基于工作室的機(jī)器魚專業(yè)人才培養(yǎng)和實(shí)踐

錢衛(wèi)國(guó)　楊郭　盧克祥

摘 要 機(jī)器魚是一種集合多種學(xué)科知識(shí)的特殊水下機(jī)器人。隨著人類對(duì)水中探索的需要，機(jī)器魚的研制和功能改進(jìn)得到越來越多的重視。然而，目前國(guó)內(nèi)外高校尚未出現(xiàn)定位于培養(yǎng)機(jī)器魚研發(fā)和制作的專業(yè)方向。為此，上海海洋大學(xué)整合了若干名跨學(xué)科的專業(yè)教師，成立了機(jī)器魚工作室，招納優(yōu)秀學(xué)生并進(jìn)行機(jī)器魚專業(yè)人才的培養(yǎng)和實(shí)踐，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞 機(jī)器魚 專業(yè)人才 工作室 實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.10.024

Studio-based Robotic Fish Professional Talent Training and Practice

QIAN Weiguo， YANG Guo， LU Kexiang

（College of Marine Science， Shanghai Ocean University， Shanghai 201306）

Abstract The robotic fish is a special underwater robot that combines multiple disciplines. With the need of human exploration for water， the development and functional improvement of robotic fish has received more and more attention. However， at present， domestic and foreign universities have not yet developed a professional direction that is oriented to the development and production of robotic fish. To this end， Shanghai Ocean University has integrated a number of interdisciplinary professional teachers， set up a robotic fish studio， recruited outstanding students and trained and practiced robotic fish professionals， and achieved good results.

Keywords robotic fish； professional talents； studio； practice

機(jī)器魚的仿生設(shè)計(jì)和研制是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。基于上海海洋大學(xué)百年辦學(xué)歷史濃厚的魚文化和水產(chǎn)學(xué)科傳承精神，機(jī)器魚的研制深受本校師生們的喜愛。然而，機(jī)器魚涉及多個(gè)學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)，特別強(qiáng)調(diào)知識(shí)的活學(xué)活用和動(dòng)手能力，起點(diǎn)高，難度大，使得許多本科學(xué)生乃至研究生們都“不敢高攀”。 工作室有助于整合名師資源并快速系統(tǒng)地培訓(xùn)學(xué)生，正逐漸成為一種新的人才培養(yǎng)模式。為此，上海海洋大學(xué)特意組織了優(yōu)秀的教師團(tuán)隊(duì)設(shè)立機(jī)器魚工作室，吸收學(xué)有余力的優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)入工作室，圍繞機(jī)器魚的仿真和設(shè)計(jì)，進(jìn)行系統(tǒng)的知識(shí)傳授和實(shí)踐指導(dǎo)，培育出色的創(chuàng)新人才。并進(jìn)一步探索在工作室制度下，如何結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，達(dá)到鍛煉和提升學(xué)生的科研實(shí)踐能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

1 機(jī)器魚工作室的構(gòu)建

1.1 教師團(tuán)隊(duì)的構(gòu)成

本教學(xué)隊(duì)伍由若干名跨學(xué)院跨專業(yè)的專業(yè)教師構(gòu)成，包括3名教授，1名高級(jí)工程師，2名講師。來自本校海洋科學(xué)學(xué)院的錢衛(wèi)國(guó)教授，多年來一直致力于機(jī)器魚的探索與研究，并取得了豐碩的教學(xué)與研究成果，作為主要完成人先后獲得3項(xiàng)上海市級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。他主講的“魚類行為學(xué)概論”系上海市精品課程，受到了學(xué)校老師和學(xué)生的一致好評(píng)。作為機(jī)器魚工作室的主要發(fā)起人之一，錢衛(wèi)國(guó)教授主要承擔(dān)了方案的總體設(shè)計(jì)和機(jī)器魚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)。孔祥洪老師作為本校信息學(xué)院的資深高級(jí)工程師，主講相關(guān)物理課程和物理實(shí)驗(yàn)，主要負(fù)責(zé)機(jī)器魚驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)與仿生系統(tǒng)的研究。工程學(xué)院的胡慶松教授具有機(jī)器魚設(shè)計(jì)所需的控制理論方面的全面知識(shí)，擅長(zhǎng)機(jī)器魚控制系統(tǒng)和推進(jìn)機(jī)理。海洋科學(xué)學(xué)院的童劍峰講師主要從事微電子技術(shù)的研究工作，負(fù)責(zé)機(jī)器魚通訊技術(shù)與傳感器的教學(xué)任務(wù)。信息學(xué)院的宋自根講師具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底，在工作室中負(fù)責(zé)建模與流場(chǎng)模擬仿真理論知識(shí)的教學(xué)。海洋科學(xué)學(xué)院的周應(yīng)祺教授是我國(guó)海洋漁業(yè)領(lǐng)域著名的教育家，先后獲得2項(xiàng)國(guó)家級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)，是國(guó)際知名的魚類行為學(xué)家，擔(dān)任本工作室的高級(jí)顧問。此外，根據(jù)培養(yǎng)需要，專門配備了在讀碩士、博士研究生參與教學(xué)或?qū)嶒?yàn)輔導(dǎo)，作為工作室的核心骨干和后備力量。總體來說，本工作室專業(yè)人員配置合理，教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富，熱心培育機(jī)器魚專業(yè)人才，具有很強(qiáng)的戰(zhàn)斗力。

