典型多地區創意救援主題下競教結合模式分析與實踐

孫遠韜，何俊杰，趙嘉偉，魯鵬，沈穎慧

摘? 要：為進一步完善基于專業認證課程的教學改革，實現以競促教、競教結合的教學改革理念，文章結合典型地區的教育現狀調研和學科競賽經驗，指出典型地區推行救援主題下機器人競賽的途徑及內容，并根據我們競賽教育中的不足，提出改進意見及方案，通過不斷實踐與持續改進，提高學生的綜合能力和教學質量，較好實現競教結合。

關鍵詞：機器人;競教結合;創意救援;實踐教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）07-0012-04

Abstract： The purpose of the study is to further improve the teaching reform of professional certification courses and realize the teaching reform idea of competition promoting teaching and combination of competition and teaching. This paper points out the ways and contents of promoting robot competition in typical areas based on the investigation of education status and experience of subject competition in typical areas， and puts forward improved suggestions and plans according to the shortcomings of our competition education. In addition， we carry out continuous improvement in practice to improve the students' comprehensive ability and teaching quality， and better realize the combination of competition and teaching.

Keywords： robot; combination of competition and teaching; creative rescue; practical teaching

競教結合是我國高校人才培養的新模式，是以“競賽”為龍頭，以“人才培養”為核心，通過“內外互通，層塊連融”的運行機制，有機地將學校“競賽活動、學科教學”統一起來，實現了人才培養與學校學科教育工作各環節之間的優勢互補、共生及有機統一[1-3]。競教結合的培養模式精髓在于將高校人才培養和學科競賽建設融合在一起，通過理論學習與競賽實踐融合與支撐，實現了學生創新能力的雙輪驅動，從而培養新世紀所需要的具有強基礎和創新能力的人才。

在競賽主題的拓展方面，隨著社會經濟的發展，工業4.0時代的到來推動了智能化產業和科技日益蓬勃的發展，機器人作為智能制造的產物已經在自然資源開發、隧道挖掘和外空間以及海洋探索等諸多領域中得到了廣泛應用[4]。而以機器人為主題的競賽活動也在教育領域得到大力推廣，并且呈現逐年上升的趨勢。從1996年第一屆FIRA機器人世界杯足球比賽開始，相繼舉辦了機器人滅火比賽、機器人奧林匹克競賽和FLL世錦賽。經過20多年的發展，機器人競賽的種類越來越豐富。目前世界上比較主流的機器人競賽活動主要有VEX工程挑戰賽、FLL挑戰賽、機器人滅火、FIRA、Robo Cup等[5]。我國也相繼開始舉辦一些機器人相關的競賽，并且拓展到中小學進行大力開展，例如青少年電腦機器人競賽、中小學電腦制作活動等，越來越多的青少年通過參加機器人競賽逐漸接觸到機器人這一高科技產物。可以說機器人競賽不僅是作品的比賽，更是參賽學生邏輯思維、動手操作、知識整合、團結合作、臨場應變等能力的綜合比拼，是學生綜合素質能力的競賽[6-8]。然而從某種程度上說，目前各類機器人競賽的主題大同小異，主要是智能家居（服務），格斗類型的比賽居多，比賽的多樣性和所設計機器人功能、結構形式突破不多，新穎性面臨動力不足的問題。

目前由于社會進步，其分工專業化，且環境、節奏更為多樣迅捷，所面臨的災難和突發公共事件也更為復雜、極端，對智能裝備要求也越高，這為利用機器人替代人類完成各種危險的救援任務開辟了創新之路。在2020年初的新冠肺炎這一具有高危傳染性的疾病面前，我國部分地區已經采用智能機器人進行物資的運送，這大大降低了各種人群正面接觸而產生交叉感染的風險。因此，本文以機器人救援為主題，結合典型地區教育現狀的相關調研分析，分析競教結合模式。根據上海市創意機器人挑戰賽利用以機器人為代表的智能化產物開展救援主題的機器人競賽活動，拓展賽事影響力和比賽組織模式，提高競教結合效果，這對學科專業認證在競賽活動主題上的可持續性傳承具有重要的社會意義。

