以游戏为载体的高中机器人教学研究与实践
孙念龙 王燕
摘 要：随着教育观念的不断发展，人们意识到合理使用游戏化教学可以使学生集中注意力、高涨学习热情、开拓研究思维。以游戏为载体的机器人教学研究拟寻找贴近学生实际的游戏元素，探究出一种进阶式的游戏教学模式。游戏是载体，知识学习是根本，游戏化教学对教师提出了新的要求，游戏设计应遵循适度利用、合理选择的原则，并且在游戏设置时应更关注学生综合素养的培养。
关键词：游戏; 机器人; 教学模式
中图分类号：G434? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码：A? ? ?文章编号：1006-3315（2019）04-020-002
凯文·韦巴赫和丹·亨特认为，教育和工作其实就是游戏。[1]以游戏为载体的教学研究并不是一个新鲜的话题，在学前教育和基础教育中极为常见，但在以高考为指挥棒的高中阶段却并不多见。相关研究表明，游戏化学习有利于调动学生的学习积极性，激发学习动力，发展认知能力，培养学生创造力、问题解决能力、协作能力等高阶能力。[2]游戏化学习强调了寓教于乐的教育理念，凸显了游戏对教育的支持作用。[3]因此，努力回归以兴趣为主导的课堂教学，让学生在玩中学、学中玩，以期在更大程度上缓解学习压力、激发学习热情、增加学习动力。
一、以游戏为载体的高中机器人教学设计分析
高中机器人课程融合了数学、物理、机械、计算机等多门学科知识，重点培养学生的Problem-Solving解决实际问题的能力和Teamwork团队合作精神。以游戏为载体的机器人教学主要是基于机器人构件、计算机平台，结合游戏化的任务设置，让学生掌握机器人的相关知识，提高相关技能。
游戏的设计在整个教学设计中处于核心地位，它是利用游戏本身对学生的吸引力来激发学生的兴趣，将教学过程游戏化、游戏活动情境化，达到完善教学设计、优化教学过程的目的。教学活动的设计直接影响到教学过程和教学效果。因此，结合游戏的趣味性、开放性、交流性及进阶性等特性，寻找切近学生实际的游戏元素，根据教学需要发现其中的关联，并且探究出一种进阶式的游戏教学模式：入门篇——任务驱动教学;进阶篇——组队训练教学;终级篇——对抗PK教学。
在机器人教学的一系列游戏中，学生每完成一项阶段任务就可以获得相应的点数和徽章。获得一定数量的点数，可以进阶下一个项目;得到一定点数或完成某项特殊任务可以换一个徽章。最后对点数、徽章进行排名。以游戏为载体，将游戏的思维、游戏的方式应用到教学中，以其特有的趣味性、粘合性和刺激性来提高学生学习的参与度，激发学生的想象力和创造力，达成预定目标。
二、以游戏为载体的高中机器人教学实施
（一）入门篇——任务驱动教学
作为课程的第一个游戏任务，适用于入门级的学生，侧重于培养学生的实际操作技能，不宜过难，但又应具有一定的挑战性。它在教学设计中将作为学习者操作练习的工具，具有多样性、个体性的特点。[4]这两个特点在游戏中维持学生对操作与练习的兴趣，让一成不变的传统教学练习变得灵活生动。
1.游戏目标。本阶游戏任务为机器人高尔夫，要求机器人从起点出发，沿黑线行走，到指定位置挥动机械臂进行击球操作。沿途共有5个小球，机器人击完5个小球后在终点停止，场地如图1所示。
通过本阶段的学习，主要让学生熟悉机器人的组成部件、了解机器人的各种传感器、初步了解机器人的编程方式，培養学生对机器人学习的兴趣。
2.游戏过程。本阶段学生处于刚接触机器人的阶段，对机器人一无所知，因此本阶段首先重点讲解机器人的构造、工作原理、传感器、组装。此时学生会迫不及待的组装自己的机器人，而在游戏设计之初没有必要限定机器人的形态，让学生小组内讨论拼搭机器人的形式，可以是机器小车、机器蜘蛛等。在拼搭的过程中老师适时进行小组指导，如提醒注意手臂的长度、传感器的位置等。
