新工科背景下RoboCup機器人足球課程教學模式探索

凌兆龍 張磊

關鍵詞：新工科；RoboCup機器人足球；教學模式；跨學科融合；團隊合作

0 引言

隨著信息技術和人工智能的迅猛發展，全球范圍內對于新工科背景下人才培養的需求日益增長[1-2]。傳統的教育模式已經無法滿足時代發展的需要，因此各類教育機構不斷嘗試創新教學方法，以適應新時代對于人才的全面要求。在這樣的背景下，RoboCup機器人足球作為一項跨學科的綜合性競賽項目，被越來越多的高校引入教學，以培養學生的綜合素養和創新能力[3-4]。

本文將圍繞新工科背景下課程RoboCup機器人足球的教學模式進行深入探索和研究。RoboCup機器人足球比賽作為機器人領域的重要競賽，是全球范圍內科技愛好者和工程師的熱門賽事。而將機器人足球引入教學，不僅為學生提供了鍛煉技術能力的平臺，更重要的是激發了學生的創新思維和團隊協作意識。

新工科背景下的教學模式注重跨學科融合和實踐能力培養[5-6]。RoboCup機器人足球課程恰恰契合了這一理念，通過機器人足球比賽項目，學生將跨越學科界限，將計算機科學、電子工程、機械工程等多個學科知識相互結合，進行創新性實踐[7]。在項目開發的過程中，學生需要運用到計算機視覺、運動控制、人工智能等多個領域的知識，將所學理論與實際應用緊密結合，從而提高學生的學習積極性和實踐動力。

因此，本文旨在對新工科背景下課程RoboCup機器人足球的教學模式進行探索和研究。通過實踐探索和教學實施，提高學生的綜合能力和創新意識，促進跨學科融合和團隊合作。本文的研究將不僅對該課程的教學實踐具有一定的指導意義，更為新工科背景下教育模式的發展與創新提供一定的借鑒和參考。

1 課程設計與構建

1.1 課程目標

RoboCup機器人足球課程的目標是培養學生具備RoboCup機器人足球比賽所需的技術能力和團隊協作能力，提高學生的創新意識和綜合能力。通過該課程的學習，學生應能夠掌握RoboCup機器人足球的基本原理、控制技術、編程與算法設計等，同時培養團隊協作和溝通能力。

1.2 課程內容

課程內容包括RoboCup機器人足球的基本原理、機器人控制技術、編程與算法設計、團隊協作與策略等。其中，RoboCup機器人足球的基本原理包括Ro?boCup機器人足球比賽的規則、機器人的結構和工作原理等；機器人控制技術包括機器人的運動控制、傳感器控制等；編程與算法設計包括機器人的編程語言、算法設計等；團隊協作與策略包括團隊的組建、協作和溝通、比賽策略的制定和執行等。

1.3 教學方法

采用項目式教學法，將學生分為多個小組，每個小組負責設計、搭建和編程自己的RoboCup機器人足球隊伍。通過實踐項目，學生能夠深入理解理論知識，提高實際操作能力。同時，課程還采用討論式教學、案例教學等多種教學方法，激發學生的學習興趣以及提高學生的學習積極性。

1.4 課程實施

課程實施過程中，教師引導學生進行項目實踐，組織學生進行討論和交流，提供技術指導。在項目實踐過程中，教師還引導學生進行自我評估和團隊評估，以提高學生的自我管理和團隊協作能力。

1.5 課程評估

課程評估采用多元化評估方式，包括學生學習成績、比賽成績、團隊協作能力。學習成績主要評估學生在課堂上的表現、作業完成情況、實踐項目完成情況；比賽成績主要評估學生設計的機器人性能、比賽策略執行；團隊協作能力主要評估學生在團隊中的溝通協作、分工合作。

1.6 教學資源

為了保障課程的有效實施，配備相應的教學資源，包括RoboCup機器人足球比賽場地、機器人器材、編程軟件等。此外，還提供了一些在線資源，如教學視頻、講義、案例等，方便學生進行自主學習和復習。

