機器人技術跨學科創(chuàng)新實踐教學研究

陳虹 韓曉英

（廣州大學實驗中心 廣東 廣州 510006）

機器人技術跨學科創(chuàng)新實踐教學研究

陳虹 韓曉英

（廣州大學實驗中心 廣東 廣州 510006）

機器人技術是集機械、電子、傳感器、計算機、網絡、材料、控制等多學科交叉融合的前沿高新技術，隨著信息化、自動化、智能化的社會進程的推進，單一課程體系教學已不能滿足社會對大學畢業(yè)生的要求。以機器人技術作為創(chuàng)新實踐平臺，開展跨學科創(chuàng)新實踐教學探索研究，培養(yǎng)跨學科機器人技術人才，為中國制造逐步轉變?yōu)橹袊窃爝M行人才儲備。本文介紹開展實踐教學的方法及取得的成果，表明開展跨學科機器人技術創(chuàng)新工程實踐教學研究具有重大現實意義和深遠的歷史意義。

機器人技術；跨學科；創(chuàng)新；實踐教學

一、機器人技術實踐教學創(chuàng)新的必要性

機器人技術是集機械、電子、傳感器、計算機、網絡、材料、控制等多學科交叉融合的前沿高新技術，不但技術附加值高，而且對帶動智能裝備發(fā)展、提高突發(fā)事件處理水平、改善人民生活質量及增強軍事國防實力都具有十分重要的意義，有望成為未來戰(zhàn)略性新興產業(yè)。世界各國紛紛將發(fā)展機器人技術及產業(yè)擺在本國科技發(fā)展的重要戰(zhàn)略地位。高等院校肩負高素質、創(chuàng)新型科技人才培養(yǎng)的重任，根據《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》深化教學改革，全面提高人才培養(yǎng)質量和辦學水平，促進多學科交叉和融合，重點擴大應用型、復合型人才培養(yǎng)規(guī)模。隨著信息化進程的飛速發(fā)展，單一專業(yè)課程體系已不能滿足社會對學生的知識需求，機器人技術天然具有多學科背景，利用機器人技術平臺，培養(yǎng)高素質、創(chuàng)新型的科技人才是最貼近現實的應用，符合我國經濟社會發(fā)展的迫切需求，在高校開展機器人技術的跨學科創(chuàng)新實踐教學研究具有重大的現實意義和深遠的歷史意義。

（一）我國機器人技術發(fā)展的機遇與挑戰(zhàn)

近年來，世界機器人的發(fā)展潮流勢不可當，工業(yè)機器人穩(wěn)步提升，服務類機器人處于爆發(fā)式增長時期的前沿。我國對機器人的需求逐年增長，成為機器人應用大國，但我國制造業(yè)自動化程度還不高，與工業(yè)4.0、智能工廠的要求還有很大差距。隨著勞動力成本的持續(xù)增長，企業(yè)正面臨產業(yè)轉型，產業(yè)加速升級的挑戰(zhàn)和機遇，由中國制造逐步轉變?yōu)橹袊窃斐蔀殛P鍵，而其核心在于人才的升級，只有吸收大量的優(yōu)秀的創(chuàng)新人才，才能使企業(yè)在產業(yè)升級浪潮中不被淘汰，還能獲得更廣闊的發(fā)展空間。尤其是新型的制造業(yè)不再是簡單的來料加工，而是在多個學科的通力配合下完成新產品的設計、開發(fā)和制造。培養(yǎng)富有創(chuàng)新精神，具備工程項目經驗和擁有自主研發(fā)能力的高校畢業(yè)生，將成為高校培養(yǎng)學生的目標，這樣的畢業(yè)生適應社會需求，更容易脫穎而出，獲得企業(yè)青睞并成為技術骨干及管理精英。

