以機器人大賽為契機的農業院校工科專業實踐創新模式探索

宇海萍，馮靈清，劉琪芳，劉振宇，楊懷卿

(山西農業大學 信息科學與工程學院，山西 太谷 030801)

以機器人大賽為契機的農業院校工科專業實踐創新模式探索

宇海萍，馮靈清，劉琪芳，劉振宇，楊懷卿

(山西農業大學 信息科學與工程學院，山西 太谷 030801)

隨著素質教育和高校改革的推進，大學生實踐和創新能力的培養顯得尤為重要。針對農業院校學生實踐創新能力的不足，以機器人大賽為契機，提出了增強農業院校實踐創新能力的模式。該模式以綜合機器人實驗室為平臺，立體化實踐教學體系為主線，機器人創新梯隊為主體，探索了農業院校學生實踐創新能力的培養。實踐表明“以賽促教、以賽促學、以賽促改”的教育模式對于提高教師業務能力和培養學生創新能力具有較好的促進作用。

實踐創新模式；機器人大賽；農業院校；立體化實踐教學

DOI號：10.13320/j.cnki.jauhe.2017.0049

機器人大賽作為高科技、高技術對抗賽，是多學科知識應用的綜合，其比賽的宗旨就在于提高學生的實踐和創新能力。它是培養大學生理論和實踐相結合的良好平臺。機器人的設計和制作過程也是不斷發現問題、分析問題、解決問題的過程，是理論和實踐的高度結合[1]。

現在的機器人大賽已經不局限于機器人功能的競賽，而更多地考量機器人的創意和創新，能最大化地激發學生的創新思維和能力。機器人大賽的大部分項目需要多人參與，這就需要參賽隊員之間的默契和合作，只有隊員之間分工明確、通力合作才能達到1+1>2的效果。

一、農業院校信息科學與工程專業學生實踐創新能力培養現狀

(一)農業院校信息科學與工程專業的特點

1.專業平臺基礎偏弱。農業院校的工科信息類專業并不是學校的優勢專業，與工科院校相比，扶持力度較小，由此導致專業物質條件相對較差。而對于此類專業，農業院校與工科院校無論在學科發展還是學生就業方面都存在弱勢[2]。

2.師資隊伍偏年輕。一般而言，農業院校的信息科學與工程類專業建設較晚，師資隊伍偏年輕，不管是教學經驗還是科研水平與工科院校相比都存在一定的差距。

3.學生實踐基礎普遍偏差。與其他高校相比，農業院校學生大部分來自農村，接觸計算機與電子類產品的機會比城市孩子要少，這就造成了很大的差距。

4.實訓環節薄弱。農業院校實踐教學通常只是作為輔助教學，只側重理論知識的演示和驗證，學生解決問題的能力及創造性思維遠遠沒有達到產業需求的標準[3]。

(二)農業院校信息科學與工程專業參加學科競賽的現狀

近幾年，越來越多的農業院校以學科競賽為平臺，努力彌補農業院校信息科學與工程專業的不足，提高學生的實踐創新能力。

2008年，華中農業大學高云等[4]發表了《淺談電子設計競賽與農業工程專業學生的創新能力的培養》；2014年，華南農業大學的李震等[5]發表了《電子設計競賽對電子類課程體系和內容改革的促進作用——以華南農業大學為例》；2015年，湖南農業大學的陳文凱等[6]發表了《基于學科競賽的大學生專業技能培養方式探究》；2016年，山東農業大學的束德勤等[7]發表了《以學科競賽為依托促進學生動手能力培養——高等農林院校對教學改革的探索與實踐》。

另外，隨著國際、國內各類機器人大賽的舉行，農業院校在大賽中也逐漸嶄露頭角。山東農業大學學生在2012中國機器人大賽暨RoboCup公開賽中獲得了機器人標準競速比賽一等獎；在2015中國機器人大賽中榮獲二等獎兩項、三等獎兩項。內蒙古農業大學在2015中國機器人大賽中獲得陸空勘探機器人比賽一等獎；在2016中國機器人大賽武術擂臺賽標準無差別2V2項目決賽中一舉奪冠，在武術擂臺賽輕量組項目中獲得二等獎。湖南農業大學從2008年開始連續多年參加了中國機器人大賽暨RoboCup公開賽，以及全國大學生機器人大賽(Robocon)，取得了多個獎項。 東北林業大學和西北農林科技大學參加了2016RoboMasters全國大學生機器人大賽，分別取得了分賽區一等獎和三等獎。

二、機器人實踐和創新能力培養平臺的搭建

高校中機器人實踐創新平臺的服務對象和功能，大致可以分成以下幾類:(1)電子類、機械類、計算機類學生的課程實驗;(2)電子類、機械類、計算機類學生的綜合課程設計;(3)電子類、機械類、計算機類學生的畢業設計;(4)機器人競賽;(5)教師科研[8]。為適應不同學科、不同層次學生的需求，利用綜合機器人實驗室為平臺，通過改革實踐教學體系和加強梯隊建設來彌補農業院校學科專業的不足，從而實現學生實踐和創新教育提升的目的。

