悅?cè)せ瘜W(xué)習(xí)在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘要：悅?cè)せ瘜W(xué)習(xí)是一種“玩中學(xué)”的學(xué)習(xí)方式，通過激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)促進(jìn)學(xué)習(xí)，將學(xué)習(xí)融入游戲中，又稱“游戲化學(xué)習(xí)”。悅?cè)せ瘜W(xué)習(xí)方式多種多樣，文章就Robocode軟件在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)聾學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，闡述Robocode在程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)中的價(jià)值，論述Robocode在程序設(shè)計(jì)教學(xué)中的組織應(yīng)用，同時(shí)也對悅?cè)せ瘜W(xué)習(xí)進(jìn)行總結(jié)和反思。

文章編號：1672-5913（2013）18-0099-04

中圖分類號：G642

0 引言

悅?cè)せ瘮?shù)字學(xué)習(xí)又稱數(shù)字游戲式學(xué)習(xí)（Digital Game-Based Learning，DGBL），是強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心并融合數(shù)字游戲的創(chuàng)新教學(xué)方式，即學(xué)生以小組合作的方式，通過解決數(shù)字游戲中的問題與挑戰(zhàn)來學(xué)習(xí)知識。一邊游戲一邊學(xué)習(xí)可以為學(xué)習(xí)者提供一個(gè)充滿樂趣與挑戰(zhàn)的學(xué)習(xí)環(huán)境，更能強(qiáng)化學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，加快知識的充分吸收。臺灣學(xué)者將這種學(xué)習(xí)方式譯為“悅?cè)せ瘜W(xué)習(xí)”。

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)（OOP）課程在整個(gè)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中占據(jù)非常重要的地位，目前國內(nèi)高校計(jì)算機(jī)專業(yè)普遍開設(shè)了此類課程。類和對象是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)中最重要的概念，目前多數(shù)教材對這些概念以文字進(jìn)行介紹，對學(xué)習(xí)者而言，這些概念難以理解，學(xué)習(xí)效果不甚理想。建構(gòu)主義教學(xué)論原則指出：“復(fù)雜的學(xué)習(xí)領(lǐng)域應(yīng)針對學(xué)習(xí)者先前的經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)者的興趣，只有這樣，才能激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)習(xí)才可能是主動(dòng)的”。為了激發(fā)學(xué)生持久的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，教育工作者在一直不停地進(jìn)行著積極的探索。在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程教學(xué)過程中引入“悅?cè)せ瘜W(xué)習(xí)”就是一個(gè)行之有效的方法。悅?cè)せ瘜W(xué)習(xí)的方式多種多樣，如模擬仿真類游戲“模擬城市（SimCi-ty）”、可用于學(xué)習(xí)地理的“大航海時(shí)代（Great Age of Voyage）”等。

Robocode是一款基于Java語言的坦克機(jī)器人作戰(zhàn)游戲。此款游戲在沒有用戶輸入的狀態(tài)下，讓許多坦克機(jī)器人在一個(gè)競技場中比賽，而且用戶必須編制一個(gè)高效的坦克機(jī)器人來取勝。Robocode像一場坦克機(jī)器人的大混戰(zhàn)，它們互相開火直到只剩一個(gè)勝利者。Robocode要求使用Java語言對坦克機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行編程，并設(shè)計(jì)不同的決策方案指揮坦克機(jī)器人的運(yùn)行。Java初學(xué)者可以在讓自己的坦克機(jī)器人戰(zhàn)勝對手坦克機(jī)器人的代碼編寫過程中，掌握J(rèn)ava語言，提高程序設(shè)計(jì)能力。

1 悅?cè)せ瘜W(xué)習(xí)在程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)中的價(jià)值

1）激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)是學(xué)生學(xué)習(xí)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)過程中一個(gè)非常重要的因素，很多學(xué)生學(xué)習(xí)積極性較差，卻在游戲方面顯出較高興趣。若將游戲的特點(diǎn)應(yīng)用到面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)過程中，使學(xué)習(xí)更加有趣，不失為一個(gè)促進(jìn)學(xué)習(xí)的好方法。Robocode是一款機(jī)器人作戰(zhàn)游戲，符合青少年熱衷網(wǎng)絡(luò)游戲的特點(diǎn)，可以使學(xué)生在設(shè)計(jì)代碼完成游戲的過程中提高學(xué)習(xí)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的積極熊。

