通过虚拟机器人竞赛激励加州大学伯克利分校(UCBerkeley)的新生学习.pdfVIP

查看更多文章并在/newsletters上订阅 通过虚拟机器人竞赛激励加州大学伯克利分校 (UC Berkeley) 的 新生学习编程 作者：加州大学伯克利分校 (UC Berkeley) Timmy Siauw 加州大学伯克利分校 (UC Berkeley) 的 Engineering 7课程 (Introduction to Programming for Engineers, 工程师编程介绍)., 简称为 E7，. 每个学期都会招收 400 多名新生。该课程主要为学生讲授一些在整个大学期间，以及工作中都能运用的编程技能。 E7 通过 MATLAB? 进行授课，已经有超过 15 年的历史。除了帮助学生们快速学习计算机编程的基础以外，对于学习如何运用 数学模型和计算方法，MATLAB 也是一个非常理想的环境。在加州大学伯克利分校 (UC Berkeley)，许多高级工程课程都整合 了MATLAB，学生在 E7 获得的编程技能，都能在这些工程课程中得到运用和加强。正如一位教授所言，MATLAB 的一个主要 优势就是能够对一系列工程学科的构想建立原型并进行测试，而不用担心低层次的编程细节，如内存分配等。 作为 E7 的主要助教 (TA)，我最近和 Alex Bayen 教授合作，为课程增加了一些新的内容： MATLAB 虚拟机器人编程竞赛。与 许多入门编程的作业不同，此竞赛为学生提供了良好的机会，使其通过解决开放式设计问题来展现创新精神和独创精神。此竞 赛通过让学生以一种有意义的方式来应用编程规则，利用学生们喜欢竞争的天性，使他们全身心地投入到竞赛中，并且为得到 满意成绩而加倍努力, 从而达到激励学习的目的。上学期的竞赛举行之后，导师们受到了此课程有史以来从未有过的关注度和 好评，我认为这主要是由于将竞赛作为教学工具取得了成功。 做好基础编程准备 每周的 E7 课程包括教授主讲的两节一小时授课、由助教主持的一次讨论和两次两小时的实验课。我们极力鼓励学生在实验室 完成他们的每周作业，或者在自己的电脑上使用 MATLAB 和 Simulink 学生版进行独立作业。 大部分学生来上 E7 课程时都不会编程，也不会使用 MATLAB。为了帮助他们熟悉 MATLAB 环境，并将 MATLAB 的使用跟他 们已经学会的概念联系起来，我们??第一次实验课时将 MATLAB 作为一种高级计算器使用。 最先介绍的编程概念包括变量和函数。在过去几年中，学生发现难以准确把握变量使用。现在，我们很早将其引入并在整个过 程中进行强化。学习变量和函数后，我们逐步介绍 MATLAB 中的分支语句、循环、递归和绘图。 尽早让学生学习如何编写函数，，这也是自动评分系统另外一个目的。在每次作业中，学生都要编写一个 MATLAB 函数，能 够用给定的一组输入数据生成结果。他们向加州大学伯克利分校 (UC Berkeley) 基于 MATLAB 开发的自动评分系统提交作业。 该系统用我们分享和没分享过的输入数据来测试学生的函数。自动评分减轻了助教繁重的工作量，从而有更多的时间来与学生 互动。 然而最重要的是，实际上学生在用 MATLAB 代替 C 语言编程时，学习得更快，也会应用得更好。因为无需要担心低层次细 节，如指针、内存分配、类型声明、预处理、编译或链接等，所以有更多的时间去探索实际的编程概念和实践。 推进计算方法 当学生们都精通编程的基础知识时，他们就开始编写机器人，授课和作业的重点也转移到计算方法。他们使用 MATLAB，完 成线性代数、最小二乘回归、插值、求根以及数值微分与积分等作业。在期末作业中，他们计算常微分方程的数值解。 在课程的这个阶段，学生们开始学习到如何应用MATLAB 解决跨学科的工程问题。与此同时，他们继续深化对编程原则的理 解，并使用 MATLAB 来构建自己的机器人。他们从第五周开始到学期末编写机器人程序，并在最后一周举行竞赛。 1 机器人竞赛规则 在机器人战斗中，两个学生编程的机器人在一个虚拟的地图上展开针锋相对的比赛，地图上有燃料箱和炸弹（图 1）。当两个机器人之间距离小于 5 个单位时，比赛结束，获得燃料最多的机器人获胜。在每个回合，机