(一)搭建綜合機器人實驗室平臺

根據服務對象和功能的不同，機器人實驗室依照從簡單到復雜的原則構建了4個層次的實驗平臺：開放式基礎實驗平臺、競賽平臺、自主創新平臺、科研平臺(如圖1所示)。

圖1 機器人綜合實驗平臺層次結構

1.開放式基礎實驗平臺。開放式基礎實驗平臺主要針對中、低年級學生的實驗、實踐課程開放，采用半開放式管理模式，學生可以利用該平臺進行學科基本能力的鍛煉，包括計算思維能力、算法設計與分析能力、程序設計能力、開發應用能力等，并能夠動手組裝和調試簡單電路、編寫控制軟件等[9]。

山西農業大學的基礎實驗平臺包括的機器人有智能人形機器人、立體視覺系統機器人套件、動作投影系統機器人套件和安卓移動開發教學機器人。這些實驗設備具有操作簡單、形象直觀和適用面廣等特點。

2.競賽平臺。此平臺在基礎實驗平臺基礎上，強化了機器人軟硬件，拓展了機器人的功能，主要針對參加機器人大賽的學生開放。平臺機器人由參賽學生和指導教師采用借取的方式，在保證機器人套件的完整性和無損性的條件下自由使用，確保參賽學生有充足的時間準備比賽。

山西農業大學連續4年在機器人大賽上取得佳績，競賽平臺的搭建既積累了往屆比賽的經驗，也為今后的比賽提供了平臺。競賽平臺的機器人包括了武術擂臺機器人組件、模塊化機器人套件(標準版)、水中機器人創新套件中級版、多水下機器人協作系統、八旋翼植保飛行器等。

3.自主創新平臺。此平臺針對高年級有競賽經驗的學生和教師開放，主要用于課程設計、畢業設計，以及創新項目的開發等。該平臺的機器人有模塊化機器人套件(高級版)、機器人創新套件(高級版)。教師可以指導學生制作與農業服務相關的創新型機器人。

4.科研平臺。農業院校的信息科學與工程專業只有和農業相結合為農業服務，才能得到更好的發展。科研平臺的機器人包括自主移動機器人、四輪全地形機器人、航拍飛行器等，它們提供了多個傳感器，不僅能為農業服務，還可以有效地傳回大量的農業數據為教師科研服務。

(二)建立立體化實踐教學體系

機器人的設計、制作過程涉及到機械、電子、計算機等專業的多門學科內容，為學生提供了多學科交叉融合的綜合創新實踐平臺。山西農業大學作為農業院校，把實踐教學作為創新人才培養的重要途徑，將機器人綜合實驗室的實踐課程分為基礎課程、綜合課程、創新課程，建立了基礎課程、綜合課程、創新課程相結合的立體化實踐教學體系[10](如圖2所示)。

圖2 實踐課程的分類

基礎課程實驗主要為專業基礎課的原理性實驗；綜合設計實踐主要為給定設計要求,由學生獨立完成的課程設計課題；創新實踐則完全為開放式教學方式，學生自主完成具有創新意義的畢業設計課題或競賽項目。3個層次的實踐教學分級分層、循序漸進，從基礎到綜合，再到設計與創新[11]。

立體化實踐教學體系的建立，充分發揮了實踐教學的作用，為農業院校創新型人才的培養提供了有力的保障。

(三)加強機器人創新梯隊建設

針對學生的流動性和機器人大賽舉辦的持續性，成立機器人協會，吸收其他工科專業的學生參與其中，組成多專業跨年級的機器人創新梯隊。該梯隊共分為3個層次：指導教師組成第一梯隊，大二、大三相關專業學生組成第二梯隊，大一相關專業和外專業學生組成了第三梯隊(如圖3所示)。第一梯隊的教師參與機器人大賽的全過程，包括參賽隊伍的分配、主題的選擇、培訓、技術指導、帶隊比賽以及其他方面的指導；第二梯隊的學生是主力，主要負責機器人的設計、組裝、編程、調試等工作以及指導第三梯隊的學生；第三梯隊的學生剛加入社團，先期進行觀摩，后期參與機器人的組裝和其他配件的制作工作。

圖3 機器人創新梯隊

三、平臺建設成效與創新人才培養成果

機器人實踐創新平臺經過幾年的建設，不僅在機器人大賽上獲得了驕人的成績，促進了教學建設和實踐教學改革，而且提高了師生的創新意識和創新能力。

(一)連續4年在機器人大賽中取得佳績

山西農業大學師生連續4年在國際水中機器人大賽和華北五省機器人大賽中取得了優異成績，在國際水中機器人大賽2D仿真項目中獲得了一等獎兩項、二等獎五項、三等獎兩項，實體水中機器人項目獲得三等獎兩項；在華北五省機器人大賽舞蹈賽項目中獲得一等獎六項、二等獎兩項、三等獎一項，仿真組項目中獲得一等獎三項、二等獎一項。