1.7 課程創新與改進

針對新工科背景下的教育需求，本課程在教學過程中不斷進行創新與改進。例如，引入了跨學科的知識和技能，如計算機視覺、人工智能等，以豐富課程內容，提高學生的綜合能力。同時，通過加強與企業的合作，引入實際工程項目，提高課程的實用性和針對性。

通過以上課程設計與構建，本課程旨在培養具備創新意識、跨學科融合和團隊合作能力的工程人才，滿足新工科教育的需求。在課程實施過程中，教師和學生共同參與，不斷優化課程內容和教學方法，以提高教學質量和學生的學習成效。

2 實施過程與實踐環節

2.1 實施過程

課程的實施過程是一個動態的、互動的、實踐的過程。在這個過程中，教師和學生共同參與，共同完成課程的目標和任務，如圖1所示。

首先，教師會向學生介紹RoboCup機器人足球的基本原理和規則，講解機器人的結構和工作原理，以及機器人的控制技術和編程方法。然后，學生會根據教師的指導，以小組的形式進行機器人的設計和搭建。在機器人的設計和搭建過程中，學生會遇到各種問題，如機器人的運動控制、傳感器的使用、編程語言的掌握等。這時，教師會提供技術指導和輔導，幫助學生解決問題，完成機器人的設計和搭建。

接下來，學生會進行機器人的編程和算法設計。在這個過程中，學生需要運用所學的編程語言和算法知識，實現對機器人的控制，使其能夠完成比賽所需的任務。在這個過程中，教師會引導學生進行討論和交流，分享彼此的編程經驗和算法設計思路，提高學生的編程能力和創新意識。

最后，學生會參與RoboCup機器人足球比賽。在比賽中，學生需要運用所學的知識和技能，制定比賽策略，控制機器人進行比賽。在這個過程中，學生能夠鍛煉自己的團隊合作能力和溝通能力，提高自己的應變能力和競爭力。

2.2 實踐環節

實踐環節是課程的重要組成部分，也是學生掌握知識和技能的重要途徑。在實踐環節中，學生需要親自操作、親身體驗，從而提高自己的實際操作能力和創新意識。

首先，在機器人的設計和搭建環節，學生需要根據比賽的要求和規則，設計出符合要求的機器人，并搭建出穩定的機器人結構。這個過程中，學生需要運用所學的知識和技能，進行機器人的設計和搭建，從而提高自己的創新意識和實際操作能力。

其次，在機器人的編程和算法設計環節，學生需要根據比賽的要求和規則，編寫出符合要求的程序，并設計出高效的算法。這個過程中，學生需要運用所學的編程語言和算法知識，進行程序的編寫和算法的設計，從而提高自己的編程能力和創新意識。

最后，在RoboCup機器人足球比賽的環節，學生需要親自操作機器人，參與比賽。這個過程中，學生需要運用所學的知識和技能，進行比賽的控制和策略的制定，從而提高自己的團隊合作能力和溝通能力，提高自己的應變能力和競爭力。

總而言之，實施過程與實踐環節是課程的重要組成部分，也是學生掌握知識和技能的重要途徑。在實施過程與實踐環節中，學生需要親自操作，親身體驗，從而提高自己的實際操作能力和創新意識，提高自己的團隊合作能力和溝通能力，提高自己的應變能力和競爭力。

3 教學資源配備

為了確保RoboCup機器人足球課程的高效實施，教學資源的配備至關重要。這些資源不僅包括物理設備，還包括軟件工具、教材和輔助材料，以及在線學習平臺等。

3.1 物理設備

物理設備是教學資源的基礎，它包括RoboCup機器人足球比賽場地、機器人器材、傳感器、控制器、編程設備等。比賽場地應具備一定的規模和設施，能夠容納多支隊伍同時進行比賽。機器人器材應包括各種型號和功能的機器人，以滿足不同學生的學習需求。傳感器和控制器是機器人核心部件，用于接收和處理信號，控制機器人的運動。編程設備包括計算機、編程軟件和調試工具，用于編寫和調試機器人的程序。

