機器人實踐教學體系改革探索

吳振宇， 劉禹彤， 馮 林

(大連理工大學 創新創業學院，遼寧 大連 116024)

機器人實踐教學體系改革探索

吳振宇， 劉禹彤， 馮 林

(大連理工大學 創新創業學院，遼寧 大連 116024)

機器人實踐教學涉及電子、自動化、機械等多個學科，是培養大學生創新實踐能力的有效平臺。以大連理工大學機器人創新實踐教學體系為例，探究機器人實踐教學模式對大學生創新能力的影響，針對高校創新創業教育改革的熱點，提出貼合實際的、可復制的機器人實踐教學改革模式。通過建立深度廣度結合、軟件硬件結合、科技創業結合的“三結合”科學化教學體系，構造“實訓型”集約化教學平臺和“產學研”一體化教學鏈條，形成較完整的高校機器人創新實踐教學體系的改革，進而為大學生提供一個協同創新的發展平臺，達到培養創新創業人才、服務社會發展的目的。實踐證明，改革后的機器人創新實踐教學方法可有效提升教學質量和大學生的科技創新能力。

機器人教學； 創新創業； 教育改革； 教學研究

0 引 言

培養和提升大學生的創新創業能力，是國家對高校的基本要求，有助于服務創新型社會，助推國家的創新發展。機器人教學實踐課程被現代教育學家認為是培養學生創造力和想象力的有效活動[1]，結合了電子、自動化、機械、計算機等前沿學科，覆蓋多學科知識交叉、技術融合的教學領域，能夠很好地激發學生的學習興趣。為此，加強高校機器人實踐教學體系建設，有利于培養大學生的創意思維、創新意識和創業能力，正逐步成為推進高校創新創業教育改革較為重要的切入口之一。

1 國內外機器人教學現狀

機器人實踐教學在發達國家的高校中開展較為普遍。

美國高校普遍開設機器人課程，并鼓勵學生積極參加相關競賽。MIT開設《認知機器人學》《機器人學導論》等課程，要求學生完成實驗設計，并組織學生參加自控機器人設計競賽、機器人編程競賽等活動[2]。

日本多數高校都設有高水平機器人研究會，通過定期舉辦機器人設計、制作競賽，鼓勵和促進機器人教育、機器人技術和產品的不斷發展。

英國、新加坡等國也相繼出臺了一系列措施促進本國機器人教育發展的政策，希望通過機器人實踐教學帶動機器人產業發展，進而實現產業升級，推動經濟可持續增長[3]。

意大利特倫托大學理學院將樂高機器人引入計算機專業的研究生課程。學生利用嵌入式開發、模式識別等課程知識，實現模式識別或人工智能的相關算法及應用，成為極受學生歡迎的課程[4]。

國內高校中，哈爾濱工業大學、清華大學、北京航天航空大學、北京理工大學等學校，都在機器人專業教學以及機器人創新教學上取得了一定的進展[4]。南京郵電大學將機器人教學的相關研究引入本科畢業論文設計方向，吸引了很多畢業生在機器人相關領域開展研究[5]。西安科技大學構建了“機器人創新實訓基地”，在實踐過程中培養了學生的創新能力與合作能力[6]。廣州大學為學生建立了以機器人技術為載體的創新實踐教育平臺，普及機器人技術知識，指導學生參加全國機器人大賽[7]。

隨之興起的各類機器人競賽通過逐年的發展，也達到了以賽促學的目的。近年來相繼舉辦的“全國大學生機器人大賽”“中國機器人大賽暨RoboCup公開賽”等一系列機器人實踐競賽，以及在競賽同期舉辦的機器人展覽、相關論壇等，為參賽學生及指導教師提供經驗交流、互相學習的平臺。教材方面，已經出版的《仿人機器人》《論機器人教育》《機器人教育:現狀、問題與推進策略》等教材也反映了我國高校在機器人教育研究上取得的成果。

然而，我國高校的機器人實踐教學仍處于起步階段，仍然存在學科歸屬不清晰、教學體系不成熟等方面的問題，且大部分學校并沒有獨立開設機器人相關的學科專業[8]，與之相關的實踐教學平臺更是少之又少。為此，本研究將從實際教學工作中總結機器人實踐教學規律，提出對實踐教學體系較完善的建議，建立可復制的立體化機器人創新實踐教學體系，為兄弟院校機器人教育工作提供借鑒，為培養創新型人才提供思路和保障。

2 機器人創新實踐教學體系建設

鑒于機器人實踐教學對創新創業人才培養的必要性和重要性，研究將針對機器人實踐教學過程中存在的問題提出有效方法，建立合理的機器人創新實踐教學體系，從而達到培養創新創業人才、服務國家創新發展的重要目的[9]。