一、典型地區救援主題下競教結合情況調研分析

（一）基礎教育階段各地開展情況與對策

目前我國各階段各地區的教育情況存在明顯差異，這與各地的經濟水平息息相關。教育落后地區往往經濟情況也不好，而經濟情況常常又和地理位置掛鉤。北上廣深等一線城市經濟發達，常年吸引了大量的優質青年涌入，成為各行業杰出人才的聚集地，其教育資源配比也遠遠超過二三四線小城及山區，這無疑對當地的教育形成了惡性循環。

我們調研了蘇南蘇北的幾所學校，其特點是城鄉之間的教育資源差異較大，相比城區，鄉鎮基礎教育設施不完善;另外教師隊伍質量參差不齊。目前一些志愿者機構已經組織起來，有針對性地補充優秀大學生進行文化課教育，加強創新實踐方面的引導。在教育設施落后的鄉村學校，開展一些不需要太多設備的文化活動，在活動中教育成長。

而對于競賽主題方面，相比常規格斗類來說，創意救援任務如滅火、越障等更易于開展，學習時間要求不高，又能夠引導學生的創新思維和動手能力。在這個過程中更多的是提供編輯好的軟件讓孩子們自由設計，發揮創意。但是目前這些活動主要是點對點的針對個別學生進行開展，在賽事層面還比較缺乏。

福建閩北地區多山，經濟和教育發展較為落后，大部分學校除語數英以外的實踐或者興趣拓展課程成體系地進行講授的可能性微乎其微。科學、信息技術、綜合實踐等課程既缺乏專職且合格的教師（很多老師更大程度上屬于客串而身兼數個教職），常常不能提供相應的教學場地和滿足需要的器材。有的學校甚至沒有微機室進行編程教學，由于信息相對閉塞，造成教師的教育觀念滯后，使得素質教學質量也存在短板，不利于活動開展。

對于山西地區我們的調研主要集中在大同市以及天鎮縣。天鎮縣原本是國家級貧困縣，在脫貧后加大了在教育方面的投入，但彌補歷史因素所造成的學科競賽方面的軟硬件缺陷還需要很長一段時間。我們發現該地區環境比較復雜，具備相應機器人救援的基礎，便于針對復雜地形生動開展救援主題競教活動。山西大同城區的部分學校有著一定的機器人教育基礎，曾經開展過諸如校足球機器人競賽或競速活動。但是學生們對于機器人方面的知識還停留在機械結構方面，校內創新活動的作品也大多是簡單的科技小制作。

可以看到由于各地條件不同，我們需要根據當地特色探索競教結合模式下具體展開工作方式。而針對這些典型地區的競教結合模式及共性問題，我們考慮依托并吸取支教團隊比較好的做法：

加強開展相關工作的基礎設施建設。由于部分學校的基礎設施比較落后，沒有可以進行教學活動的輔助設施，例如實驗室或多媒體教學設備。支教團隊可以幫助搭建多媒體教室，提供某些實驗器具幫助學生對所接觸到的機器人知識有更深入的理解。

著力普及相關基礎知識。例如機械結構的具體設計方法以及控制理論知識，讓學生能夠對救援機器人的設計過程有基本的認識。在確定學生已經有了一定基礎之后，再結合實際展開相關活動。針對一些學校的學生絕大部分精力放在課程成績的提升上，往往缺乏相關的訓練，在動手操作以及團隊合作方面表現較差。支教團隊可以通過基礎類科學實驗的開展培養學生必需的科學素養、動手能力以及合作解決問題的能力。在確定學生具備所需的能力之后，對于機器人基礎知識的教授及專業基礎訓練才能進一步展開。

