基于機器人創新訓練的工程實踐模式研究

劉叔軍 毛麗民

【摘要】機器人競賽作為高技術對抗賽，涉及諸多前沿技術領域，是大學生創新素質培養的重要平臺。本文從提高學生綜合水平和素質、擴大學生受益面等方面分析了機器人創新訓練對增強學生學習主動性，提高學生學習能力、研究能力和工程實踐能力的重要意義，機器人創新實踐模式的構建。以學科競賽、科技創新、項目研發為主線，激發學生學習興趣、創新意識與科研熱情。將機器人作為典型工程對象引入工程教育，進行三個層面的訓練。最后探討了基于機器人的創新型工程訓練實施策略和機器人創新平臺的建設實施。

【關鍵詞】機器人創新能力工程實踐

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）10-0241-02

近年來，機器人作為自動化、電子學、計算機技術、人工智能、機械學等學科的典型載體， 被廣泛作為我國高校教學和研究的選題之一， 各級各類機器人競賽活動也在全國各地廣泛開展。該活動的開展，有力地推動了大學生實踐創新能力的提高，促進了大學實踐教學的改革，同時也為廣大學生提供了學習和創新的舞臺，進一步加強了學生提出問題、分析問題和解決問題能力的培養[1，2]。

一、機器人創新作為學生工程實踐模式的必要性

美國哈佛大學教育研究所的霍華德·加德納教授認為，“一個人全身心投入一項活動中，主動去問、去想、去尋找問題的答案，這是獲取和積累知識的最佳途徑。被動的接受會隨時間的流逝很快被遺忘，不會產生持久的影響。”選擇機器人作為典型工程對象培養學生能力，主要考慮到借助于各級各類機器人競賽活動，激發學生的學習興趣，以達到提高學生綜合水平和素質，擴大學生受益面的目的[3]。

總體來說，機器人創新訓練可以培養學生以下幾個方面的能力：

1.基礎知識的熟練掌握和靈活應用能力

學生通過對基本元器件應用、基本實用電路設計以及繼電器、保護器、溫控器的應用與設計，將所學理論知識靈活應用于基礎電路訓練項目中，為下一步機器人控制電路設計奠定了一個良好的基礎。

2.專業知識的綜合應用能力

學生按競賽項目要求構建相應的機器人系統，將所學習的電路、數電模電、單片機、傳感器技術、計算機控制技術、控制系統分析與設計等諸多本學科專業知識與機械設計加工、計算機應用等學科知識相結合[4]，培養學生綜合靈活應用專業知識的能力。

3.分析問題、解決問題和獨立思考能力

競賽機器人要求學生從車體設計、控制器設計、電源管理、傳感器應用、系統安裝調試到軟件設計，最終構建一個完整的控制系統，學生在整個過程中，綜合應用所學知識，查閱相關資料、方案論證，傳感器選擇與布置，在完成基本任務的前提下，不斷完善機器人的軟硬件系統，以提高機器人的整體性能，這是一個不斷提高、不斷完善的過程，此過程中學生一直處于獨立思考、分析問題、解決問題的狀態中。

4.樹立自信，不畏挫折，吃苦耐勞、踏實勤懇、周密嚴謹的科學研究態度

競賽機器人的設計訓練中，涉及諸多專業知識，當然也包括需要自學一些知識，在方案設計、安裝測試、軟硬件聯調、性能優化過程中，每一個細節都要認真對待，所遇到的每一個難題都必須解決，此過程能很好的培養學生的科學研究態度。

5.老實做人、踏實做事、團體協作的綜合素質

從競賽機器人的設計、調試、優化、完善，直到比賽結束，需要小組成員全力協作，認真對待遇到的難題，相互交流，集思廣益，此過程中學生會通過交流，達成共識，并促進相互理解。