3.2 軟件工具

軟件工具是教學資源的重要組成部分，它包括編程語言、開發環境、仿真軟件、數據分析工具等。編程語言（如Python、C++等）是學生編寫機器人控制程序的基礎。開發環境（如Eclipse、Visual Studio等）應提供方便的編程、調試和測試功能。仿真軟件（如Matlab、ROS等）可以幫助學生在不實際操作機器人的情況下，模擬機器人的運動和控制效果。數據分析工具（如Excel、SPSS等）可以幫助學生分析比賽數據，優化機器人的性能和策略。

3.3 教材和輔助材料

教材和輔助材料是學生學習和參考的重要資源，它包括教科書、實驗指導書、技術手冊、案例研究等。教科書應涵蓋RoboCup機器人足球的基本原理、技術和策略等方面的內容；實驗指導書應詳細描述實驗步驟、注意事項和預期結果；技術手冊應提供機器人器材的詳細說明、編程指南和故障排除方法；案例研究應展示成功的RoboCup機器人足球比賽案例，分析其成功因素和可借鑒的經驗。

3.4 在線學習平臺

在線學習平臺是教學資源的重要補充，它提供了一系列的在線資源和工具，方便學生進行自主學習和交流。在線學習平臺可以提供視頻教程、講義、作業提交、討論區等功能。視頻教程可以幫助學生直觀地學習機器人的搭建和編程過程。講義可以提供課程的詳細內容和重要概念。作業提交和討論區可以促進學生與教師、同學之間的互動和交流。

3.5 實踐項目

實踐項目是教學資源的重要組成部分，它包括設計、搭建、編程和比賽等環節。通過實踐項目，學生能夠將理論知識應用到實際操作中，提高自己的技能和能力。實踐項目應具有一定的挑戰性和創新性，鼓勵學生積極探索和解決問題。

3.6 技術支持和維護

技術支持和維護是確保教學資源正常運作的關鍵。教師和技術人員應提供及時的技術支持和維護服務，解決學生在使用教學資源過程中遇到的問題。技術支持和維護包括機器人器材的維修、軟件工具的更新和升級、在線學習平臺的維護等。通過以上教學資源的配備，學生能夠在一個完備的環境中學習和實踐，提高自己的技術能力和創新意識。教學資源的合理配備和使用，能夠有效支持課程的教學活動。

4 學習成效評估

學生的學習成效評估如圖2所示，具體的每個環節如下。

4.1 評估方法

學習成效評估是課程教學的重要環節，它能夠幫助教師了解學生的學習情況，也為學生提供反饋，幫助他們認識到自己的優勢和不足。評估方法應多元化，包括形成性評估和總結性評估。形成性評估主要在課程進行過程中進行，目的是及時了解學生的學習進展，幫助學生調整學習策略。總結性評估則是在課程結束后進行，目的是對學生的學習成果進行全面評價。評估方法可以包括課堂表現、作業完成情況、實踐項目成果、比賽成績、團隊協作能力等。

4.2 評估指標

評估指標是評估學生學習成效的具體標準，它應具有可量化和可比較的特點。評估指標應涵蓋知識掌握、技能應用、團隊合作、創新能力等方面。知識掌握主要評估學生對RoboCup機器人足球基本原理、控制技術、編程語言等知識的理解和掌握程度；技能應用則評估學生在實際操作中運用所學知識解決問題的能力；團隊合作評估學生在團隊中的溝通協作、分工合作等能力；創新能力評估學生的創新思維、問題解決能力以及對新技術的探索和運用能力。

4.3 評估標準

評估標準是對評估指標的具體量化，它應具有明確性和可操作性的特點。評估標準可以根據課程目標和教學內容進行設定，如課堂表現可以根據出勤、參與討論、完成實驗等情況進行評分；作業完成情況可以根據作業的準確性、完整性、創新性等進行評分；實踐項目成果可以根據項目的完成度、技術難度、創新性等進行評分；比賽成績可以根據比賽的名次、比賽策略、團隊合作等進行評分；團隊協作能力可以根據團隊溝通、協作效率、團隊成果等進行評分。

4.4 學生反饋

學生反饋是評估的重要環節，它可以幫助教師了解學生的學習體驗，也為教學改進提供依據。學生反饋可以通過問卷調查、訪談、討論等方式進行收集。問卷調查可以了解學生對課程內容、教學方法、教學資源等方面的滿意度和建議；訪談可以深入了解學生的學習體驗、學習困難、學習收獲等方面；討論則可以在課堂上或課后組織，讓學生就課程的相關問題進行交流討論。