2.1 教育體系分層次 深度廣度相結合

機器人實踐教學工作是一項由淺入深、環環相扣的滲透過程，每一個階段的學習都尤為重要，每一項機器人實踐教學活動都離不開扎實的學習過程。因此，合理設計創新實踐教學體系，明確階段任務是機器人創新實踐教學工作中亟待解決的重要問題。

目前的機器人創新實踐教學體系存在學生基礎薄弱、競賽目的突出、專業要求苛刻等顯著問題。本研究將以實際教學工作為基礎，以研究深度、廣度相結合的立體化教學體系為目標，以“零基礎”“有興趣”“肯鉆研”的大學生為對象，逐步實施研究的各項工作[10]。以我校機器人創新實踐教學開展情況為例，學校依托創新創業學院開設機器人創新實踐班，學生入學后在實踐班開展為時3年的機器人相關知識學習。本文總結多年的創新實踐教學一線經驗，將該3年的教學工作分為3個階段。

第一階段寬口徑基礎課程教學。學生主要學習“機電實踐基礎”“電路設計”“模擬電路”等必修課程，培養工科思維，初步掌握機器人設計的基礎知識；通過“Protel設計”“運算放大器實踐”“功率放大器設計”等實踐課程，掌握電路設計及應用的基本流程，并熟悉常規設備及測試儀器的使用流程。

第二階段針對性專業知識教學。學生學習“機電設計與應用”“C語言程序范例設計”“單片機技術基礎”等具有較強專業性的課程，并參加“LED炫彩光立方”“電機調速實踐”“簡易循跡小車”等實踐課的學習，熟悉傳感器、系統接口及驅動模塊等，熟練掌握機器人設計的基本技能。

第三階段個性化專項系統教學。學生根據自身興趣，選擇智能車、仿生機器人、六足機器人等方向進行個性化學習，教師負責指導學生完成精細化的系統研究工作和實踐內容，使學生可以獨立解決實際問題，參與機器人設計項目。

整個課程安排體現CDIO工程理念，以實踐為主，精選與機器人設計各階段相關的應用知識點構建理論課，每個知識點都有相應的多個設計及實踐環節支撐，理論與實踐緊密結合，保證學以致用、融會貫通。這種軟件與硬件結合、理論與實踐結合、深度與廣度相結合的教學方式能夠在尊重學生興趣的基礎上，為學生更深入的學習奠定堅實基礎。圖1為機器人教學體系的架構框圖。

圖1 機器人教學體系架構

2.2 課程建設抓基礎 軟件硬件相結合

機器人創新實踐教學體系是一項復雜的系統工程，既要求學生具備強大的理論功底，又要求學生具有一定程度的實踐能力。因此，軟件、硬件相結合的創新實踐教學工作在機器人教學體系中的地位至關重要[11]。

軟件硬件相結合的課程基礎建設主要集中在第一階段，即入學教育階段。此時學生基礎薄、動手能力弱、可塑性強，最適合打基礎、學本領。這個階段的實踐教學任務主要為開展能夠吸引學生興趣的、具有較強參與度的課程，而軟、硬件結合的教學模式能夠很好解決這一問題[12]。例如，學生通過參與單片機課程設計，對電路板的焊接原理有所掌握，參與程序調試過程強化軟件基礎，通過基礎課程中簡單、有趣的課程設計，感受機器人教學的魅力，激發學習興趣，幫助其度過跨學科學習枯燥、艱難的入門過程[13]。

2.3 校企合作添活力 科技創業相結合

通過上述兩項“結合”的共同教學，學生具備一定理論功底和實踐能力，以此為基礎，可以更好地將“產學研”工作進行結合。通過校企聯合的創新實踐平臺，學生可將所學的理論基礎與實踐經驗應用到實際的企業項目中，通過實踐檢驗學習成效，實踐創新想法，從而達到提升學習興趣、激發創新思維的目的。

以我院機器人實驗室為例，在校企聯合建立的“3E Research Robot Lab”中，學生利用所學自主研究了創新實踐產品——隧道巡檢機器人。在研發過程中，教師通過實踐教學指導學生完成創新產品的制作，企業通過創新實踐平臺研發適應市場需求的創新產品，學生通過實踐提升創新能力，實現個性化創新設計，將所學技能應用于自主創業。

3 實施方案

3.1 建立“三結合”科學化教學體系，提升學生科研能力

(1) 梳理體系內容。以機器人創新實踐教學的三個階段為載體，逐層梳理課程之間的邏輯關系。建立由淺入深的教學體系，盡量使學生能夠接受所學課程，避免由于學科交叉導致的概念缺失問題。

(2) 設計體系層次。針對三個不同階段，分別設置不同層次的創新實踐教學內容。對于第一階段的基礎課，明確學生必須掌握的教學內容，關閉與學生未來學習階段掛鉤并不緊密的課程，增加實踐課時，培養學生興趣。對于第二階段的專業課，明確不同研究方向所需的專業知識，避免學無所用的現象。對于第三階段，加強針對性教學，指導學生完成從入門到精通的蛻變，培養學生的創新能力。