近年來機器人技術應用在我國飛速發(fā)展，為機器人技術的人才培養(yǎng)也提供了機遇。為迎接機器人的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)，我國高校的機器人教育有了很大的發(fā)展，機器人逐步成為大學技術課程和綜合實踐課程的良好載體。我國高校很多碩士、博士研究生在從事機器人技術方面的研究，高校也開設了很多機器人技術課程。在國內已經有學者提出機器人技術與多學科教學整合的想法。從中國高等教育發(fā)展的長期情況來看，要想滿足企業(yè)轉型升級對這些復合型人才的需求，高校必須打破傳統(tǒng)教育觀念，構建培養(yǎng)創(chuàng)新意識和提高創(chuàng)新能力的有自身特色的新的教育模式。

（二）國內開展機器人實踐教學的不足

目前國內以機器人技術為載體開展創(chuàng)新工程實踐的大多數高校都是利用各自條件開展以競賽為目的的實踐動手為主的方式，不僅參加實踐的學生數量有限，且往往都是同學院同專業(yè)的學生組成的隊伍，過分強調專業(yè)化和科學化而割裂工程本身的多學科性，罕見跨學科開展教學實踐[1]。針對高校當前建制由學院各自為政，單一學科相近專業(yè)學生過于集中學習的局面，應轉向多開展綜合學科、由專業(yè)教育轉向素質教育的創(chuàng)新工程實踐教學。

二、開展機器人技術跨學科創(chuàng)新實踐教學

廣州大學在已有綜合性創(chuàng)新實踐工程研究成果的基礎上，提出一種基于多學科教學整合進行創(chuàng)新工程實踐的新方法。它由單一專業(yè)人才培養(yǎng)向復合型人才培養(yǎng)的方向發(fā)展，體現出科學與技術基礎之上的包括社會、經濟、文化、環(huán)境等多因素的“卓越工程師”教育。圍繞機器人技術以創(chuàng)新性工程產品作為實踐教學的主線，運用項目式教學法，建立以項目為引領的跨學科創(chuàng)新工程實踐教學。首先，利用智能車項目，3人自由組隊，制作智能車，然后分組競速比賽。這一過程使同學們認識到不同專業(yè)知識所起的作用。其次，列出若干個項目，由5—7名學生自由組隊選項制作完成，項目組有意識地組合來自不同學院、不同專業(yè)的學生，各成員之間各司其職、分工合作，充分發(fā)揮各自專業(yè)優(yōu)勢，完成從市場調研到產品設計、開發(fā)、制作，到產品包裝與市場營銷等一系列工作，極大提升了大學生科技創(chuàng)新意識，培養(yǎng)了大學生科學創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)能力，鍛煉了互助合作的團隊精神。再次，由學生自己找項目，做自己感興趣的事，激發(fā)了學生創(chuàng)新的熱情，充分挖掘學生的自主創(chuàng)新能力。根據學生年級、能力建立分層次項目資源，全程有老師跟蹤指導，定期檢查。學生參加項目的過程可以與學科競賽相結合，目標明確，參與科技創(chuàng)新實踐活動的積極性更高。因此，超越傳統(tǒng)專業(yè)教育的框架，接受跨學科創(chuàng)新工程實踐教學的大學生為將來成為卓越工程師作了儲備。一方面，接受過創(chuàng)新工程教育的學生，他們的學習領悟能力和接受新鮮事物的能力比其他畢業(yè)生更具有優(yōu)勢；另一方面，經過創(chuàng)新工程學習的學生基本達到工作兩年以上的專業(yè)從業(yè)人員水平，且知識面更寬廣，眼界更開闊，更富有創(chuàng)新精神。

（一）創(chuàng)新為核心

在“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的大背景下，創(chuàng)新是創(chuàng)業(yè)的基礎，創(chuàng)新性教育顯得尤其重要，創(chuàng)新教育應該滲透到所有教育活動之中，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力成為所有教育活動的基本內容[2]。利用機器人技術平臺提升大學生科技創(chuàng)新意識、培養(yǎng)大學生科學創(chuàng)新能力是當前教學方法的重要補充手段，今后應提高其地位，更加充分尊重學生在學習活動中的主體地位，引導學生自覺地參加合作學習，以項目為引領，明確實踐主題，從而提升學習興趣，提高學習效率。根據“學習金字塔”理論，從圖1中可以看出實踐教學對知識掌握的重要性。將學習方法結合起來，用耳朵去聽講授理論，用眼睛去閱讀文獻，視聽結合；將演示教學法、分組討論法、練習操作實踐法、向別人講授相互教學法、快速使用法等教學手段，最終落實到實踐教學過程，提高學生掌握知識的效率和牢固程度。