1.2 建設(shè)思路

充分發(fā)揮教師團(tuán)隊(duì)的智慧，以培養(yǎng)和提高學(xué)生創(chuàng)造力為核心，做強(qiáng)機(jī)器魚。具體來說，圍繞機(jī)器魚人才培養(yǎng)，研制出一套適合大學(xué)生課外學(xué)習(xí)的機(jī)器魚培訓(xùn)教學(xué)方案，即根據(jù)不同層次的學(xué)生，實(shí)施進(jìn)階式模塊化的教學(xué)方案，切實(shí)提升學(xué)生的機(jī)器魚專業(yè)技能，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力和創(chuàng)造力，塑造一批樂學(xué)自信的創(chuàng)新型人才。工作室設(shè)立的總體規(guī)劃包括短期目標(biāo)和長(zhǎng)期目標(biāo)。短期目標(biāo)：教師團(tuán)隊(duì)得到磨合且教研能力得到提高，學(xué)生掌握機(jī)器魚仿制技能，代表學(xué)校參加各項(xiàng)學(xué)科競(jìng)賽獎(jiǎng)項(xiàng)；長(zhǎng)期目標(biāo)：構(gòu)建學(xué)習(xí)型和研究型核心團(tuán)隊(duì)，機(jī)器魚關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破，打造國(guó)內(nèi)知名的機(jī)器魚工作室。

2 機(jī)器魚人才培養(yǎng)機(jī)制探索和實(shí)踐

2.1 師資隊(duì)伍建設(shè)

（1）樹立創(chuàng)新意識(shí)。機(jī)器魚是一種融合多學(xué)科知識(shí)的研究課題，有眾多的高校和研究機(jī)構(gòu)都在跟蹤和實(shí)踐相關(guān)課題。機(jī)器魚工作室的各位老師，作為創(chuàng)新型人才培育的重要力量，首先自身要形成積極主動(dòng)的創(chuàng)新意識(shí)。在機(jī)器魚的研發(fā)與探索過程中，教師要身體力行，盡可能多地了解國(guó)內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài)，并通過座談會(huì)和講座等形式營(yíng)造有利于創(chuàng)新思維交流的良好氛圍，加速創(chuàng)新思維的發(fā)展。思想是行動(dòng)的先導(dǎo)，只有樹立正確的意識(shí)，才能產(chǎn)生良好的行動(dòng)。

（2）創(chuàng)新教學(xué)方式。更新教育思想，全面提高教師隊(duì)伍素質(zhì)，打破灌輸性教學(xué)的認(rèn)知，真正提升學(xué)生的創(chuàng)造力，始終堅(jiān)持以學(xué)生為主體來做好教學(xué)計(jì)劃。機(jī)器魚的研制需要的是思維靈活的創(chuàng)新型人才，而不是思想僵化的學(xué)生。要想真正打破這一桎梏，就必須根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)教學(xué)過程。而要想了解學(xué)生的特點(diǎn)，就必須了解學(xué)生的興趣點(diǎn)。在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求下，充分發(fā)揮學(xué)生的優(yōu)勢(shì)素質(zhì)，不斷提升自身和學(xué)生的創(chuàng)新思維。打破教師灌輸式的教學(xué)模式，合理采用互動(dòng)式教學(xué)、訪談式教學(xué)甚至辯論性教學(xué)等創(chuàng)新性的教學(xué)方法，真正把機(jī)器魚制作中所涉及的知識(shí)點(diǎn)有效傳達(dá)給學(xué)生，同時(shí)通過實(shí)時(shí)的實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力。

