新工科背景下基于機器人競賽的創新人才培養模式

左國玉 雷飛 喬俊飛

摘? 要：新工科建設旨在培養多樣化、創新型的卓越工程科技人才，高校作為人才培養的主要基地依然面臨的問題是多數學生動手能力差，無法解決實際問題。機器人科技競賽因其具有前沿性、綜合性、實踐性等特點成為了培養創新型人才的主要手段和重要突破口。為了加強創新人才的培養，文章依據新工科的內涵與特征，構建了以機器人科技競賽為依托，教師為引導、學生為主體，重視跨教學培養，雙向交叉的知識發展、寬口徑知識發展和可持續發展方向的培養模式。通過教學實踐表明，該培養模式在提高學生綜合學科知識能力的同時，也培養了學生的創新思維和創新實踐能力，提升了新工科背景下創新型科技人才的培養能力。

關鍵詞：新工科;機器人競賽;創新人才;培養模式

中圖分類號：C961 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）06-0044-04

Abstract： The purpose of new engineering construction is to cultivate diversified and innovative excellent talents engaged in engineering science and technology. As the most important talent training bases， colleges and universities still face the problem that most students have poor hands-on ability and cannot solve practical problems. Robot competition has become the main means and important breakthrough of training innovative talents because of its advanced， comprehensive and practical characteristics. In order to strengthen the training of innovative talents， based on the connotation and characteristics of new engineering， this paper constructs a teacher-guided and student-oriented training mode based on robot competition， focusing on cross teaching training courses， two-way cross knowledge， wide range knowledge and sustainable development. The teaching practice shows that the training mode not only improves students' comprehensive subject knowledge ability， but also cultivates students' innovative thinking and practical ability and improves the teacher's cultivating ability of innovative scientific and technological talents.

Keywords： emerging engineering education; robot competition; innovative talents; training mode

為了主動應對新的科技、新的產業模式、新的國際形勢，推動我國創新發展，實現中華民族偉大復興中國夢，從2017年2月，教育部積極推進新工科建設，目的培養造就一大批多樣化、創新型卓越工程科技人才，滿足我國戰略發展的人才需求，增加國際競爭力[1]。新的科技、新的產業和新的經濟革命迫切要求我國進行學科建設和高等工程教育改革，來應對未來的新的發展挑戰，新工科建設是我國做出的重大戰略抉擇，是今后我國工程教育發展的新思維、新方式[2]。

新工科的內涵強調了多元化、積極性、戰略性和創新性[2]。人才要以戰略性的思維積極主動建立具有多元、系

統、開放的新型大工程。所以在人才培養中同時既不能脫離“工科”的本質，也要掌握好“新”這個取向，“新”要體現在新要求上，也要體現在新途徑上。新要求具體是指人才結構上要從工程教育升級為攻擊機制，也就是可以解決一些更復雜的問題，具有批判性的見解和思維，具有領導力，家國情懷等。新途徑則需要人才既有繼承也要有創新，學習優秀的中國傳統文化的同時也要改革創新，注重多學科交叉融合，高校協調發展和教育成果共享等方式方法。

新工科的核心要素包含新理念、新技術、新模式[3]。新模式即新的人才培養模式，要求培養出具有高度社會責任感、高的科學素質、自我學習能力和可以解決實際復雜問題創新型人才，這是成功建設新工科的關鍵，也是高等教育的重要任務。

一、國內人才培養模式現狀

自教育部發通知以來，各個高校積極響應，舉行“新工科建設”的研討會，在新工科專業方面和培養模式方面進行了改革，積極推進新工科的建設。陳慧在關于綜合性大學培養新工科人才的思考與探索的論文中以中山大學為例，提出了新學科專業的布局的建設，以及新工科專業建設的新思路[4]。顧佩華教授以汕頭大學為例[5]，提出了新工科建設的技術路徑，在將新工科理念融入現有的培養模式后，提高了教學質量，也加強了學生的學習積極性。南京理工大學也在新工科的背景下，提出了以學生為中心的“一縱三橫”的創新人才培養模式[6]。