(3) 嘗試體系教學。對學生進行試點教學。運用改革后的教學體系指導學生完成學業，及時觀察各環節實施過程中存在的問題。

(4) 修正體系缺陷。對實施中遇到的問題及時總結，形成“發現問題及時修正-重新梳理內容體系-重新設計體系層次-重新投入教學實踐-再修正”的循環過程，最終達成符合實際情況、育人效果明顯的機器人教學體系。

3.2 完善“實訓型”集約化教學平臺，培養科技創新人才

(1) 整合平臺資源。整合機器人實驗室資源，對功能重復的實驗室進行細分和重組，強化不同實驗室的特色，通過分層的方法對參與實驗的學生進行分流，實現各個實驗室平臺間的聯動。

(2) 建立管理機制。為保障機器人教學平臺的集約化工作，建立管理機制，對平臺的設備管理制度、人員管理制度、獎懲制度、安全制度等進行明確規定，保障平臺建設有序推進。

(3) 加強實訓功能。引進國內外先進教學理念和教學設備，增加學生在教學平臺中的實踐課時，培養動手能力，使學生能夠感受科技的魅力，激發學習的興趣，通過逐步深入的實訓課程，加深對機器人課程的理解和掌握[14]。

3.3 實現“產學研”一體化教學鏈條，促進學生就業創業

建立“產學研”一體化宏觀局面，培養教師全局意識，明確三個學習階段的培養目標，服務“產學研”一體化鏈條。向教師明確培養目標，即以市場需求為導向，在機器人教學過程中培養適應社會需求、具備學習能力、擁有競爭優勢的學生，為學生就業創業的夢想鋪平道路[15]。

(1) 強化優質生源工程——學。通過機器人夏令營、舉辦機器人競賽、路演展示等活動形式設計，擴大機器人教學工作的認可度和關注度，挖掘優質生源的同時注重學生的梯隊建設和興趣培養；面向全校開設《走近機器人》選修課，吸引優秀學生加入機器人創新實踐班。

(2) 加強師資隊伍建設——研。培養師資隊伍的宏觀意識，鼓勵教師參加機器人相關競賽、論壇、活動，開拓教師專業思維。同時優化內部結構，培養教師專長，爭取在機器人教學的不同方向都能培養出基礎牢固、素質過硬、能力突出的授課教師，指導學生研究。

(3) 開辟聯合培養模式——產。以機器人相關企業為切入點，加強校企合作[16]，與企業簽訂聯合培養協議，將優秀學生推薦到相關企業實習、工作，同時針對企業需求，鼓勵學生自行組隊，在老師的指導下形成解決方案，從而解決實際問題，積累項目經驗[17]。

4 結 語

本文論述了國內外機器人創新實踐教學工作的現狀及特點，對我國機器人創新實踐教學體系建設提出了基于實踐經驗的思考，為深化創新創業教育改革提供了切實可行的實施方案。未來，研究將以此為基礎，在大連理工大學推進機器人創新實踐教學工作進行改革，培養適應社會需求的創新創業人才，推動“大眾創業 萬眾創新”局面的形成。

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Exploration on the Reform of the Teaching System of Robot in Colleges and Universities

WUZhenyu,LIUYutong，FENGLin

(School of Innovation and Entrepreneurship, Dalian University of Technology，Dalian 116024， Liaoning, China)

Robot practice teaching which is related to electronics, automation, mechanics and other relevant subjects is an effective platform for cultivating college students' innovative practice ability. Taking robot innovation and practice teaching system of Dalian University of Technology as example, we explore the robot teaching pattern’s influence on students’ innovation capability. Based on the reformation hot points of colleges and universities’ innovation and entrepreneurship education, we propose actual and repeatable reformation model of robot practice teaching. By building up the depth and breadth combination, software and hardware combination, technological and innovation combination, this three-in-one combination scientific teaching system, practical intensification teaching platform and industry-university-research cooperation teaching, we complete the reform of teaching system of college robot innovation practice, offer students a co-innovation developing platform. Based on this platform, we achieve the purpose of train creative students and service the society. Practice has proved that this method can effectively improve the teaching quality and students' innovation ability.

robot education; innovation and entrepreneurship; education reform; teaching research

2016-06-13

以機器人教學體系為基礎的創新創業教育平臺建設研究(遼寧省2016教改專項)，大連理工大學國家級協同中心支持項目；以機器人教學體系為基礎的創新創業教育平臺建設研究(遼寧省2016教改專項)；遼寧重大協同創新任務支持項目

吳振宇(1971-) ，男，甘肅定西人，博士，副教授，大連理工大學創新創業學院副院長，主要從事機器人及嵌入式技術應用等方面的教學與科研工作。

Tel.：13942650532；E-mail:zhenyuwu@dlut.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)06-0192-04