圖1 學習方法與效率圖

（二）因材施教

大學生科技創(chuàng)新實踐活動是培養(yǎng)優(yōu)秀人才的重要舉措，需要深化教學改革與教學資源建設，體現現代教育思想。針對學生對機器人的好奇心，充分運用現代教育技術，通過視頻、實物展示，引導學生的興趣，使他們期待學習掌握機器人技術；保持教材具有技術先進性、科學性和適用性，使學生始終保持學習機器人技術的熱情，進而挑戰(zhàn)機器人先進技術；及時指導學習機器人技術的方法與手段，使學生能解決有關機器人的具體問題，享受到實踐的樂趣，增強學習的自信心。

針對機器人技術學習，從基礎培訓到項目設計進而掌握應用，做到想學能學、想問能問、有問必答，使學生在學習過程中能讀得懂教材理論，學得會技術實踐，做得出技術項目，讓學生各取所需，把被動式傳授學習轉變?yōu)榉e極主動的做中學的實踐過程。

提高教學有效性的關鍵在于因材施教，瞄準未來所需，考慮社會的未來、學生的未來，不是今天學了什么而是未來能做什么。機器人即將重復電腦崛起的道路，機器人進入家庭不再是遙遠的夢想，以提高創(chuàng)新型、復合型、應用型人才培養(yǎng)質量為主線，現在就準備好機器人技術基礎，通過學習開闊眼界、提高境界、夯實知識能力素質，面向未來的實際問題與未被發(fā)現的知識促進學生進行自主學習、研究型學習，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新精神。

（三）因人施教

在因材施教的基礎上因人施教。第一，從對低年級學生開展強化培訓基礎知識開始，設立不同難度的實踐項目指導由學生選做，由易漸難，根據個人能力做出相應的項目作品，小心呵護學生的自尊心，提升學生的自豪感。第二，輔導學生參加學科競賽，指導學生參與競爭，有所成就。第三，指導優(yōu)秀學生參加科研項目，與實際項目結合，充分發(fā)揮學生的積極主動性，激發(fā)學生潛能，實現拔尖人才培養(yǎng)。第四，提供足夠的項目數量讓學生有選擇的空間[3]，學到的知識有應用的空間，使學生把知識轉化為實踐作品，使知識與技術想用能用、想用會用?？傊龠M學生各取所需，激發(fā)學生各盡其能，引導學生各自發(fā)展，培養(yǎng)學生各具特色。

（四）項目為引領

將學生以不同項目分組，實踐項目任務式教學方法。以學習研究實現一個實際項目作品為目標，圍繞項目尋求解決方法，將傳授知識為主的傳統(tǒng)教學轉變?yōu)橐酝瓿扇蝿斩鉀Q一系列問題為主的主動式、交互式學習的教學方法。例如，“智能消防車”項目由機械、電氣、電子、計算機、數學不同專業(yè)的學生組成項目組在一起學習實踐，項目涉及的知識有機械設計、電路、單片機、電氣自動化、無線通信等，最后實現智能消防車能自動取水儲水、自動噴水，云臺能上下伸縮運動，云臺上的噴頭能左右俯仰噴水，“消防車”能進退轉彎自如，且所有動作均能用手機完成操控。通過共同合作完成此項目，項目組學生在掌握本專業(yè)知識的基礎上，也了解了機械基礎知識、電路知識、單片機知識、手機通信知識、自動控制知識等多學科的知識，達到了學科交叉、知識融匯的目的，極大地擴展了學生的知識面。

不同專業(yè)、不同年級的學生共同完成機器人技術的一個科研項目，既鍛煉了獨當一面的工作能力又培養(yǎng)了分工合作的團隊精神，增進了同學們之間的情誼，起到了傳幫帶作用。在學習實踐過程中，通過討論實現知識傳播，通過思考加深知識融合，通過實踐掌握多學科知識，從而達到通過機器人技術實現跨學科創(chuàng)新實踐教學的目的。