二、機器人創新工程實踐模式的構建

以學科競賽、科技創新、項目研發為主線，以校內外創新平臺實踐為基礎，采用階梯化培養模式，擴大學生受益面，提升學生的整體素質，培養新形勢下“卓越”自動化技術人才。

基于機器人創新工程實踐平臺階梯化學生培養模式，如圖1所示，通過科技創新活動、大學生電子設計競賽、智能汽車競賽、機器人競賽、“挑戰杯”比賽、工程項目研發等激發學生的學習興趣，煅煉學生分析、解決和綜合運用所學知識的能力和技巧[5]。使學生及早涉足科研活動。充分利用機器人技術創新平臺，為學生提供一個真實的工業環境，讓學生建立材料、工藝、加工設備、生產效率和產品質量之間相互關系的概念，掌握各種加工方法和設備的合理運用，煅煉學生尋求、接受新科技的敏銳性，培養人的求知精神和自我知識更新的能力，授人以“漁”。

圖1基于機器人創新工程實踐平臺的階梯化學生培養模式

三、機器人創新工程實踐模式下的教學方式方法改革

充分調動學生學習積極性，激勵學生自主學習。促進科研與教學互動，及時把科研成果轉化為教學內容。鼓勵本科生參與科研活動，早進課題、早進實驗室、早進團隊。

1.突出基于項目的“研中學”、“做中學”教學模式

進行基于問題、基于項目、基于設計的教學，增強學生的工程設計能力和工程知識運用能力，改革課程的考核方法，引導學生從注重“考試結果”向注重“學習過程”轉變，增強學生的學習主動性，提高學生的學習能力、研究能力和工程實踐能力[6]。

在工程基礎課程和工程專業課程教學過程中，依托機器人創新平臺，使學生們透過“真實的工廠環境”獲得處理工程問題的實際經驗。全面采用基于項目的教學模式，采取以問題為導向，以大作業、專題研究報告、文獻綜述報告、研究性實驗報告等為載體的探索式學習模式，注重培養學生從工程全局出發，綜合運用多學科知識、各種技術和現代工程工具解決工程實際問題的能力和綜合素質，強化培養學生的自主學習能力、創新意識和探索未知領域的興趣。

2.注重創新教育，將學生創新成果推廣至課堂教學

經過一些年的創新教育的積累，產生了大量較高水平的學生科技作品和成果，這些成果源自高年級學生，對于低年級的同學非常有說服力，可以激發學生的學習興趣、自信心和主動性。可以將這些成果以課程進行分類，由任課教師進行講解，也可由作品完成的同學進行講解，重點講解解決問題的思路和方法，以及需要哪些知識、技術的綜合。也可進行討論式教學，針對某個作品大家發表各自的意見或者提出改進的建議，有能力的同學可進行重新設計。

3.推進企業工程師場景化課堂教學，增加課堂教學工程案例

機器人技術已經廣泛應用于周邊生產制造企業，企業工程師有著豐富的工程項目經驗，對問題的思考角度與校內教師也有不同，對項目的理解更是有血有肉，能更好的把握關鍵點和難點。把一些典型的機器人技術工程案例引入課程教學，由工程師進行講解，包括項目背景、設計要求、技術路線、詳細方案、現場調試過程、驗收標準以及整個項目的管理辦法。通過工程案例的講解，學生對于實際項目的管理、實施過程有了全面的了解和熟悉，對于增加工程意識和工程實踐能力非常有益。

四、基于機器人的創新型工程訓練實施策略

1.總體規劃，分步實施

基于機器人的創新工程訓練方案內容豐富，可以采用“統一規劃，分步實施”的策略。逐步投入資金，逐步積累師資力量和教學經驗。首先開展一些相對比較成熟、難度相對較低的方案，待經驗積累到一定程度以后再逐步深入。

按照以上的規劃設計思路，我們提出將整個工程訓練計劃分三步實施：

（1）機器人基礎訓練即認知實驗：以基礎訓練機器人和配套傳感器為實踐對象。（2）機器人綜合訓練即設計、綜合訓練：以綜合訓練機器人和配套傳感器為實驗對象。（3）機器人高級訓練即創新、研究訓練：以RoboCup中型組機器人、工業級模塊化機械手等為創新實驗對象。