2）體驗(yàn)式學(xué)習(xí)過程。

體驗(yàn)式學(xué)習(xí)（Experimental Learning）是指以學(xué)習(xí)者為中心，通過實(shí)踐與反思相結(jié)合來獲得知識、技能和態(tài)度的學(xué)習(xí)方式。簡言之，體驗(yàn)式學(xué)習(xí)遵循了4個(gè)階段模型：首先從具體體驗(yàn)開始，然后是觀察和反思，進(jìn)而形成抽象的概念和普遍的原理，最后將形成的理論應(yīng)用到新情境的實(shí)踐當(dāng)中。

在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的教學(xué)中，教師一般要先講一下相關(guān)的概念和語句，但學(xué)生未必都能理解，學(xué)生在Robocode應(yīng)用中，為了游戲的順利進(jìn)行，必須不斷調(diào)試程序。教師要及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生將注意力轉(zhuǎn)移到教學(xué)的實(shí)質(zhì)階段——編程知識的學(xué)習(xí)。當(dāng)講解到一些技術(shù)要點(diǎn)時(shí)，演示該技術(shù)在游戲中的具體運(yùn)用，往往能夠更加吸引學(xué)生，從而達(dá)到在游戲中學(xué)習(xí)的目的。

3）提高解決問題能力。

游戲往往充滿了挑戰(zhàn)，不論是戰(zhàn)斗還是增強(qiáng)技巧，都需要游戲者千方百計(jì)地解決問題。因此，游戲可以提高游戲者解決問題的能力。Whitebread認(rèn)為解決問題是一個(gè)復(fù)雜的智力過程，包括一系列的能力：①理解和描述問題的能力（包括找出相關(guān)資訊的能力）；②收集和組織相關(guān)資訊的能力；③制訂和管理行動(dòng)計(jì)劃或策略的能力；④問題推斷和決斷能力；⑤使用各種解決問題的工具的能力。

學(xué)生為了能夠完成Robocode實(shí)驗(yàn)平臺的搭建，就需要解決如何在Eclipse開發(fā)平臺上建立Robocode平臺的問題；為了了解如何設(shè)計(jì)機(jī)器人坦克，就需要解決如何使用API幫助文檔的問題；如果在競爭中失利，為了打敗對手，就會產(chǎn)生強(qiáng)烈的了解對手機(jī)器人坦克是怎么編程設(shè)計(jì)的念頭，于是會閱讀對手機(jī)器人坦克的源代碼，進(jìn)一步達(dá)到提高閱讀源代碼水平的能力。

4）提高協(xié)作學(xué)習(xí)能力。

網(wǎng)絡(luò)游戲本身就需要和其他人互動(dòng)，并在互動(dòng)過程中形成游戲虛擬團(tuán)隊(duì)。在應(yīng)用Robocode進(jìn)行游戲時(shí)，指導(dǎo)教師對學(xué)生進(jìn)行分組，讓學(xué)生以小組為單位協(xié)作學(xué)習(xí)，每個(gè)小組有3～4名組員，開發(fā)3～5段坦克控制程序，各組進(jìn)行競賽，加載各組的坦克機(jī)器人進(jìn)行對決。組內(nèi)學(xué)生為了獲勝，相互交流編程技術(shù)，以便設(shè)計(jì)出更為強(qiáng)大的機(jī)器人。各組學(xué)生直接交流獲勝經(jīng)驗(yàn)，不僅提高編程能力，更樹立了協(xié)作意識。

5）提升創(chuàng)造能力。

創(chuàng)造能力又稱創(chuàng)造力或創(chuàng)新能力，是當(dāng)前各行各業(yè)都非常看重的能力。雖然創(chuàng)造力有天賦的成分，不過學(xué)者們認(rèn)為創(chuàng)造力是可以通過后天努力培養(yǎng)的。游戲可以用來培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造能力。在應(yīng)用Robocode進(jìn)行游戲時(shí)，學(xué)生可以查看坦克機(jī)器人的源代碼，模擬游戲系統(tǒng)給出的模板機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)。但為了在競賽中獲勝，學(xué)生往往要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改造創(chuàng)新，從而設(shè)計(jì)出具有各種不同能力的機(jī)器人。

