激發自主學習熱情構建機器人創新平臺

李 敏,張 毅,徐曉東,羅 萍

(重慶郵電大學自動化學院,重慶 400065)

0 引言

隨著計算機普及化程度的加深,越來越多的知識可通過網絡獲取。對大學生來說,理論知識的學習變得越來越簡單。與此同時,越來越多的學生將更多的目光和時間精力投入到實踐能力的培養上。通過對我校電氣工程及自動化專業學生近幾年的觀察發現:經過一年的理論學習,同學們在大二的時候表現出強烈的愿望,希望能參加專業性強、有趣味、能挑戰自我并從中獲得樂趣的課外科技活動。而機器人設計制作無疑是其中最能激發學生興趣、培養學生動手能力的創新型項目。

機器人技術結合了電子、電氣、自動化、機械、光電、通信、計算機等學科,對于電氣工程及自動化專業大二、大三學生來說,入門很有難度。如何引導學生在有效的學習中,設計制作出自己感興趣的、有創意的機器人,構建合適的機器人平臺顯得尤為重要。很多高校都做了不同的探討[1-5]。本文將結合我院近幾年開展機器人課外科技活動談談機器人創新平臺的建設。

1 創新平臺的構架

實踐環節在培養學生科學素養、創新能力、工程意識等方面有著明顯的優勢,具有直觀性、實踐性、綜合性和創新性的特點[6]。不管實驗體系如何完善,實驗設備如何先進,如果離開了學生的自主學習,都將無濟于事。因此,激發學生自主學習熱情,培養學生實踐動手能力就成為越來越多的高校實施素質教育的共識。就我校這幾年的情況來看,也屢屢提出開放實驗室、讓本科生參與科研等,終因資金投入、日常值守、設備維護、學生知識結構等因素而沒有很好的效果,有些甚至是曇花一現。

要建立具有梯度的、適合學生攀登的機器人創新平臺,需從政策扶持、師資培養、經費配備、學生選撥、內容編排、交流平臺、鼓勵促進等方面進行考慮。其框架結構如圖1所示。機器人創新平臺的建立是個耗時、費錢的工程,但其對學生自主性、創新性的培養卻有立竿見影的效果。而學校的政策支持是基礎。如果領導班子不重視、不支持,對于組織的老師沒有相應的鼓勵措施,沒有相應的經費支撐,這項工作就難以展開;同時,如果沒有專業的、耐心的教師隊伍,單靠學生自行摸索,一方面會損傷學生的銳氣,另一方面將極大降低學生的學習效果;在實驗內容編排上,實行梯級對待,對新進的學生可以安排簡單、容易做到的任務,讓其產生興趣,而對有一定基礎的學生則可讓其挑戰難度大的題目,幫助其確立信心;此外,對于參加并取得較好成績的學生,應給于相應的獎勵,如可以免修學分、給以精神和物質獎勵等,激發學生的學習熱情。

圖1 機器人創新平臺構架

2 實施要素

2.1 以競賽促進步

目前,國內比較有影響力的機器人方面的競賽大致分為兩類:一類是國際機器人大賽在中國的選撥賽,如每年的 FIRA機器人足球賽、ROBOCUP機器人大賽等;另一類是一些大的機器人公司所舉辦的每年一次的機器人賽事,如廣茂達杯機器人比賽。此外,還有一些以地域或校際之間組織的規模較小的機器人比賽。這些比賽一方面促使中國的機器人技術在高校快速傳播、發展起來,另一方面為各個機器人研究團體提供了廣泛交流、共同促進的平臺。鼓勵學生積極參加各種比賽,幫助他們樹立信心,開拓眼界,不斷提高。我校近幾年積極鼓勵學生參加Fira、RoboCup中國賽區的各項比賽以及國內的各企業、院校組織的邀請賽或表演賽。

2.2 合理的經費支持

機器人設計制作相比其他課外科技活動需要更多的經費支持。這一方面源于其在國內的初期發展,很多技術難點都是處于探索階段,尚未大規模成型,其研發成本高昂;另一方面,國內機器人公司尚少,規模小,創建時間短,難以提供齊全的、性價比高的零配件或制作平臺。因此,要開展機器人創新活動,需要學校提供較長足的經費支持。拿人形機器人來說,目前市場上不含視覺處理的報價在1-2萬,帶有視覺處理的在2-3萬,這還不含磨損嚴重的舵機、電機、電池等零配件的更換費用。因此,機器人創新平臺建立初期,費用主要花費在機器人購置上;而到了一定階段,學生對機器人的構造、軟硬件設計方法較了解的時候,就可以自行設計制作自己構想的機器人,此時,費用主要為結構件的制作、電路板的制作和元器件的購置等。如果學校有相應的金工實習工廠或者機械加工廠,則這些費用將會大大減少,只需添置一些常規的配件,如電機、舵機等,就可以很好的開展機器人科技活動。