（二）高等教育階段各地開展情況與對策

對于大學層次，一線城市如上海相對硬件基礎較好，大部分學校通過大創基地組織管理一系列學科競賽。在以往高等教育競賽中，通常是教師教學理念由授課者逐漸向指導者轉變，以學科競賽為載體，成立學科競賽指導委員會和學科競賽委員會，組織和指導學生參加各類主題的機器人競賽，組建高質量競賽隊伍和高水平教師競賽指導隊伍。通過自行組織相應的院級比賽、校級比賽，與學校密切溝通，完善獎勵機制，激發師生的熱情，使學生在競賽的過程中學習相關知識，準確高效有力地推動創新型、實踐型學生的培養[9-11]。

但是對于專業結合上面還存在一些脫節，首先從理論教學來看，其作用就是科學打造今后個人發展的知識結構體系，其基礎作用不可替代，有些同學一味追求創新，參加大量實踐活動，輕視理論學習，套用現成解決方案，最后其知識結構體系具有很大的缺陷，不能理解現象背后的核心原理、底層創新難，過多的是從經驗角度去熟練“技巧”，不能多層次多角度理解創新背后的理論支撐，導致后期創新后勁受限、持續創新能力受到一定阻礙。另外賽事主題上也有一定講究，例如一些難度較大的救援主題競賽會影響學生參與競賽的積極性。另外，競賽對于機械設計本身的引導偏弱，更多的是從控制方面進行比拼，不利于機械設計，機械原理的理解和應用。

二、我們在競教結合下的救援主題學科競賽與拓展

（一）上海市創意機器人挑戰賽概況

作為2018-2020年上海市教委連續支持的比賽，“上海市創意機器人挑戰賽”（以下簡稱創挑賽）由同濟大學承辦。競賽以救援為主題，旨在培養同學創新能力、專業實踐能力及團隊合作能力，并且突出了機械本身的構思，將機械原理、機械方案放在非常重要的地位，然后通過智能控制方法予以實現。賽事發起后就受到了上海市各個高校的積極響應。2018年大賽主題為“拯救佩奇”，2019年大賽的主題為“高塔救援”，2020年大賽主題為“高塔排爆”，各組創意機器人將在盡可能短的時間內通過攀爬等方式接近救援對象，排除危險源并幫助救援對象安全撤離，如圖1所示。

決賽中參賽隊伍的救援機器人形態多樣、創意十足，各類輪式、履帶式底盤結構展示了各自的越障能力;雙輪、四輪、萬向輪以及鉸接車身等構造展示了轉向的靈活性;多自由度的機械手實現了被救援模型的抓取;無線電、藍牙、WiFi結合手柄、觸屏、手機、計算機實現圖像傳輸、操作控制。同學們現場分享了自己所在隊伍的開發經歷，并再次重現了大賽的作品表演，多個參賽組取得了很好的成績。通過兩年的競賽實踐，我們初步形成了一種“以競促教、競教結合”的教學模式，既在學科競賽上獲得了優異成績，也使實踐教學內容豐富和實用了很多，提高了教學效果。

（二）競教結合的途徑

從所調研情況和其他學校的開展措施看，開展學科競賽活動本質上還是培養創新型人才，如前所述我們重點依托的是競教結合的方式，強調理論原理的掌握，還是以這些案例為引子，通過練習、討論，反復說明創意背后所需支撐的理論基礎。比如在結構力學及有限元基礎課程中，重點指導學生建立清晰的機械承載結構及其力學概念，能夠將復雜機械結構承載狀態、內力分析、位移計算、應力分析等基本問題進行識別、判斷和分解，為復雜機械結構的進一步分析、設計和研究提供依據。但是同學們往往對于相對枯燥的理論推導有所抗拒，從而影響了機器人在救援過程中，各部件受力分析的準確程度。通過競賽過程，逐步理解了結構力學的分析原理，能夠將具體問題抽象為理論模型選擇合適的方法進行求解，通過將計算結果繪制成內力圖、應力分布云圖、位移云圖等對求解結果進行分析、得出有用的結論，使得所制機器人具有較好的機械性能。