2 Robocode在程序設(shè)計(jì)教學(xué)中的組織應(yīng)用

1）類、對象和包。

對象（Obiect）是類（Class）的一個(gè)實(shí)例。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的重點(diǎn)是類的設(shè)計(jì)。Robocode機(jī)器人是一個(gè)圖形化的坦克，每個(gè)機(jī)器人都由一個(gè)或多個(gè)Java類構(gòu)成。學(xué)生從菜單操作中新建一個(gè)機(jī)器人，首先輸入機(jī)器人的名字，名字首字母要大寫，然后輸入包的名字，這樣就生成了一個(gè)機(jī)器人的對象。

2）屬性。

封裝是面向?qū)ο蟮奶攸c(diǎn)，即通過訪問器（get和set）進(jìn)行屬性訪問。Robocode機(jī)器人Vehicle（見圖1）有一門可以旋轉(zhuǎn)的炮Gun，炮上方的雷達(dá)Radar也是可以旋轉(zhuǎn)的。機(jī)器人坦克車（Vehicle）、炮（Gun）以及雷達(dá)（Radar）都可以單獨(dú)旋轉(zhuǎn)，也就是說，機(jī)器人坦克車、炮以及雷達(dá)都是機(jī)器人坦克這個(gè)類的屬性，都可以轉(zhuǎn)向不同的方向。

3）方法。

方法是類中用于執(zhí)行計(jì)算或進(jìn)行其他操作的函數(shù)成員。如對象圖片體現(xiàn)、刷新、可見與不可見、自動(dòng)行走等就可以使用方法來完成，再在另一個(gè)類中調(diào)用。

要讓學(xué)生理解創(chuàng)建的機(jī)器人坦克就是一個(gè)類，它繼承于robocode，Robot類，而Robot類本身含有許多方法。機(jī)器人坦克要生命不息，戰(zhàn)斗不止，就要調(diào)用如下方法：

ahead（100）；（前進(jìn)100像素）

tumGunRight（360）；（轉(zhuǎn)動(dòng)炮塔360度）

back（100）；（后退100像素）

turnRight（60）；（右轉(zhuǎn)60度）

fire（1）；（開火）

4）事件。

事件是對象發(fā)送消息、信號通知客戶發(fā)生了操作。圖形用戶界面通過事件機(jī)制響應(yīng)用戶和程序的交互。響應(yīng)用戶時(shí)間通常稱為事件處理。學(xué)生在編寫程序時(shí)很少需要委托和事件，重點(diǎn)是對已有對象、控件的事件使用，了解“方法是必須是通過寫代碼來調(diào)用，而事件由自己觸發(fā)”的基礎(chǔ)原理。

在教學(xué)過程中，結(jié)合Robocode可以使學(xué)生很容易理解事件處理。如幾個(gè)關(guān)鍵的事件類：

ScannedRobotEvent：雷達(dá)發(fā)現(xiàn)敵坦克事件類，它用作參數(shù)被onScannedRobot（ScannedRobotEvent e）方法處理，當(dāng)雷達(dá)檢測到機(jī)器人時(shí)，就調(diào)用該方法。

HitByBulletEvent：被敵坦克擊中事件類，它用作參數(shù)被onHitByBullet（HitByBuUetEvent event）方法處理。當(dāng)機(jī)器人被炮彈擊中時(shí)，就調(diào)用該方法。

HitRobotEvent：通過覆蓋onHitRobot（）方法來處理HitRobotEvent。當(dāng)機(jī)器人擊中另外一個(gè)機(jī)器人時(shí)，就調(diào)用該方法。

HitWallEvent：撞墻事件類，它用作參數(shù)被onHitWall（HitWallEvent eventl方法處理。當(dāng)機(jī)器人撞到墻時(shí)，就調(diào)用該方法。

5）繼承。

繼承是使用已存在類的定義作為基礎(chǔ)建立新類的技術(shù)。新類的定義可以增加新的數(shù)據(jù)或新的功能，也可以用父類的功能，但不能選擇性地繼承父類。這種技術(shù)使得復(fù)用以前的代碼變得非常容易，能夠大大縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)費(fèi)用。例如可以先定義一個(gè)類：車，車有以下屬性：車體大小、顏色、方向盤、輪胎，而由車這個(gè)類派生出轎車和卡車兩個(gè)類，為轎車添加一個(gè)小后備箱，而為卡車添加一個(gè)大貨箱。