机器人每跑完一段计1个点数，跑完全程计6个点数;机器人每击一个小球计1个点数;小球被击进洞（经过圆心位置）得1枚徽章;过程中手动干预一次扣一个点数。完成本游戏任务后共可得11个点数和5枚徽章。
本阶段任务可组织多场活动，避免由于各种原因产生的打分不科学、不合理等现像。本阶段所有点数和徽章均为客观得分，不会因为情绪原因造成得分的偏差。
拼搭完成后，教师统一讲解编程和传感器的使用。在机器人高尔夫的图纸中我们会看到前5段是完全一样的路径，因此我们可以引导学生试着通过5次循环来解决5次打球的问题，而不是每个路径都编写一段代码。
最后通过多次比赛活动得出各机器人的点数和徽章，进入下一阶段的游戏。
3.游戏总结。任务驱动模式教学可以让学生跟着任务走，让学生在快乐中学到知识，但在此过程中由于物理、数学知识的限制，有些同学在编程的过程中无法理解代码的意思，特别是5次循环，因此在游戏前可以再加强部分知识的拓展、思维的训练。
（二）进阶篇——组队训练教学
在游戏中可邀请不同的玩家一同进行完成任务、升级打怪等活动。在活动中，一个人的行为让其他成员都能够享受到奖励的形式称为组队。组队的特点是成员相互配合，“一荣俱荣”、“一损俱损”。一个成员的得失可能影响整个团队的得分。
以小组学习、小组之间合作方式让学生自主学习，遇到问题小组论讨解决，解决不了的还可以小组之间讨论。充分发挥学生的主观能动性，让学生在自我挑战、协作共进的过程中体验创造和成功的喜悦。
1.游戏目标。通过本阶段的教学需让学生更好的了解光电传感器、触碰传感器及其工作原理，了解程序的分支结构，并能画出流程图。
2.游戏过程。本阶段游戏需4台机器人同时组队参加，由该队的组长负责组织和协调工作。4台机器人进行接力比赛，第一台机器人可以手动启动，其它三台机器人都需由前面的机器人碰撞而后启动，碰撞后第一台机器人应停止运动，第四台机器人应在终点处停止。场地如图2。
每一台机器人完成路径行走及碰撞后停止得1个点数，最短时间完成此项目的小队得1枚徽章。本项目所得点数和徽章应记入每台机器人的得分中。
学生已经对该阶段机器人有了全面的了解，因此教师对机器人不需要做过多的讲解，只需把游戏任务讲解清楚。然后由第一台机器人的小组负责对四台机器人搭建的统一设计，由编程组对四台机器人进行程序设计。
此阶段的主要教学目标为光电传感器和碰撞传感器，因此在游戏过程中需让学生体会到不同的光，如早晚太阳光、日光灯的光对光电传感器的影响;碰撞力度不同对机器人的影响。编程时需学生画出流程图，并思考如何在不完成整个游戏的情况下尽可能缩短时间。
3.游戏总结。游戏活动涉及到4个小组的分工协作，要求组长具有较强的协调分配能力。同时由于组队活动造成实际操作人员的过剩，有的学生只能旁观，这就需要小组长加强管理，督促观察记录。理论和实践的统一还需进一步加强。
（三）终级篇——对抗PK教学
PK（Player Killing）是指游戏中高等级玩家之间的对决。PK模式也是游戏中最为刺激和吸引人的一种模式，在这种模式中分为“攻击者”和“守卫者”两个角色，二者通过单独对决的方式得出胜负，从而守住领地。
在教学中可通过预先设定好的对抗项目，“攻击者”、“守卫者”以打擂台的方式进行多轮对抗，直到最后得出胜利者。
1.游戏目标。通过本阶段的教学，让学生更好的了解机器人的组成和搭建，深入了解机器人的编程知识。
2.游戏过程。本游戏需两台机器人同时参加PK，两台机器人从各自的投球点出发至取球点取到球后返回投入自家的投球点，可反复取球投球直至取球点的球全部取完，取球多者获胜。每台机器人可以参加4次，分别以点数和徽章之和记入总分。场地如图3。