（3）科研反哺教學(xué)。教學(xué)要建立在科研的基礎(chǔ)上，科研也要教學(xué)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)科研齊頭并進(jìn)的發(fā)展。機(jī)器魚只是各位教師個(gè)人相關(guān)研究的一部分內(nèi)容，教師無須刻意鉆研，只需堅(jiān)持做好做強(qiáng)自己擅長(zhǎng)的科研工作，就會(huì)對(duì)自身的研究領(lǐng)域的前沿知識(shí)更加了解和熟悉，從而把理論知識(shí)與自身的研究方向融合貫通。在具體的教學(xué)工作中，通過合適的途徑，將科研中所獲得的技能和成果合理引入到機(jī)器魚人才培育中來，為教學(xué)工作注入新的活力。

2.2 學(xué)員招收及強(qiáng)化訓(xùn)練

學(xué)員素質(zhì)的高低對(duì)機(jī)器魚研制的進(jìn)程有著至關(guān)重要的影響，也直接決定了工作室中研究型小組的水準(zhǔn)。工作室每學(xué)期都會(huì)招募一批學(xué)員，成員招收的依據(jù)主要包括3個(gè)方面。首先，學(xué)員要有良好的集體意識(shí)與團(tuán)隊(duì)意識(shí)，某個(gè)機(jī)器魚課題的成立與發(fā)展絕不僅僅是依靠某個(gè)人便可以完成的，它需要的是團(tuán)隊(duì)成員的榮辱與共與良好的分工協(xié)作。其次，學(xué)員自身的科研興趣很重要，工作室要了解了學(xué)生對(duì)于機(jī)器魚的興趣點(diǎn)，針對(duì)學(xué)生的興趣點(diǎn)來設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單的入門考核，進(jìn)一步選拔優(yōu)秀人才。再次，學(xué)員要有必要的相關(guān)技能，包括一定的編程能力、建模能力、數(shù)學(xué)功底、物理知識(shí)、外語(yǔ)水平等。

招收工作結(jié)束之后，下一步是對(duì)學(xué)員的強(qiáng)化訓(xùn)練。按照設(shè)定的培育方案，首先會(huì)對(duì)他們進(jìn)行機(jī)器魚專業(yè)知識(shí)的教授與基本的系統(tǒng)介紹，同時(shí)注重學(xué)員思維能力與協(xié)作能力的培養(yǎng)，這一過程也便于老師理解每位學(xué)員不同的優(yōu)勢(shì)素質(zhì)，根據(jù)學(xué)生不同的特點(diǎn)更好地展開后期培養(yǎng)任務(wù)，方便團(tuán)隊(duì)任務(wù)的分配與學(xué)員特長(zhǎng)的搭配。隨后，結(jié)合機(jī)器魚研制的具體要求，以團(tuán)隊(duì)小組的形式各分配一個(gè)項(xiàng)目任務(wù)，以任務(wù)為抓手，引導(dǎo)學(xué)生有效實(shí)踐同時(shí)進(jìn)行一定的訓(xùn)練，不斷增強(qiáng)自身的應(yīng)用創(chuàng)新能力，通過一系列的反復(fù)指導(dǎo)和實(shí)踐，進(jìn)一步夯實(shí)專業(yè)理論知識(shí)，強(qiáng)化創(chuàng)新思維的訓(xùn)練與培養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生盡快融入工作室集體，適應(yīng)新的教學(xué)方式。

2.3 培育機(jī)器魚學(xué)員核心骨干

每個(gè)機(jī)器魚團(tuán)隊(duì)都需要一個(gè)主心骨，他們的帶動(dòng)引領(lǐng)作用毋容置疑。注重發(fā)揮骨干學(xué)員的作用，可以起到以點(diǎn)帶面的效果，進(jìn)而提升團(tuán)隊(duì)整體的戰(zhàn)斗力，推動(dòng)工作室的共同進(jìn)步與持續(xù)發(fā)展。在培養(yǎng)過程中，教師會(huì)通過學(xué)員的表現(xiàn)初步判斷他們的創(chuàng)新能力。在挖掘出可塑造的學(xué)員后，工作室會(huì)加大對(duì)核心成員的培養(yǎng)力度，開展有針對(duì)性的培訓(xùn)，在滿足其個(gè)體發(fā)展需求的同時(shí)，提高團(tuán)隊(duì)的向心力。同時(shí)在核心成員群體中導(dǎo)入和諧競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，這有利于加強(qiáng)核心成員之間的交流與合作，也有利于其自我激勵(lì)。對(duì)于機(jī)器魚研發(fā)的尖端技術(shù)，核心成員擁有更強(qiáng)的領(lǐng)悟能力和更迅速的學(xué)習(xí)水平。課題任務(wù)的推進(jìn)甚至尖端技術(shù)的突破，都離不開核心成員的帶領(lǐng)。但不可忽視的是，核心成員自身背負(fù)的壓力也不小，甚至要高于大多數(shù)人。工作室在發(fā)揮他們積極作用的同時(shí)，也要注意疏導(dǎo)他們的心理壓力，關(guān)注他們的思想動(dòng)態(tài)，為他們營(yíng)造松弛有度的科研環(huán)境。

