以游戲為載體的高中機器人教學研究與實踐

孫念龍 王燕

摘 要：隨著教育觀念的不斷發展，人們意識到合理使用游戲化教學可以使學生集中注意力、高漲學習熱情、開拓研究思維。以游戲為載體的機器人教學研究擬尋找貼近學生實際的游戲元素，探究出一種進階式的游戲教學模式。游戲是載體，知識學習是根本，游戲化教學對教師提出了新的要求，游戲設計應遵循適度利用、合理選擇的原則，并且在游戲設置時應更關注學生綜合素養的培養。

關鍵詞：游戲; 機器人; 教學模式

中圖分類號：G434? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-3315（2019）04-020-002

凱文·韋巴赫和丹·亨特認為，教育和工作其實就是游戲。[1]以游戲為載體的教學研究并不是一個新鮮的話題，在學前教育和基礎教育中極為常見，但在以高考為指揮棒的高中階段卻并不多見。相關研究表明，游戲化學習有利于調動學生的學習積極性，激發學習動力，發展認知能力，培養學生創造力、問題解決能力、協作能力等高階能力。[2]游戲化學習強調了寓教于樂的教育理念，凸顯了游戲對教育的支持作用。[3]因此，努力回歸以興趣為主導的課堂教學，讓學生在玩中學、學中玩，以期在更大程度上緩解學習壓力、激發學習熱情、增加學習動力。

一、以游戲為載體的高中機器人教學設計分析

高中機器人課程融合了數學、物理、機械、計算機等多門學科知識，重點培養學生的Problem-Solving解決實際問題的能力和Teamwork團隊合作精神。以游戲為載體的機器人教學主要是基于機器人構件、計算機平臺，結合游戲化的任務設置，讓學生掌握機器人的相關知識，提高相關技能。

游戲的設計在整個教學設計中處于核心地位，它是利用游戲本身對學生的吸引力來激發學生的興趣，將教學過程游戲化、游戲活動情境化，達到完善教學設計、優化教學過程的目的。教學活動的設計直接影響到教學過程和教學效果。因此，結合游戲的趣味性、開放性、交流性及進階性等特性，尋找切近學生實際的游戲元素，根據教學需要發現其中的關聯，并且探究出一種進階式的游戲教學模式：入門篇——任務驅動教學;進階篇——組隊訓練教學;終級篇——對抗PK教學。

在機器人教學的一系列游戲中，學生每完成一項階段任務就可以獲得相應的點數和徽章。獲得一定數量的點數，可以進階下一個項目;得到一定點數或完成某項特殊任務可以換一個徽章。最后對點數、徽章進行排名。以游戲為載體，將游戲的思維、游戲的方式應用到教學中，以其特有的趣味性、粘合性和刺激性來提高學生學習的參與度，激發學生的想象力和創造力，達成預定目標。

二、以游戲為載體的高中機器人教學實施

（一）入門篇——任務驅動教學

作為課程的第一個游戲任務，適用于入門級的學生，側重于培養學生的實際操作技能，不宜過難，但又應具有一定的挑戰性。它在教學設計中將作為學習者操作練習的工具，具有多樣性、個體性的特點。[4]這兩個特點在游戲中維持學生對操作與練習的興趣，讓一成不變的傳統教學練習變得靈活生動。

1.游戲目標。本階游戲任務為機器人高爾夫，要求機器人從起點出發，沿黑線行走，到指定位置揮動機械臂進行擊球操作。沿途共有5個小球，機器人擊完5個小球后在終點停止，場地如圖1所示。

通過本階段的學習，主要讓學生熟悉機器人的組成部件、了解機器人的各種傳感器、初步了解機器人的編程方式，培養學生對機器人學習的興趣。

2.游戲過程。本階段學生處于剛接觸機器人的階段，對機器人一無所知，因此本階段首先重點講解機器人的構造、工作原理、傳感器、組裝。此時學生會迫不及待的組裝自己的機器人，而在游戲設計之初沒有必要限定機器人的形態，讓學生小組內討論拼搭機器人的形式，可以是機器小車、機器蜘蛛等。在拼搭的過程中老師適時進行小組指導，如提醒注意手臂的長度、傳感器的位置等。