在规定的时间内，随机抽取两个机器人PK。机器人取一个球得1个点数，本轮获胜方得1枚徵章。
3.游戏总结。投球PK赛是所有机器人知识的综合运用阶段，也是整个机器人游戏课程的高潮部分。在这一阶段，学生已经能够根据每个阶段的任务自主设计搭建机器人结构，也能够设计流程编写机器人程序。由于机器人的程序调试是一个既考验知识技能，也锻炼性格的过程，所以本阶段的游戏重点在于深入培养学生对机器人的教育情感。
三、以游戏为载体的高中機器人教学反思
在当今的课堂教学中，游戏化教学模式备受学生青睐，但游戏只是教学的载体，知识的获取才是根本，利用游戏的趣味性、互动性、竞争性等特性，让学生主动参与学习，回归教育以“兴趣”教学为主的本质。为更好的组织游戏化教学，应注意以下问题。
（一）游戏化教学对教师提出的新要求
游戏化教学要求教师不断探索并创新教学模式，其设计要求是教师融合教学内容、连贯教学环节、突出教学目标。教师除了常规的教学设计之外，需要在渗透了游戏的教学环境中研究各教学环节之间的重要并复杂的关系，然后根据教学情境选择合适的游戏、分析游戏结果、反馈教学效果，不断调整确定最终游戏设计方案。另外，游戏化教学对教师掌握课堂教学内容、教学环节和教学目标的熟练程度提出了更高的要求，其有效性取决于教师对整个教学过程的把控水平。教师在积极探索游戏化教学方式时，不仅要吃透学科基础知识，还需要研究游戏化教学模式。在教学过程中能够灵活创设情境，设计合适方案，有的放矢的开展教学。
（二）游戏设计应遵循适度利用、合理选择的原则
在机器人教学中使用游戏是一种教学手段，作为教学手段的利用应该遵循适度利用、合理选择的原则。首先，需要明确的是游戏设计是教学过程中的充分条件，而非必要条件。教师利用游戏设计，激发学生的兴趣爱好，达到预定的教学目标，但并不是每节课都要有游戏设计环节。游戏设计的内容围绕不同的教学目的和教学内容展开，使得教学过程内容丰富、形式多样，教学效果事半功倍。其次，游戏设计的内容选择应契合教学内容，其中游戏设计的难度及其挑战性是教师考虑的重要因素之一。
（三）游戏设置应注重学生综合素养的培养
受传统观念的影响，大多数人都对游戏有偏见，觉得游戏会让人玩物丧志。但随着教育观念的不断发展，项目教学的深入研究，人们也意识到合理使用游戏化教学可以使学生的注意力更加集中、学习热情更加高涨、研究思维更加开阔。合理的游戏化教学可以给学生带来新的学习体验，让学生学得开心，同时还可以提高学生的社会交往能力。因此游戏化的教学要注重对学生智力因素和非智力因素的双重培养。在智力因素方面，侧重培养学生的注意力、观察力、逻辑思维、想象力;在非智力因素方面，侧重培养学生的兴趣与爱好、耐挫力和意志力，发展自信、活泼的性格等。教育既要“解惑”，又要“授道”，以文化为基础，培养科学精神、促进自主发展、提高社会参与，明确责任担当，注重学生综合素质的培养。
本文系江苏省教育科学“十三五”规划2018年度课题“以立德树人为导向的我国高校教学质量监控系统的建设和应用研究”（批准号为：C-c/2018/01/31）阶段研究成果。
本文系江苏省现代教育技术研究2018年度课题“教学质量监控系统设计与研究”（批准号为：2018-R-66242）阶段研究成果。
参考文献：
[1]凯文·韦巴赫，丹·亨特，周逵，王晓丹译.游戏化思维：改变未来商业的新力量[M]浙江人民出版社，2014：10-11
[2][3]陈博殷，钱扬义，李言萍.游戏化学习的应用与研究述评—基于国内外课堂中的“化学游戏化学习”[J]远程教育杂志，2017（7）：93
[4]刘艳.游戏化教学在高中信息技术课堂的应用研究，辽宁师范大学硕士学位论文[D]2015：24