2.3 培植教師隊伍

這對于大多數本科生來說,入門及提高難度均較大。沒有專門的教師隊伍進行長期的指導,學生很難堅持下去。而機器人技術發展迅猛,更新換代極快,這就要求指導教師擁有良好的專業素養、敏銳的技術眼光,跟得上最新的科學發展。同時,學生科技活動需要耗費大量的時間、精力,而指導教師一般都有各自的教學及科研任務,因此學校在政策上需對這些教師進行傾斜,以鼓勵其能長期堅持下去。很多學校都是在臨近比賽的時候,讓一些任課教師臨時指導學生,這種做法一方面沒有傳承性,不能給予學生最好的指導,另一方面,也使得學生的積累不夠,在各種比賽中難以取得好成績。因此,培養一支專業的、熱愛機器人事業的、能長期堅持的指導隊伍非常重要。

2.4 建立學生梯隊

對于本科生來說,機器人設計制作的培養期一般為1-2年,有些難度較大的項目,則可能長達3年以上。就普通參賽項目來說,從學生進入實驗室到其能獨立設計制作,時間大概為0.5-1年。而參加機器人競賽的大部分為大二或大三學生。因此,我校一般從大二學生中招收新手,其考慮為:大一學生在基礎知識上累積較少,像電路、數電、模電、單片機等主干課程都沒有學過,太早進入會加長入門時間,磨掉其對機器人的熱情,而太晚進來,則后期制作時間不夠,難以有大的突破。有些有條件的學校也會從大一學生中招收新成員。對于大一部分非常勤奮、積極要求加入的學生,我們也允許其在大一的時候以編外的身份接觸稍簡單的機器人制作。為了加深學生之間的配合和溝通,我們的做法是讓高年級同學帶領低年級的,在組隊的時候一般是2個大三+1個大二或是1個大三+2個大二模式。另外,在知識傳承上,除了他們之間的課余交流,也會定期或不定期的讓高年級同學做技術報告。實踐證明,這種方法非常有效,能夠大大減少了學習周期。

2.5 制定實驗規劃

機器人設計制作涉及到各方面的知識,對于前期培訓階段,需編排合適的實驗內容幫助學生更好、更快的度過入門階段。我們在前期培訓階段,編寫一些難易適中、針對性強、目的明確的實驗項目供這些學生練習。如傳感器數據的采集、電機、舵機的驅動控制、電源穩壓、升壓、降壓的設計以及簡單程序的編寫調試等,通過這些基本單元的練習,幫助學生實際認識機器人的組成部分、工作原理以及基本器件的使用、調試方法。對于已經入門的學生,鼓勵他們提出自己的構想,幫助分析可行性及重難點,引導其一步一步朝正確的方向前進。而對于要參加競賽的學生,則需幫助全面分析各參賽隊的特點,自身存在的問題,未解決的難點,尋找制勝的方法。

2.6 搭建交流平臺

建立一個方便各方面同學、師生之間交流的平臺十分重要。對于內部成員之間,常用的方式為各種即時通信工具,如校內的飛鴿傳書、QQ、電子郵件等,這些在點對點或群討論的時候發揮了即時、快捷的功效。而在對外展示方面,建立相關的網站則是最好的方式。很多大學都擁有自己的機器人網站,介紹了各團體機構在機器人方面的研究進展、成果,提供了機器人領域最新技術、方案,還提供了方便交流的論壇或留言板,這些均為學校、團體、所攻克的技術提供了展示窗口,為同業人員提供了大范圍內交流的平臺。

2.7 推行鼓勵措施

很多學生將巨大的熱情、時間、精力投入到機器人設計制作中,且在實踐方面獲得很大的成果,但仍需面臨繁重的學業任務。因此,學校如能在學分、評獎、評優、考研等方面給予這些學生更多的鼓勵和支持,則能引導其更有效進行本科四年的學習。例如,很多學校都有規定:在各種賽事中獲得較好名次者,可免修某一模塊的學分;評獎評優時給予優先考慮;免試讀研或考研錄取時給以加分或免復試等。這些政策極大的鼓勵學生在機器人方面的投入,也使得其能更好的規劃自己有限的學習生涯,取得更好的成績。此外,還有一些物質或精神上的獎勵等。

3 結語

綜上所述,機器人創新平臺的建立是個長期的工程,需要各方面的努力、配合,包括政策、經費、師資、學生選撥、實驗規劃等方面;但其在學生自主學習熱情、實踐能力的加強上發揮了無可替代的作用。在強調工程實踐能力的電氣工程及自動化專業,機器人創新平臺無疑是培養學生工程實踐能力、分析和解決問題能力、科學研究方法的最有效方法。

[1]鄭清春,武剛,郝麗芳.基于樂高機器人的創新設計實驗開發與實踐.實驗室科學.2008,(2):65-66

[2]田景峰.開展機器人創新設計 培養學生綜合能力.遼寧教育行政學院.2009,(6):163-164

[3]謝達.智能機器人在培養學生信息素養中的教學模式研究.中國教育信息化.2008,12:15-18

[4]張潤梅,龔劍.基于機器人足球的大學生創新素質培養的探索與實踐.計算機教育.2009,(2):22-23

[5]吳獻鋼.智能機器人創新實驗的實踐與改革.實驗科學與技術.2008,10:102-103

[6]李英俊,孫淑琴,于世鈞等.多種模式開放實驗室培養創新人才的探索與實踐.實驗室研究與探索.2007,26(3):121-124