我國的高等工程教育一直都在改革，相比于過去也取得了一定的成就，但是仍然存在的一個關鍵問題是人才培養的周期跟不上技術的進步和更替。傳統的課堂授課模式通常為教師在課堂上講知識點，學生學習，各個專業相互獨立，學生與老師的互動較少，雖也有少量的實踐，但模式也比較固定，綜合性不足，無法適應對新型實踐人才的培養[7]。另一個關鍵問題是技術和知識的更替速度越來越快，傳統的教材與現在的工程實踐存在脫節問題，新技術的特征是學科交叉融合，所以要培養學生復合型專業素養，學習新技術、新知識的能力。教學體系建設和改革的最大問題還是教學體系和實踐的結合不足，導致學生的動手能力差，無法獨立的解決問題。為了解決上述問題，必須要建立新的人才培養模式，為人才培養尋找新方式、新思路。

二、培養模式的設計與實驗平臺

培養模式設計的核心不能脫離新工科的內涵、創新人才的要求和培養模式的概念，比如要具有批判性的見解和思維，能將知識應用于實踐進行再創造。好的培養模式要有好的平臺進行實施，機器人科技競賽作為培養人才的第二課堂，因其具有涉及的知識多，綜合性強，實踐性高等特點，所以本文將機器人科技競賽作為此培養模式的載體。

（一）培養模式的設計原理

培養模式設計的目的是培養出在新工科背景下，面向新興產業專業的應用型工程科技創新人才，如人工智能、智能制造、機器人、云計算等，所以要先對創新人才的特點進行分析[3]。

首先，創新人才需要具有強烈的創新意識和創新能力，有了創新意識和能力才可進行創造性的活動，這是創新人才最基本的特征。其次，創新人才也要具有突出的學習能力，快速掌握新知識、新技能，并將其消化吸收應用于創新實踐中。最后，創新人才要具有強烈的開拓意識與進取心，尊重知識，崇尚真理，不會隨波逐流，不易受固有觀點的束縛，敢于接受挑戰[7]。這些特征既符合新工科建設的現實需要，也是一個國家人才素質結構變化的基本特點。

培養模式是指按照一定的教育思想理論，為實現培養目標而采取的培養過程的某種標準構造樣式和運行方式[8]。培養模式中關鍵的是培養模式的要素。對培養模式的改革和創新，實則就是對培養模式要素的改變。培養模式主要有八個基本要素：人才培養理念、專業設置模式、課程設置方式、教學制度體系、教學組織形式、教學管理模式、隱形課程形式和教學評價方式。本文中的培養模式就是通過對新工科內涵與特征的分析，根據創新人才的特點，對培養模式中某些要素的改革和強調。

（二）培養模式的載體——機器人科技競賽

大學生科技競賽作為培養創新型人才的主要手段和重要突破口，對學生、教師、高校的學風建設具有重要意義。本文設計的培養模式選擇機器人科技競賽作為載體，主要有以下幾點原因。

1. 機器人科技競賽涉及的知識方向比較多，實現過程主要依靠學生自己學習，重視獨立完成任務。在此過程中，學生的學習興趣可以得到有效的提高，并且自主學習能力和實踐動手能力也可以得到一定的鍛煉，而實踐創新能力也是新工科建設的內在要求。

2. 機器人科技競賽圍繞著人工智能和機器人等專業，而這些專業是新工科專業的主要組成部分，機器人科技競賽可以在一定程度上促進大學生對新工科專業的理解、學習和應用。

3. 機器人科技競賽的相關技術越來越新穎和前沿，在學生提高能力的同時，教師作為和學生密不可分的一部分，也會在很大程度上提高教師的專業技術，提高高校的教研水平。

4. 學生通過科技競賽獲得優異成績，加強學生學習的動力，營造良好的校園學習氛圍，促進師生之間的交流，使高校學風建設由此得到有機統一[9]。

三、以機器人科技競賽為依托創新人才培養模式研究

此培養模式依托機器人科技競賽，培養模式的內容是教師為引導、學生為主體，重視跨教學培養形式，具有雙向交叉知識發展模式、寬口徑知識發展方向和可持續發展方向，如圖1所示，目標是培養出具有創新意識、創新精神、創新思維和創新能力，能獨立的創造性開展工作、創造性的解決實際問題的創新型人才。