三、機器人技術跨學科實踐教學成果

開展跨學科機器人技術創(chuàng)新工程實踐教學培養(yǎng)學生的終身學習能力和人文精神，倡導多學科學生之間的合作，將本科工程教育的核心價值觀融入到實踐教學中。

（一）提高大學生的就業(yè)競爭力

通過跨學科機器人技術創(chuàng)新工程實踐環(huán)節(jié)，以“工程教育回歸工程”的思想為指導[4]，加深了大學生對于從理論到實踐，再到理論的知識理解；認識到產品的可靠性、可維護性、安全性等方面的工程知識；同時通過以項目為引領的教學實踐內容，提高了學生解決實際問題的工程能力，并在撰寫項目報告中列出參加項目的歷程，總結經驗教訓，思考得失，提高了個人綜合能力，特別是科技創(chuàng)新能力。在理論學習基礎上，開展項目實踐；在完成項目的基礎上，將設計制作過程寫成報告用書面語言表達出來；通過總結會，用語言表達出來。這樣，學生通過項目實踐，被鍛煉成能做、能寫、能說的復合型人才。通過跨學科機器人技術創(chuàng)新工程實踐的學生在招聘企業(yè)和研究生入學面試過程中，都能表現出較強的優(yōu)勢。志向于參加工作的學生基本上都是最早被企業(yè)簽約的且待遇比其他同學明顯要高，他們大部分具備扎實的工程實踐能力和科技創(chuàng)新能力，在工作崗位上能很快上手投入工作。機器人技術實現跨學科創(chuàng)新實踐教學能為就業(yè)質量提供支撐和保障，有力地促進了就業(yè)率向就業(yè)質量的轉變。

（二）指導學生參加學科競賽

學科競賽在對培養(yǎng)學生的實踐能力、創(chuàng)新能力、創(chuàng)業(yè)能力和團隊精神培養(yǎng)方面具有重要的意義。隨著科學技術的發(fā)展，以往單一學科的競賽靠單一學科知識已經不能勝任。例如：“大學生機械創(chuàng)新設計大賽”，如果只憑機械知識，構建機械模型很難取得評委認可，要想取得好成績就需要拿出創(chuàng)新作品，就要結合多學科知識；“全國大學生電子設計競賽”雖然注重電子知識，但最近幾年的競賽題目都有汽車方面的項目，這就需要參賽學生掌握一定的汽車知識，而每年的“飛思卡爾智能車大賽”更是對多學科知識掌握的考驗；“中國機器人大賽暨ROBOCUP公開賽”直接檢驗機器人技術教學實踐成果。

通過開展跨學科機器人技術創(chuàng)新工程實踐教學，每年指導學生參加各類大學生學科競賽，“挑戰(zhàn)杯”項目近年連續(xù)獲得省賽一等獎，參加“中國機器人大賽暨ROBOCUP公開賽”家庭服務機器人組與中國科學技術大學、上海交通大學、浙江大學等名校同臺競技，“大學生機械創(chuàng)新設計大賽”“全國大學生電子設計競賽”均取得了較好成績，參賽學生保研、考研、讀研比例大大提高。

（三）實現師生雙贏

通過開展跨學科機器人技術創(chuàng)新工程實踐教學培養(yǎng)學生的同時，指導教師本身也獲得了很好的學習提升機會。學生項目對應指導老師，往往是學生的熱情感染老師，迫使老師不斷地學習新知識；學生激發(fā)出的學習潛力反過來又指導老師，老師也被帶領著一起進步，在帶領學生實踐教學過程中，探索形成了許多創(chuàng)新教學方法，成功申請多項省、市、校級的教研項目，師生互相促進，實現教學相長。

運用現代信息技術手段，通過科技創(chuàng)新項目管理和機制，指導老師和項目組學生共同完成項目的專利申請、論文撰寫、設計報告撰寫等，成果共享。建立分層次科技創(chuàng)新優(yōu)質資源共享機制[5]，利用開展跨學科機器人技術創(chuàng)新工程實踐，將其選修課“智能車硬件基礎”“智能車軟件基礎”等課程內容植入“電工電子基礎實習”課程，形成學校資源共享平臺，實現機器人技術跨學科創(chuàng)新實踐教學研究活動的軟硬件資源的最大跨度共享，以提高優(yōu)質科技教育資源的使用效率。