機器人每跑完一段計1個點數，跑完全程計6個點數;機器人每擊一個小球計1個點數;小球被擊進洞（經過圓心位置）得1枚徽章;過程中手動干預一次扣一個點數。完成本游戲任務后共可得11個點數和5枚徽章。

本階段任務可組織多場活動，避免由于各種原因產生的打分不科學、不合理等現像。本階段所有點數和徽章均為客觀得分，不會因為情緒原因造成得分的偏差。

拼搭完成后，教師統一講解編程和傳感器的使用。在機器人高爾夫的圖紙中我們會看到前5段是完全一樣的路徑，因此我們可以引導學生試著通過5次循環來解決5次打球的問題，而不是每個路徑都編寫一段代碼。

最后通過多次比賽活動得出各機器人的點數和徽章，進入下一階段的游戲。

3.游戲總結。任務驅動模式教學可以讓學生跟著任務走，讓學生在快樂中學到知識，但在此過程中由于物理、數學知識的限制，有些同學在編程的過程中無法理解代碼的意思，特別是5次循環，因此在游戲前可以再加強部分知識的拓展、思維的訓練。

（二）進階篇——組隊訓練教學

在游戲中可邀請不同的玩家一同進行完成任務、升級打怪等活動。在活動中，一個人的行為讓其他成員都能夠享受到獎勵的形式稱為組隊。組隊的特點是成員相互配合，“一榮俱榮”、“一損俱損”。一個成員的得失可能影響整個團隊的得分。

以小組學習、小組之間合作方式讓學生自主學習，遇到問題小組論討解決，解決不了的還可以小組之間討論。充分發揮學生的主觀能動性，讓學生在自我挑戰、協作共進的過程中體驗創造和成功的喜悅。

1.游戲目標。通過本階段的教學需讓學生更好的了解光電傳感器、觸碰傳感器及其工作原理，了解程序的分支結構，并能畫出流程圖。

2.游戲過程。本階段游戲需4臺機器人同時組隊參加，由該隊的組長負責組織和協調工作。4臺機器人進行接力比賽，第一臺機器人可以手動啟動，其它三臺機器人都需由前面的機器人碰撞而后啟動，碰撞后第一臺機器人應停止運動，第四臺機器人應在終點處停止。場地如圖2。

每一臺機器人完成路徑行走及碰撞后停止得1個點數，最短時間完成此項目的小隊得1枚徽章。本項目所得點數和徽章應記入每臺機器人的得分中。

學生已經對該階段機器人有了全面的了解，因此教師對機器人不需要做過多的講解，只需把游戲任務講解清楚。然后由第一臺機器人的小組負責對四臺機器人搭建的統一設計，由編程組對四臺機器人進行程序設計。

此階段的主要教學目標為光電傳感器和碰撞傳感器，因此在游戲過程中需讓學生體會到不同的光，如早晚太陽光、日光燈的光對光電傳感器的影響;碰撞力度不同對機器人的影響。編程時需學生畫出流程圖，并思考如何在不完成整個游戲的情況下盡可能縮短時間。

3.游戲總結。游戲活動涉及到4個小組的分工協作，要求組長具有較強的協調分配能力。同時由于組隊活動造成實際操作人員的過剩，有的學生只能旁觀，這就需要小組長加強管理，督促觀察記錄。理論和實踐的統一還需進一步加強。

（三）終級篇——對抗PK教學

PK（Player Killing）是指游戲中高等級玩家之間的對決。PK模式也是游戲中最為刺激和吸引人的一種模式，在這種模式中分為“攻擊者”和“守衛者”兩個角色，二者通過單獨對決的方式得出勝負，從而守住領地。

在教學中可通過預先設定好的對抗項目，“攻擊者”、“守衛者”以打擂臺的方式進行多輪對抗，直到最后得出勝利者。

1.游戲目標。通過本階段的教學，讓學生更好的了解機器人的組成和搭建，深入了解機器人的編程知識。

2.游戲過程。本游戲需兩臺機器人同時參加PK，兩臺機器人從各自的投球點出發至取球點取到球后返回投入自家的投球點，可反復取球投球直至取球點的球全部取完，取球多者獲勝。每臺機器人可以參加4次，分別以點數和徽章之和記入總分。場地如圖3。