（一）教師引導策略

教師引導是培養模式的關鍵手段。文獻[2]闡述的新工科的內涵中，對于如何建設新工科也強調了要持續改進以學生為中心，也包含老師、雇主、校友等的培養體系。對于機器人科技競賽，教師必須要做好引導工作。教師可開設機器人興趣小組，為了對機器人有濃厚興趣的學生搭建一個平臺，也要鼓勵全校學生報名參加，尤其是一些還沒有機會接觸過機器人學習的學生，通過參加機器人興趣小組，了解機器人學習器材及競賽規則，并在專業教師的指導下，進行簡單的機器人搭建及編程學習，為機器人學習打開大門。校方應提供必要的硬件設施，實驗平臺，這樣才能保證學生在課余時間進行搭建嘗試。教師也應組織一些階段性的機器人培訓，可以根據學生學習程度的不同，分不同難易的小組，進行針對性的練習。對于簡單的小組可進行普通的結構搭建等任務訓練，對于難一點的小組，可以進行一定程度的編程訓練、功能實現等。也可邀請專業的培訓師到校開展講座。在具體的研究過程中，教師要通常提供給學生分析問題的切方向和思路，也要給出參考資料或者文獻的獲取途徑，同時還要主動組織學生進行學習研究。

（二）學生為主體的研究性學習方法

學生為主體的研究性學習方法是整個培養模式的核心，新工科的新也要體現在新的學習方法上。與過去傳統的方法不同，過去學生通常為被動的接受老師上課講的內容，現在則要求學生積極主動的去汲取知識，進行實踐。師生之間的關系也由原來的“權威-遵從”轉變為合作共贏。具體在機器人科技競賽中的體現為，學生面對競賽中實際問題，主動的去分析和研究，在解決問題的過程中學習知識，應用知識和更新知識。在機器人科技競賽中探究性學習方法的主要過程為：提出問題-尋求解決問題的方法-學習相應的知識-采取方法解決問題-評估方法-改進方法。通過這樣的一個過程，學生循序漸進的完成競賽中的多項訓練[10]。

（三）跨教學培養形式

跨教學培養形式是培養過程的重要形式。通常是指在不是正規課程所教受的知識。新的教學方法也是新工科建設所需要的。在競賽長達數月的過程中，學生通常以小組的形式在一起進行實踐，教師在此過程進行指導。這是科技競賽的主要學習形式，也是科技競賽中主要的跨教學培養形式。這種教學培養模式的優點是在一定程度上不受時間和空間的的限制，組內成員甚至可以隨時發起討論，時間短，見效快。跨教學培養形式在很大程度上決定著參與競賽的同學的學習興趣，并在逐步解決問題的過程中，可以使學生體會到自身的價值感和學習的愉悅感。跨教學培養形式雖然是無計劃性的，但并不是盲目的，教師可以著意有計劃的去營造出對學生有利且高質量的跨教學培養課程[11]。

（四）雙向文叉方式的知識發展模式

知識發展方式是培養模式的靈魂。通常知識發展方式是指知識與學生之間在培養過程中形成的相對關系，學生學習知識，也可以利用知識去解決問題，對知識進行再創造。過去的知識發展模式往往是單向的，學生從教師學到知識，通常不會對知識進行再創造。在此培養模式中要求學生從教師、競賽實踐中獲取知識，同時被要求利用學到的知識進行創造性的設計，不只是簡單的進行功能的實現而是要進行科學的研究，通過這樣的知識發展模式也培養了學生的科研精神，追求科學的態度，這也是“新工科”人才培養和高等教育的內在要求[8]。

（五）寬口徑知識發展方向

寬口徑知識發展方向指專業的口徑增大，學科專業融合，即所謂的“淡化專業界限多學科交叉”，這是人才培養的現實需求，也是當代高等教育的發展趨勢[12]。新工科中新模式里強調了“多學科-交叉學科”，機器人競賽涉及機械工程、電子科學與技術、控制科學與工程、計算機科學與技術等約7個博士授權或碩士授權一級學科、10多個二級學科[13]。如中國機器人大賽涵蓋數字電子技術、模擬電子技術、電路、單片機原理與應用、自動控制原理、C語言程序設計、機械原理等多門課程。學生在學習過程中，只有打破課程甚至專業之間的壁壘，融會貫通，建立良好的知識體系，才能打造出集材料、機械、控制等交叉學科于一體的科技競賽作品[14]，才能培養出新工科建設所要求的能力。