四、總結

筆者在探索跨學科培養(yǎng)創(chuàng)新工程實踐人才的新模式，圍繞全面提高教育質量，提高人才培養(yǎng)質量，增強社會服務能力，促進多學科交叉和融合，重點擴大應用型、復合型人才培養(yǎng)規(guī)模等方面，做了有益的嘗試，得到了學?？隙?，帶動了更多的學生積極參與。機器人技術涉及多學科，以機器人為實踐教學平臺，不僅吸引理工科專業(yè)的學生積極參加，如機械設計與自動化專業(yè)學生參與機器人外形、機械結構設計、制作，工業(yè)設計專業(yè)學生參與機器人外觀設計，電子與電氣專業(yè)學生參與機器人傳感器檢測、電機控制等設計制作，計算機、數學專業(yè)的學生負責機器人語音識別、地圖建模、圖像信息處理等工作。另外，還吸納商科的學生對機器人進行市場營銷，如市場營銷、會計等專業(yè)學生和技術專業(yè)學生組成創(chuàng)業(yè)營銷團隊進行營銷。此外，還有音樂舞蹈學院指揮專業(yè)的學生訓練機器人跟隨音樂學習指揮動作。來自不同專業(yè)、不同年級的學生組成跨學科的團隊，各自發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢，同時學習汲取其他專業(yè)知識，使各學科知識交叉融匯，達到擴展知識面，傳幫帶進行知識傳播與更新的目的，使得機器人技術的學習和創(chuàng)新實現可持續(xù)發(fā)展。

[1]張輝,曉寧,積武,慶泉.機器人技術課程實踐教學研究——基于項目任務的教學法[J].包頭職業(yè)技術學院學報,2010，(10)：56-57.

[2]王章豹,劉光復,吳玉程.強化工科實踐教學 培養(yǎng)學生的工程實踐與創(chuàng)新能力[J].合肥工業(yè)大學學報(社會科學版),2006，(20)：1-5.

[3]張輝,王慶泉,陳燕.機器人技術實踐教學方法的研究[J].實驗教學與儀器,2010，(10)：56-57.

[4]張莉娟.電氣工程實踐教學內容和教學方法改革[A].第五屆全國高校電氣工程及其自動化專業(yè)教學改革研討會論文集,2008，(1)：119-121.

[5]傅水根,張學政,嚴紹華,裴文中.工程實踐教學中分層次開展創(chuàng)新教育的探討[J].清華大學教育研究,2001，(3)：170-172.

（責任編輯 杜丹丹）

Research on Interdisciplinary Innovative Practical Teaching of Robot Technology

CHEN Hong,HAN Xiaoying
(Experimental Center,Guangzhou University,Guangzhou,Guangdong,China 510006)

Robot technology is a cutting-edge high-tech with the integration of multiple disciplines like mechanics,electronics,sensor,computer,network,materials,control and etc..With the social development of informatization,automation and intelligentization,single curriculum system teaching has been unable to meet the requirements of the society for college graduates.Taking robot technology as an innovative practice platform, the author carried out interdisciplinary innovation practice teaching research,in order to cultivate interdisciplinary robot technical talents and make a talent pool for the transformation from "made in China" to "China made".This paper introduces the methods and results of practical teaching and it shows that the research on the practical teaching of interdisciplinary robot technology innovation project is of great practical significance and far-reaching historical significance.

robot technology;interdisciplinary;innovation;practical teaching

G4

A

2096-0069（2016）03-0031-05

2016-03-24

本文是廣東省高等教育教學改革項目（編號：GDJG20142254）的階段性成果。

陳虹（1962— ），女，湖北武漢人，廣州大學高級工程師，主要從事實驗教學研究；韓曉英（1978— ），女，河南南陽人，廣州大學實驗師，主要從事實驗教學研究。