從比賽成績可以看出，舞蹈機器人和2D仿真項目是山西農業大學的優勢項目，這兩個項目重點考察舞蹈的創意和編程能力，但隨著機器人大賽賽事的不斷更新和發展，2D仿真項目將逐步被取消，舞蹈的創意創新也越來越難。這就要求我們要更深地挖掘學生的創新意識和創新能力，不斷地壯大參賽梯隊，拓展新項目，爭取給廣大師生創造更多的實踐創新機會。

(二)改革教學方法，改善教學效果

利用機器人綜合實驗室平臺，建立了立體化實踐教學體系，把課程實驗、課程設計、畢業設計以“任務驅動”的方式分配給學生，機器人的設計、組裝、編程、調試等過程全由學生小組自行完成，教師采用引導式和討論式教學，不僅能培養學生的獨立思考和自主學習能力，還能進一步激發學生的創新思維和實踐能力。

(三)促進學科交叉創新人才的培養，為學生考研和就業創造有利條件

近幾年，隨著參加機器人大賽學生人數的不斷增多，這項多學科交叉的創新賽事讓越來越多的學生受益，不僅實踐創新能力有了明顯的提高，而且學生在就業和考研中也凸顯了優勢，打破了原有對農業院校信息科學與工程專業學生實踐創新能力低下的偏見。山西農業大學參加機器人大賽的第一屆學生已于2016年7月畢業，9名參賽學生中有6名考上了電子科技大學、北京工業大學、西安電子科技大學、西南科技大學等高校的研究生，另外3名學生在北京和杭州等地的對口工作單位就業；2017年即將畢業的11名參賽學生中，有5名學生通過了西安電子科技大學的暑期夏令營優研活動，并取得了考研高分，另外有2名學生分別考取了中國農業大學、內蒙古大學生的研究生，有1名學生被上海光通信公司錄用。

四、結語

通過4年的探索和實踐，山西農業大學依托機器人實踐和創新能力培養平臺，不斷地彌補農業院校的不足，在機器人大賽取得佳績的同時，促進了實踐教學改革，學生的實踐創新能力也得到了極大的提高。

未來的機器人大賽，將給我們帶來更多的機遇和挑戰，同時，也會對學生的創新實踐能力提出更高的要求。在今后的工作中，我們將繼續保持對機器人比賽的高度熱情和有力支持，并以此為契機，不斷地探索實踐創新教育的新方法。

[1] 胡發煥，劉祚時，朱花.以機器人大賽為契機探索大學生創新能力培養模式[J]. 中國電力教育，2013(28):53-55.

[2] 程建興，邱玲．芻議農業高校電子科學與技術專業的就業崗位與實驗教學[J]．電氣電子教學學報，2007 (S1) :101-103.

[3] 劉振宇，劉琪芳，馬輝棟，等.“大工程觀”下農業信息類專業課程體系改革[J]. 電氣電子教學學報，2016(4):53-55.

[4] 高云，王為，梁秀英.淺談電子設計競賽與農業工程專業學生的創新能力的培養[J]. 湖北農機化,2008(6):30-31.

[5] 李震,王衛星,代芬,等.電子設計競賽對電子類課程體系和內容改革的促進作用——以華南農業大學為例[J]. 工業和信息化教育，2013(8):70-73.

[6] 陳文凱,賀建良,陳力航.基于學科競賽的大學生專業技能培養方式探究[J].河北農業大學學報(農林教育版)，2015(8):21-23,27.

[7] 束德勤，王志軍，范昊. 以學科競賽為依托促進學生動手能力培養——高等農林院校對教學改革的探索與實踐[J]. 教育教學論壇,2016(6):112-113.

[8] 姚志鳳，薛少平，陳亞娟. 機器人創新實驗室的多元化模式探究[J]. 電氣電子教學學報，2012(5):76-77.

[9] 王旭仁，劉麗珍，黃向陽，等. 智能機器人實驗室建設研究[J]. 計算機教育，2013(19):85-87.

[10] 徐曉紅，鄭志強，盧惠民. 構建機器人技術創新實踐基地的探索與實踐[J]. 實驗室研究與探索，2015(3):186-187.

[11] 汪烈軍，賈振紅，地里木拉提.吐爾遜，等.機器人設計大賽促進相關專業實踐教學的改革與建設[J].電氣電子教學學報，2009(S1):110-112.

(編輯：劉偉霄)

2017-01-09

2012年山西省教學改革項目(編號：000820)。

宇海萍(1982-)，女，山西晉中人，講師，研究方向：農業信息化。

楊懷卿(1964-)，男，山西運城人，副教授，山西農業大學信息科學與工程學院院長，研究方向：計算機農業應用及信息安全技術。

G642.0

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1008-6927(2017)02-0094-04