（六）可持續發展教育

發展是第一要務，可持續發展教育是新工科建設中創新人才培養的突破口，這就要求培養出學生后續學習與終身發展需要的學習能力，這與科技競賽的最終目的也是一致的。就是學生通過參加比賽要培養出專業的且具有創新思維的自主學習意識和能力，科技競賽大部分都是以團隊的形式參加，所以也可培養學生的團隊精神，這些能力對于學生后續發展都是至關重要的。

四、以機器人科技競賽為依托創新人才培養模式的實踐

該培養模式以導師為指導，以學生為主體，依托北京工業大學機器人創新創業基地和導師科研項目計劃，研學一體，完成多項機器人作品的研究與開發，部分成果參加了“挑戰杯”、國際自主智能機器人大賽、世界機器人大賽、中國機器人大賽、全國大學生計算機博弈大賽等各項賽事，取得了顯著效果。

圖2所示為自主研發的機器人科技創新作品示例，其中（2）為迎賓機器人，可以實現自主導航、語音交互、人臉識別等功能，（3）是半身人形智能服務機器人，在自主控制的模式下可以實現語音交互、人臉識別、自主導航、目標抓取等功能，遙操作控制的模式下配有人體姿態采集服，如圖2（1）所示，操作者可對機器人本體進行遠程操作，可實現機器人的機械臂和操作者的手臂同步擺動。圖2（4）是

“外骨骼式主從機器人遙控操作系統”，此作品獲得了“挑戰杯”全國大學生課外科技學術作品競賽特等獎。該機器人可以完全復現人體動作，在家庭服務、助老助殘、康復護理、公共安全領域有著廣泛的應用前景。并且這些自主研發的遙操作機器人、蛙式仿生機器人、兩輪電動代步車等作品，多次在世界機器人大會和國際工業博覽會等大型科技展會上進行了展出，取得良好的社會影響。

近些年來，教師指導學生科技團隊通過參加多項國家級和其他全國性學生科技競賽，獲得如“挑戰杯”全國賽特等獎、首都“挑戰杯”一等獎等，以及世界機器人大賽總冠軍、機器人世錦賽金獎、中國機器人大賽一等獎等40余項。學生獲得校“科技之星”7人、校長獎學金集體獎4項以及其他重要獎項，充分展現了學生科技創新素質和創新能力培養的結果，證明了該培養模式在創新人才培養模式改革中所起到的階段性作用。

通過參加新技術（Emerging Technology）創新實踐類型的科技競賽，跨專業寬口徑培養的特點得以充分體現，不僅鍛煉和培養了學生在計算機、控制、信息處理、機械設計等方面的專業技能，提高了學生的硬件、軟件、算法、建模等具有學科綜合特點的相關能力，而且培養了學生解決問題的能力、團隊協作與獨立工作的能力、組織與協調的能力等綜合性素質，更重要的是培養了學生的創新思維和創新實踐能力，也在一定程度上促進了學生參與創新實踐活動的積極性，為新工科的專業建設培養出越來越多的創新型科技人才。

五、結束語

本文從新工科建設的內涵出發，強調人才培養的必要性，根據培養模式的基本要素，提出了以機器人競賽為依托的創新人才培養模式。該模式分別從教學模式，學習方法，知識發展模式，知識發展方向等多個角度對培養模式進行改革和強調，通過實踐論證了該培養模式的有效性。全國高校在人才培養方面一直進行著改革，培養創新人才任重而道遠。根據實踐證明，要培養出具有綜合素質的高層次人才，必然要以學生為中心，以綜合能力培養為導向，但其中不可忽視的是，僅依靠優質的培養模式是遠遠不夠的，還必須有優秀的師資將其付諸實施，這樣才能做好新時代人才培養的任務，才能更好的實現我國從大國向強國的轉變。

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