2.先專題再選修后必修，逐步推廣應用

原則上，每個學生都需要接受一些以機器人對象為平臺的基礎認知實踐或其他工程訓練內容，可以根據實際情況，先以對部分學生開設專題的方式起步，繼而面向全院學生提供選修課，待時機成熟時在院系作為必修課進行推廣。

本教學法的教學模式有兩大顯著的特點：按照“任務驅動”的模式分解課程的知識點；按照“實踐-歸納-推理-再實踐”的模式講課，完全打破“講課+實驗”的傳統模式，將講課與實驗合二為一，其結果是：老師“在講中做，在做中講”，學生“在學中做，在做中學”。 機器人及應用體系便于采用工程對象教學法。

3.校企合作，優勢互補

典型工程對象和相關教材是工程對象教學法順利實施的基礎，而工程對象的選擇、制造與維護等工作由企業完成比較合適，雙方聯合編寫部分教材。因此，建立良好、緊密的校企合作關系可以充分發揮各方優勢，更好地為學生服務。

五、機器人創新平臺建設

1.教師團隊建設

機器人是非常典型的機電一體化系統，它融合了機械、電子、傳感器、計算機軟硬件、控制、人工智能和造型技術等眾多的先進技術，是高等學校開展工程訓練、教學實驗、課外創新活動和科研最為理想的平臺。正因為機器人創新綜合了多學科知識，因此需要一個相對穩定的，具有共同興趣且學科知識互補的教師團隊，以利于更好的指導學生。

2.學生團隊與梯隊建設

考慮不同程度學生參與競賽的能力和水平，可以采取國家級、省級競賽和校內競賽選拔方式。即在國家級和省級學科競賽開展前一個學期， 學院提前組織校內選拔賽， 選拔賽的競賽形式和競賽內容完全按照上級競賽的要求，為學生量身定制與其學習能力相匹配的競賽項目，在難度上略微降低要求。這種競賽校內選拔方式一方面擴大了學生學科競賽的參與面，提高了學生參與學科競賽的熱情，另一方面為學院選拔優秀學生組隊參加國家級、省級競賽提供參考。與此同時，也建立了相應的學生團隊與梯隊。

六、結束語

機器人競賽是一個以目標為驅動的對抗性比賽，易于激發學生科技創新的興趣和能力；提高學生團隊合作精神；提高學生駕馭專業基礎知識技能的能力和水平。通過學生在創新實驗室的鍛煉，學生在設計能力、動手能力、創新意識，以及計算機應用、工程實踐、實驗研究、國內外資料查詢等方面都會有較大程度的提高。機器人競賽為大學生創新能力的培養提供基礎條件，并將帶來競爭性學習機會，能夠有效彌補傳統教育的缺陷，鍛煉學生多方面的能力。

參考文獻：

[1]郝衛東，李靜等.開放性機器人創新實驗室建設研究[J]. 高教論壇， 2009， 09. p54-56

[2]吳獻鋼.智能機器人創新實驗的實踐與改革[J]. 實驗科學與技術， 2008， 10. p102-104

[3]張勇，蘇學軍. 組建人形機器人實驗室，構建新型創新實驗平臺[J]. 中國現代教育裝備， 2008，（06）

[4]萬佑紅，蔣國平. 機器人教育與大學生創新能力培養的探索[J]. 電氣電子教學學報， 2005，（04）

[5]祝龍記，鄭曉亮. 基于機器人制作平臺的大學生創新能力的培養[J]. 安徽理工大學學報（社會科學版）， 2010，（01）

[6]張云洲，吳成東，崔建江，叢德宏. 基于機器人競賽的大學生創新素質培養與實踐[J]. 電氣電子教學學報， 2007，（01）

作者簡介：

劉叔軍（1962-），黑龍江人，男，常熟理工學院電氣與自動化學院，教授。