再比如嵌入式系統硬件設計課程采用課堂講授和實驗相結合的教學方法。首先從認識常用元器件和學習PCB板基礎知識開始，然后進行PCB板元器件焊接實驗、電路設計基礎學習、PCB板設計和編程測試實驗。但許多同學感覺還停留在理論層面上，通過競賽過程，逐步明白該從哪里入手，同時針對課程教學的不足，每年對所授課程的教學方式和實驗方法進行不斷地改革和創新，以更有效地提高教學質量和教學效果。

系統的講解創新過程無論是基礎教育還是高等教育都是必要的，機械與能源工程學院開設有機械工程創新設計，課程為實踐環節，授課對象為機械專業或其他相關專業大二學生。通過本課程學習，使學生對機械工程主要的數個市級及國家級課外競賽活動有一個總體的了解與把握，能夠了解與掌握一個競賽活動如何從報名、立項、查閱文獻、方案設計、計算與分析、三維建模或實物制作、調試與分析、總結及參賽等全過程。初步具備自主學習意識和方法，具有參加各類機械工程競賽項目的能力。在課程過程中，往往會穿插創新創業項目（SITP），上海市級創新創業項目，包括“挑戰杯”“互聯網+”等國家級大型賽事，邊學邊做，從而更能深刻感受學科競賽中系統學習的優勢。這樣也能較好調動學生們的興趣，讓老師們也投身其中，師生配合共同完成比賽，不僅使學生在實踐中學到專業知識，培養學生的創新能力，還能增進師生的互動交流，使老師和學生共同進步。

而在后續詳細方案的設計中，充分利于所學的理論課程分析各關節機構的驅動原理、強度、剛度和可靠性，不斷通過文獻檢索及實踐課程鍛煉，利用現代工具協同分工完成三維結構建模，運動學分析、結構校核、電機功率等;架構相關控制模塊、通過控制工程基礎、電機與電力拖動等課程基本原理及相關計算機原理進行程序的編寫，盡可能實現創意機器人的智能控制。

（三）定西中學賽事的輻射拓展——救援主題下競教結合實踐

為了輻射賽事影響，為全國賽事提供前期鋪墊，我們向上海以外學校進行試驗推廣，甘肅省定西梅川中學為同濟大學對口支教學校，便于從體制上進行推廣賽事和復制賽事組織的理念，也為救援主題的拓展提供源泉，特別是創意的提煉，有時候基礎教育的同學更容易碰撞出思想的火花，他們只是缺乏專業培訓而已，所以結合初中生及西北地區教育差異，針對性購買可編程機器人，設計適合初中生的比賽模式并進行專業培訓。

也正是通過典型地區實施經驗，我們確定好了本次的科創啟蒙活動——機器人編程教學。我們購置了十臺啟蒙編程機器小車。以小車為教學平臺，設置了為期一個月的邏輯框圖、傳感器、自動巡航編程等一系列的課程。以此為依托融入創新理念教育和前沿科技的介紹，讓同學們對科技創新萌生興趣，如圖2所示。

圖2 同濟大學支教團機器人編程教學

在一個月的機器人培訓之后，學生產出了不少的創新想法，有同學設計了“探月小車”，還有同學構思了一個根據不同顏色地面能夠自動駕駛的小車。不僅如此，在實踐層面，同學們利用購置的小車和軟件資源，生成了許多功能各異的小車，有巡邏警車、聲力賽車、自動巡航小車、紅外遙控小車。

三、結束語

本文結合我們以往競教模式和實踐內容，并通過典型多地區競教結合模式的調研，分析提出了相應的改進意見并積極實踐，進一步促進了專業課程的教學改革，使學科競賽與實踐教學密切結合，提高培養學生的能力和教學質量，豐富了理論教學的內涵和實踐的成效。需要看到的是從主題設置上我們充分考慮了中小學、大專院校的興趣點，以救援為特色，突出機械與智能控制結合，突出了創意及其實現方法，擴展了賽事的影響范圍和年齡層次，在不忘初心，砥礪前行思想中尋找一條適合不同年齡層次的競教結合之路，使得競教結合具有強大生命力和延續性。

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