良、中、差。

在对抗训练阶段，针对学生必须完成的4次对抗，指导教师给出了在设计每个机器人对抗项目时要包括的知识点，如表3所示。其它对抗项目包括的知识点由学生自行确定。另外，学生在对抗训练过程中要使用表4做记录，并按照固定模板记下每个对抗项目的名称、知识点、内容及对抗方案的实现。

四、教学效果

在2016到2017学年的第二学期，我们在2014级计算机专业学生的机器人课程教学中应用了对抗训练模式，获得了比以往更好的教学效果：

（1）先备知识测试让学生感到了压力，促进学生自觉、认真学习，形成良好的学习氛围，进而加强学生对机器人技术的掌握。

（2）学生配对对抗训练，激发了学生的竞争意识，愿意花更多精力、时间去设计项目和挑战项目。并且，让水平接近的学生配对，旗鼓相当的竞争让学生更喜欢这种对抗活动。

（3）由学生设计机器人对抗项目，让学生有机会大胆设想，提出了不少创意项目，锻炼了学生的创新能力。这些项目申请后，还获得了“大学生创新创业训练计划项目”和“攀登计划”广东大学生科技创新培育专项。

（4）设计对抗项目要完成文档的撰写，增强了学生的写作能力。同时，回答对手提出的疑问也锻炼了学生的表达能力。

（5）优秀机器人对抗项目的推广，促使学生互相借鉴学习，拓展了学生的视野，学生整体的机器人技术水平有一定提高。

（6）有利于学生互助学习，探索了在无教师指导状态下的学生学习行为管理方法，为机器人实验室将来发展为创客空间提供了经验样例及奠定了基础。

统计学生对抗训练记录的耗时情况表明，在没有对设计机器人对抗项目限时的情况下，“守卫者”的设计进度对整个对抗训练进程影响较大。但如果采取限时，又有可能影响到设计机器人对抗项目的质量。怎样既能节约时间，又能得到高质量的机器人对抗项目是我们往后应用该教学模式时需要做深入改革的地方。

参考文献：

[1]徐多，胡卫星，赵苗苗.困境与破局：我国机器人教育的研究与发展[J].现代教育技术，2017（10）：94-99.

[2]钟柏昌，王艳霞.配对学习模式在机器人教育中的有效性[J].现代远程教育研究，2018（3）：66-74.

[3]吕文元.对足球对抗训练的探讨[J].中国体育科技，1994（6）：27-31，40，49.

[4]孙世明.篮球攻防对抗基础训练——介绍“一对一”攻防对抗训练法[J].体育教学与训练，1991（3）：28-30.

[5]吕超.面向海军分队对抗的仿真与推演方法研究[D].南京：南京理工大學，2011.

[6]承德市宽城县青少年校外活动中心：分组对抗激发兴趣 网络组班方便对弈[J].儿童大世界，2016（7）：24.

[7]吴东，张立敏等.多维渐进式机器人课程实践教学体系构建[J].计算机教育，2018（3）：151-154.

（编辑：王天鹏）