每個(gè)學(xué)生創(chuàng)建的機(jī)器人坦克類都繼承Robot類，也就是說都具有onScannedRobot、onHitByBullet、onHitRobot、onHitWall等方法。

6）多態(tài)。

首先向?qū)W生講明多態(tài)的理論概念，即重載和重寫。重載發(fā)生在一個(gè)類中，重寫發(fā)生在子類中，意思就是子類重寫父類中相同名稱的方法。

每個(gè)學(xué)生在創(chuàng)建機(jī)器人坦克類時(shí)，為了躲避敵方坦克的炮火，為了迷惑敵方坦克、不讓對方雷達(dá)過多地掃描到自己，為了盡量不撞到墻，就要編寫自己的策略代碼，覆蓋onScannedRobot、onHitByBullet、onHitRobot、onHitWall等方法。這樣學(xué)生就會明白在面向?qū)ο缶幊讨羞@就是多態(tài)。

3 悅?cè)せ瘜W(xué)習(xí)的反思

通過一個(gè)學(xué)期的教學(xué)，采用悅?cè)せ瘜W(xué)習(xí)方式，將游戲Robocode引入面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程的教學(xué)中，使學(xué)生對Java語言產(chǎn)生了濃厚的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的編程能力。在教學(xué)過程中，教師及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生將注意力集中到編程知識的學(xué)習(xí)中并演示具體技術(shù)在游戲中的運(yùn)用，會有更好的課堂教學(xué)效果。

采用悅?cè)せ虒W(xué)也存在下面一些問題：

（1）有的學(xué)生過多地使用了“試誤”的策略，這些學(xué)生對面向?qū)ο蟮木幊桃恢虢猓还茈S便編寫機(jī)器人坦克類的編碼，結(jié)果也可想而知。其實(shí)試誤也是一種重要的解決問題的策略，只不過這種學(xué)習(xí)有一定的盲目性，學(xué)習(xí)效率自然不是很高。

（2）低效的協(xié)作。有的學(xué)生經(jīng)常向?qū)W習(xí)好的學(xué)生請教問題，但是別人告訴他的只是一些支離破碎的知識點(diǎn)，而不是系統(tǒng)的答案，因此，不能很好地掌握機(jī)器人坦克設(shè)計(jì)的技巧。

（3）膚淺的反思。許多學(xué)者都認(rèn)為在游戲進(jìn)行過程中和游戲結(jié)束后進(jìn)行反思和總結(jié)是提高學(xué)習(xí)成效的有效方法，因此在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)教學(xué)中要特別強(qiáng)調(diào)反思。從課后分析中可以看出，大部分學(xué)生也都在努力反思，但不一定深刻和全面，如有的學(xué)生也反思過自己設(shè)計(jì)的坦克被擊中卻沒做出反應(yīng)的錯(cuò)誤，但是后面還是會經(jīng)常重復(fù)類似的錯(cuò)誤。

（4）簡單的查找。教師在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)教學(xué)中鼓勵(lì)學(xué)生在學(xué)習(xí)、游戲的過程中要善于通過網(wǎng)絡(luò)查找資料，但是有的學(xué)生只是簡單地查找API手冊，得到一些孤立的知識點(diǎn)。例如，有的學(xué)生也知道自己的坦克被擊中后要躲閃、反擊，但只是簡單的幾條語句的算法，并沒有系統(tǒng)地設(shè)計(jì)一個(gè)完整的算法。

4 結(jié)語

教學(xué)實(shí)踐證明，編寫Robocode不但會用到面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的知識，還會涉及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、人工智能等知識與技術(shù)，并且在游戲的過程中能夠完成學(xué)習(xí)任務(wù)，充分地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題和解決問題的能力，以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，對提高面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程的教學(xué)質(zhì)量有較大的幫助。當(dāng)然，Robocode游戲不可能囊括面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的所有方面，但是作為輔助教學(xué)工具，足以引起計(jì)算機(jī)教師的重視。下一步，我們還要對其中存在的一些問題進(jìn)行研究。

（見習(xí)編輯：劉麗麗）