2.4 以賽促建提高學(xué)生的機(jī)器魚研制能力

對(duì)于每年全國(guó)性的學(xué)科競(jìng)賽，機(jī)器魚工作室務(wù)必會(huì)派出多組隊(duì)伍參賽。除了期待取得優(yōu)異的成績(jī)、為校爭(zhēng)光外，更重要的是進(jìn)一步提高作品的深度與層次，培養(yǎng)學(xué)員之間的協(xié)作意識(shí)與默契程度，提高成員的科技素質(zhì)，進(jìn)一步培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，包括核心成員的答辯能力等等。比賽的過程也是學(xué)員成長(zhǎng)的過程，由于機(jī)器魚是涉水的比賽，其間會(huì)發(fā)生許多意想不到的狀況、失誤等等，這既是對(duì)他們專業(yè)技能的考驗(yàn)，更是對(duì)他們心態(tài)的考驗(yàn)。學(xué)科競(jìng)賽對(duì)團(tuán)隊(duì)合作能力要求較高，溝通與交流、群策群力顯得尤為重要。例如，在沒有導(dǎo)師帶領(lǐng)的情況下，核心成員便成了團(tuán)隊(duì)的主心骨，這時(shí)他的重要性便凸顯了出來，在把整個(gè)團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)好的同時(shí)兼顧項(xiàng)目本身，對(duì)核心成員來說無疑是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，當(dāng)然，這對(duì)他們也是一次蛻變。正視差距才能找出不足，反思才能進(jìn)步。而學(xué)科競(jìng)賽本身具有的嚴(yán)密性和組織性的特點(diǎn)，比賽的過程正是發(fā)現(xiàn)不足彌補(bǔ)差距的最好時(shí)機(jī)，學(xué)生必須打破思維的慣性，跳出思維的怪圈，自覺形成良好的思維模式，通過問題的解決，達(dá)到逐漸擁有解決實(shí)際問題的能力。

3 機(jī)器魚人才培育效果

機(jī)器魚工作室自發(fā)組建于2013年，針對(duì)機(jī)器魚的仿生與研制已經(jīng)形成了一套系統(tǒng)化的創(chuàng)新型教學(xué)模式，同時(shí)指導(dǎo)學(xué)生研制了各種款式的機(jī)器魚，包括機(jī)器鯊魚、機(jī)器海龜、機(jī)器蝠鲼、機(jī)器海蛇、機(jī)器魷魚等10多種特色機(jī)器魚，同時(shí)培養(yǎng)了大批優(yōu)秀的創(chuàng)新人才，本科學(xué)員的核心骨干連續(xù)3年推免進(jìn)入廈門大學(xué)攻讀碩士，近20名團(tuán)隊(duì)成員推免進(jìn)入華東師范大學(xué)等攻讀碩士。機(jī)器魚工作室的學(xué)生團(tuán)隊(duì)在全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)年會(huì)、全國(guó)大學(xué)生挑戰(zhàn)杯、全國(guó)海洋航行器設(shè)計(jì)與制作大賽、OI 中國(guó)水下機(jī)器人大賽、全國(guó)機(jī)器人創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽等學(xué)科競(jìng)賽中榮獲國(guó)家金獎(jiǎng)、特等獎(jiǎng)、一等獎(jiǎng)等近30個(gè)國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)，吸引了浙江大學(xué)等高校和研究院所的關(guān)注，新民晚報(bào)等媒體對(duì)我校的機(jī)器魚進(jìn)行的專題報(bào)道，足以見證我校在機(jī)器魚仿制方面的領(lǐng)先地位。

基金項(xiàng)目：本文系2018年上海海洋大學(xué)教師教學(xué)發(fā)展工作室的研究成果，項(xiàng)目名稱：機(jī)器魚工作室（教務(wù)處〔17秋〕第（ 37 ）號(hào)）

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