基于水下機器人競賽的培養模式探索與實踐

郝帥 冀大雄 黃豪彩 宋偉 詹舒越 王曉萍

摘? 要：全國大學生水下機器人學科競賽是一項面向全國海洋工程、海洋技術類專業的全國性的大學生學科競賽，浙江大學結合三年“水下機器人設計”校內競賽的經驗，為全國海洋學子提供一個可以互相學習、互相研討、互相競技、共同提高的專業性交流平臺。文章在充分分析水下機器人學科競賽與大學生實踐創新能力培養關系的基礎上，提出“課-賽”結合的人才培養模式。全國大學生水下機器人學科競賽與專業課程結合的實踐表明：“課-賽”結合的人才培養模式的實施成效顯著，可以作為其他學科培養學生創新思維、鍛煉學生動手能力的參考。

關鍵詞：水下機器人;“課-賽”結合;培養模式;創新能力

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）14-0021-04

Abstract： The underwater robotics competition of national university students is a national competition for marine engineering and marine technology majors. Base on the competition experience of "underwater robot design" in three years， Zhejiang University established a professional communication platform for marine students to learn from each other， discuss with each other， compete with each other， and improve together. The "class-race" combined talent training model was proposed based on a full analysis of the relationship between the underwater robotics discipline competition and the cultivation of university students' practical innovation ability. The practice of combining the national university students' underwater robotics competitions with professional courses shows that the talent training model of "class-race" combination has achieved remarkable results and can be used as a reference for cultivating students' innovative thinking and training their practical abilities in other disciplines.

Keywords： underwater robot; "class-race" combination; training mode; innovative ability

在國家大力發展海洋事業，重視海洋戰略意義的大背景下，浙江大學海洋學院應運而生。2015年搬遷至中國第一大群島和重要港口城市浙江省舟山市，身負為國家輸送海洋綜合型人才的重任[1]。浙江大學海洋學院在加強大學生實踐能力、創新能力及團隊協作精神的培養等方面一直在進行探索與實踐，旨在培養高素質海洋領域高端人才。

2019年以前海洋工程、海洋技術類專業尚未有全國性的大學生學科競賽，全國海洋學子缺少一個可以互相學習、互相研討、互相競技、共同提高的專業性交流平臺。基于競賽平臺的大學生創新能力培養模式被越來越廣泛認同[2-6]。浙江大學結合三年“水下機器人設計”校內競賽的經驗，聯合中國海洋學會海洋技術裝備專業委員會，創辦了全國大學生水下機器人學科競賽。競賽秘書處單位設立在浙江大學海洋學院，與專業委員會秘書處聯署，負責競賽的組織和開展。

一、全國大學生水下機器人學科競賽建設情況概述

（一）發展歷程

2017年結合專業綜合設計課程，創辦了第一屆“水下機器人”競賽;2018年該競賽被認定為校級競賽。2018年成功舉辦了“遨拓杯”浙江大學第二屆“水下機器人設計”競賽，有30支隊伍87名大學生參賽，競賽影響力逐步擴大，首次有外校——來自大連理工大學的參賽隊參加。

2019年學院組織了第一屆全國大學生水下機器人學科競賽，來自浙江大學、杭州電子科技大學、浙江海洋大學、上海海洋大學、上海海事大學、河海大學、江蘇海洋大學、浙江工業大學、浙江大學寧波理工學院等9所院校的20支隊伍參賽。彌補海洋工程、海洋技術類專業尚無全國性的大學生學科競賽的缺憾。2020年，進一步擴大賽事影響力，把全國水下機器人學科競賽推向全國涉海高校和涉海專業，建設成為有影響力的有知名度的全國性的海洋學科競賽，推進與企業合作共贏，加快競賽成果的轉化和研發。

（二）目標定位

全國大學生水下機器人學科競賽是面向全國大學生的海洋工程與海洋技術類學科，通過大學生參與競賽，提高大學生的實踐創新能力和知識運用水平，增強學生們對海洋的熱愛，開闊學生們的視野，為我國廣大海洋學子提供一個展示風采的平臺。競賽的主要任務是：加強大學生創新能力、實踐能力及團隊協作精神的培養;提高大學生了解和運用海洋工程與海洋技術知識、解決實際問題、領略海洋機器人技術的能力;同時激發創新思維，促進“海洋工程”和“海洋技術”類專業與機電光算控相關專業的交叉與融合;促進海洋工程與海洋技術領域創新創業教育，推動賽事成果轉化和產學研相結合。

浙江大學以水下機器人學科競賽為牽引，提煉多年競賽組織的經驗，提出“課-賽”結合的人才培養模式，探索實踐創新能力培養模式。

二、“課-賽”結合特色課程構建和實施

（一）健全的硬件保障——校企共建實踐基地

大學生創新精神與實踐能力培養離不開實踐創新基地[7-9]。學校與博雅工道（北京）機器人科技有限公司合作，建設了水下機器人實踐基地（圖1）。為“課-賽”結合的人才培養模式提供了優質的硬件條件。博雅工道（北京）機器人科技有限公司提供該基地所需大部分設備、硬件條件以及實驗教學資源和方案，促進實踐基地各種科研教學活動的開展，提高實踐教學水平;根據學校的具體教學活動情況，中心構建一個具有多種功能的機器人實驗室，包括水下機器人調試實驗區、創意水下機器人實驗區、機器人活動展示區，構成完整的實驗室系統。擴建了大學生創新實踐基地：擴建后的水下機器人聯合實驗室設有16張工作臺，每張工作臺分兩組，分別配套了專用儀器、工具箱、常用耗材等，可容納96名學生同時使用。實踐基地全天候開放，由學生自主管理，可充分支持課程、競賽、SRTP的學生使用。