4.5 結果分析

評估結果的分析是對學生學習成效的深入解讀，它可以幫助教師了解學生的學習狀況，也為教學改進提供參考。結果分析可以從以下幾個方面進行：首先，分析學生的學習成績分布，了解學生的知識掌握情況；其次，分析學生的實踐項目成果，了解學生的技能應用情況；再次，分析學生的比賽成績，了解學生的團隊合作和創新能力；最后，分析學生的反饋，了解學生的學習體驗和教學的效果。

通過以上學習成效評估的實施，教師可以全面了解學生的學習情況，及時調整教學策略，提高教學效果。同時，學生也可以通過評估了解自己的學習成效，找到自己的優勢和不足，調整學習策略，提高自己的學習效果。

5 結果與討論

5.1 結果概述

通過RoboCup機器人足球課程的學習和實踐活動，學生不僅在技術層面上取得了顯著的進步，還在團隊合作、創新思維和問題解決等方面展現了明顯的提升。課程結束后，學生普遍反映通過該課程的學習，對RoboCup機器人足球有了更深入的理解，能夠在實際操作中運用所學的知識和技術，有效提升了自身的工程實踐能力。

5.2 技術能力提升

學生在機器人的設計、搭建和編程方面取得了顯著的進步。通過實踐項目的鍛煉，學生能夠獨立完成機器人的設計藍圖，準確搭建機器人結構，并編寫出高效的控制程序。在課程結束時的RoboCup機器人足球比賽中，學生隊伍展現出了良好的競技狀態，機器人在場上的表現穩定，能夠完成復雜的動作和戰術配合。

5.3 團隊合作與溝通能力

課程強調團隊合作，學生在共同完成項目的過程中，學會了如何有效溝通、協調分工和解決團隊內部的沖突。通過多次的團隊合作練習，學生在比賽中的團隊協作能力得到了明顯提升，能夠在緊張的比賽中保持冷靜，迅速做出決策，并有效地執行比賽策略。

5.4 創新思維與問題解決

課程鼓勵學生創新思維，學生在面對設計和編程中的難題時，能夠運用所學知識，提出創新的解決方案。在比賽過程中，學生面對各種突發狀況，能夠迅速分析問題，調整策略，展現了良好的應變能力和問題解決能力。

5.5 教學反饋與改進

課程結束后，教師收集了學生的反饋，對教學方法和課程內容進行了評估。學生普遍認為課程內容豐富、實踐性強，能夠激發學習興趣。同時，學生也對課程提出了一些建議，如增加更多高級編程技巧的教學、提供更多實際案例分析等。教師根據學生的反饋，對課程進行了優化和調整，以提高未來的教學效果。

5.6 討論與展望

課程的成功實施表明，將實踐導向的教學方法應用于新工科教育中，能夠有效提升學生的綜合能力和創新意識。通過參與RoboCup機器人足球比賽，學生不僅提高了技術能力，還在團隊合作、創新思維和問題解決等方面得到了全面的鍛煉。

展望未來，隨著技術的不斷進步和教育的持續創新，將有更多類似RoboCup機器人足球這樣的課程出現，以適應新工科教育的發展需求。這些課程將更加注重學生的實踐能力和創新能力的培養，通過跨學科的學習和實踐，培養出更多具備未來競爭力的工程人才。此外，隨著人工智能、機器人技術等領域的快速發展，RoboCup機器人足球比賽也將變得更加智能化和復雜化。未來的比賽可能會引入更高級的傳感器、更復雜的算法和更智能的決策系統。這將對學生提出更高的要求，也意味著課程內容和教學方法需要不斷更新和改進，以適應技術的發展和教育的變革。

總之，RoboCup機器人足球課程作為一種實踐導向的教學模式，展現了實踐導向教學在新工科教育中的潛力和價值。通過不斷的實踐和探索，相信能夠培養出更多具備實踐能力和創新能力的工程人才，為社會和產業的發展做出貢獻。