在規定的時間內，隨機抽取兩個機器人PK。機器人取一個球得1個點數，本輪獲勝方得1枚徵章。

3.游戲總結。投球PK賽是所有機器人知識的綜合運用階段，也是整個機器人游戲課程的高潮部分。在這一階段，學生已經能夠根據每個階段的任務自主設計搭建機器人結構，也能夠設計流程編寫機器人程序。由于機器人的程序調試是一個既考驗知識技能，也鍛煉性格的過程，所以本階段的游戲重點在于深入培養學生對機器人的教育情感。

三、以游戲為載體的高中機器人教學反思

在當今的課堂教學中，游戲化教學模式備受學生青睞，但游戲只是教學的載體，知識的獲取才是根本，利用游戲的趣味性、互動性、競爭性等特性，讓學生主動參與學習，回歸教育以“興趣”教學為主的本質。為更好的組織游戲化教學，應注意以下問題。

（一）游戲化教學對教師提出的新要求

游戲化教學要求教師不斷探索并創新教學模式，其設計要求是教師融合教學內容、連貫教學環節、突出教學目標。教師除了常規的教學設計之外，需要在滲透了游戲的教學環境中研究各教學環節之間的重要并復雜的關系，然后根據教學情境選擇合適的游戲、分析游戲結果、反饋教學效果，不斷調整確定最終游戲設計方案。另外，游戲化教學對教師掌握課堂教學內容、教學環節和教學目標的熟練程度提出了更高的要求，其有效性取決于教師對整個教學過程的把控水平。教師在積極探索游戲化教學方式時，不僅要吃透學科基礎知識，還需要研究游戲化教學模式。在教學過程中能夠靈活創設情境，設計合適方案，有的放矢的開展教學。

（二）游戲設計應遵循適度利用、合理選擇的原則

在機器人教學中使用游戲是一種教學手段，作為教學手段的利用應該遵循適度利用、合理選擇的原則。首先，需要明確的是游戲設計是教學過程中的充分條件，而非必要條件。教師利用游戲設計，激發學生的興趣愛好，達到預定的教學目標，但并不是每節課都要有游戲設計環節。游戲設計的內容圍繞不同的教學目的和教學內容展開，使得教學過程內容豐富、形式多樣，教學效果事半功倍。其次，游戲設計的內容選擇應契合教學內容，其中游戲設計的難度及其挑戰性是教師考慮的重要因素之一。

（三）游戲設置應注重學生綜合素養的培養

受傳統觀念的影響，大多數人都對游戲有偏見，覺得游戲會讓人玩物喪志。但隨著教育觀念的不斷發展，項目教學的深入研究，人們也意識到合理使用游戲化教學可以使學生的注意力更加集中、學習熱情更加高漲、研究思維更加開闊。合理的游戲化教學可以給學生帶來新的學習體驗，讓學生學得開心，同時還可以提高學生的社會交往能力。因此游戲化的教學要注重對學生智力因素和非智力因素的雙重培養。在智力因素方面，側重培養學生的注意力、觀察力、邏輯思維、想象力;在非智力因素方面，側重培養學生的興趣與愛好、耐挫力和意志力，發展自信、活潑的性格等。教育既要“解惑”，又要“授道”，以文化為基礎，培養科學精神、促進自主發展、提高社會參與，明確責任擔當，注重學生綜合素質的培養。

本文系江蘇省教育科學“十三五”規劃2018年度課題“以立德樹人為導向的我國高校教學質量監控系統的建設和應用研究”（批準號為：C-c/2018/01/31）階段研究成果。

本文系江蘇省現代教育技術研究2018年度課題“教學質量監控系統設計與研究”（批準號為：2018-R-66242）階段研究成果。

參考文獻：

[1]凱文·韋巴赫，丹·亨特，周逵，王曉丹譯.游戲化思維：改變未來商業的新力量[M]浙江人民出版社，2014：10-11

[2][3]陳博殷，錢揚義，李言萍.游戲化學習的應用與研究述評—基于國內外課堂中的“化學游戲化學習”[J]遠程教育雜志，2017（7）：93

[4]劉艷.游戲化教學在高中信息技術課堂的應用研究，遼寧師范大學碩士學位論文[D]2015：24