（二）精準的教學目標——全力打造特色課程

三年前學院開始精心設計打造《綜合實踐訓練型課程——水下機器人設計》課程，以課程為載體，以競賽為牽引和考核，讓學生經歷從設計、動手、調試到競賽、答辯等科研項目的全過程（圖2為學生在水下機器人實踐基地為競賽做準備）。課程與競賽結合，科研與教學結合，多學科知識的綜合運用、跨專業領域實踐能力訓練，受到學生歡迎和好評，學生反饋這是一門投入最多、學到東西最多、感受最深的課程。

課程通過水下機器人設計原理的教學，以及學生自主研讀相關論文，互相交流討論相關關鍵技術和科研結果等，培養學生的學習研究興趣及動力;通過以小組為單位設計并動手制作一種水下機器人，使學生掌握水下機器人動力建模設計、控制理論與應用、結構分析與設計、電力電子線路、軟件開發、傳感器信息及信號處理、材料分析等基本方法，并在系統方案設計中了解最佳性能評估的方法，包括靜水性能分析：浮性及穩性，應用經驗公式和系列圖表等方法來預估水下機器人的水動力性能和推力需求; 通過結構分析與設計，掌握耐壓結構設計、配重等方法;通過控制系統的學習和應用，掌握控制電路設計、控制算法設計和調試;結合推進系統的設計，估算推進功率及航速。最后，學生能依靠團隊力量，分工協作，制作水下機器人實物樣機，并通過競賽進行實際測試。

（三）豐富的教學內容——全面提升學生能力

課程第一周發布競賽題目并對題目、課程講解，前四周為理論課，介紹設計方法、結構推進、控制系統、電路設計等方面的內容，后十二周學生分組開展實驗。按照水下機器人設計的原理，實驗課程分為四個基礎模塊實驗和一個綜合實物競賽，順利完成模塊實驗是進行綜合實物競賽的基礎。基礎模塊實驗包括：1.水下機器人外形及結構設計;2.水下機器人推進結構設計及推進器選型;3.水下機器人通信系統及電路集成設計;4.水

下機器人控制導航算法設計及調試。每個模塊實驗為8個學時，學生課外還需要完成相關內容的調研和基礎設計，課內利用1學時進行檢查，檢查結果計入實驗過程成績。學生通過“課-賽”結合模式，實踐能力全面提升。

三、“課-賽”結合特色課程的實踐成果

（一）學生的創新意識與實踐能力明顯提升

通過“課-賽”結合，以競賽為牽引讓學生經歷從設計、制作、集成、調試到競賽、答辯等科研工作的全過程，實現專業知識從“珍珠到項鏈”的串聯，同時培養了學生多學科知識的綜合應用能力和團隊合作精神，激發了學生的專業自豪感。學生通過解決實際問題，領略海洋機器人的魅力。

學生的創新意識與實踐能力明顯提升。海洋學院學子在國內外多個“水下機器人”競賽中嶄露頭角，獲得了多個一等獎獎項。除了成功舉辦校級競賽，學院還鼓勵學生向外拓展，走向學校以外的競技舞臺，并取得了亮眼的成績。2018年5月21-25日在澳大利亞舉行的國際機器人與自動化會議軟體材料機器人挑戰賽上，海洋學院學子獲得軟體抓手挑戰賽一等獎等多個獎項;2018年7月10-11日在上海臨港機器人競賽中，海洋學院代表隊躋身前三甲，獲得較好成績;2018年7月26-27日，在大連舉行的第十一屆國際水中機器人大賽中，海洋學院首次組隊參賽即創佳績，獲得3項一等獎、2項二等獎和1項三等獎;2018年8月12日，海洋學院本科生在第七屆全國航行器設計大賽上獲得設計制作類（水下組）一等獎。

（二）創辦國家級競賽

通過三屆學生的“課-賽”結合、三次校級“水下機器人競賽”的歷練，2019年海洋學院發起并創辦了“遨拓杯”第一屆全國大學生水下機器人學科競賽（如圖3、圖4所示）。為全國海洋學子提供了國家級的交流競技平臺，并且該賽事被列入中國高等教育學會工程教育專業委員會聯合浙江大學機器人研究院首次發布的“全國高校機器人競賽創新指數”中。中國高等教育學會工程教育專業委員會與浙江大學機器人研究院共采集18項高校機器人競賽。從競賽貢獻、組織貢獻兩個維度構建評估模型，以開設“機器人工程”專業的本科院校為對象，發布“全國高校機器人競賽指數（本科）”清單，浙江大學排名TOP10%。

（三）促進海洋領域高端人才培養

面對世界海洋強國的競爭，加強海洋人才的培養對建設海洋強國具有重要的意義。海洋學院正處在融入國家戰略、浙江大灣區和舟山群島新區，把海洋學院建設成為太平洋西岸重要的海洋科教中心，為國家海洋戰略培養更優秀的各類海洋人才，全面加快發展的重要戰略機遇期。當前我國海洋科技的整體實力明顯增強，急需人才。通過實踐“課-賽”結合的人才培養模式、創辦海洋領域國家級競賽，不僅培養了本校學生實踐能力和創新能力，也可以吸引相關工程類人才對海洋領域的關注，為國家海洋戰略培養更優秀的高端海洋人才。

四、結束語

基于全國大學生水下機器人學科競賽“課-賽”結合的人才培養模式，彰顯了海洋學院的課程設計特色，加強了大學生創新能力、實踐能力及團隊協作精神的培養，為學生提供了綜合運用海洋工程與技術知識、解決實際問題、領略海洋機器人魅力的優質平臺，是學生理論聯系實際，教學科研結合的良好探索和實踐。

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