基于機器人競賽的學生創新能力培養實踐研究

李修寒，朱松盛，段 磊，王 偉

（南京醫科大學生物醫學工程與信息學院 江蘇 南京 211166）

當今世界，新一輪科技創新進入空前密集活躍的時期，學科之間、科學和技術之間、技術之間、自然科學和人文社會科學之間日益呈現交叉融合趨勢，促使高等教育方式方法發生深刻變革。在新工科背景下，生物醫學工程專業作為多學科交叉融合的典型代表，在豐富創新人才培養方式、拓展理論向實踐轉化途徑等方面具有先天優勢。自南京醫科大學生物醫學工程專業成立至今，在學生創新創業能力培養方面，構建并探索實施了“多元認知，貫通實踐，深度拓展”三維模塊化創新創業能力培養體系。該專業依托大學生創新創業實踐教育中心平臺，引導學生參與各類科技競賽。在各類科技競賽中，機器人競賽因具有各種層次難度級別，為不同學校、學生提供了更多選擇的機會。立足不同專業、年級，選擇適合的機器人項目，既激發了學生的主觀能動性和學習熱情，又推動學生創新能力的提高。本文針對近年來機器人競賽組織、培訓等經驗進行總結，探索如何通過機器人競賽促進知識融合、進行創新能力培養實踐研究。

1 結合機器人競賽，促進知識融合，培養創新能力

傳統重理論、輕實踐的教學模式，造成了學生所學課程知識相互割裂，知識相互難融合，從而抑制了學生創新能力的提升。在新工科交叉融合創新的背景下，如何根據生物醫學工程人才培養方案、課程體系，培養學生的動手實踐能力、創新能力成為當前教學研究的一個重要課題。機器人競賽由于涉及學科知識、能力、素質較多，需要多學科、跨專業的學習以及良好的專業素質和心理素質支撐。扎實的理論知識和實踐知識積累以及個人能力和團隊合作能力的搭配，使得機器人競賽成為促進學生知識融合、培養創新能力的載體，如圖1 所示。

1.1 促進多學科知識融合和跨專業能力培養

機器人競賽包含較多類別和項目，以江蘇省大學生機器人大賽為例，其涵蓋?？疹悺诡悺⒐こ填?、健康服務與智慧城市類、競技運動類和其他類型6 個大類共34 個項目。每個項目考察領域各有側重點，除了涉及數學、物理、機械、計算機等常規課程知識，往往還涉及人工智能、電子技術、傳感器、自動控制與規劃、圖像識別與處理、無線通信等一系列新技術。學校以機器人競賽為平臺，立足具體賽項，以互動交流、個人自學、教師培訓指導等與具體實踐相結合，幫助學生獲得多學科知識的融合和跨專業能力的提升，從而進一步提升學生的創新意識和創新能力。

1.2 促進專業素質和心理素質的提升

機器人競賽不單對學生的專業素質有著很高的要求，還考驗著學生的心理素質。在機器人競賽培訓期間，學生需要通過學習比賽項目所需的各項專業理論知識提高自身的專業素質，只有具備了相關專業素質，才能在機器人構建過程中具備正確認識問題、解決問題的能力，才能不斷完善機器人的功能。由于機器人競賽培訓周期長，在培訓期間除了需要克服在解決專業問題期間的心理浮動，還要克服外界因素的影響，這使學生心理素質得到較好的鍛煉。此外，在機器人比賽期間，比賽現場機具緊張性，學生只有具備了專業素質和心理素質才能在現場靈活處理各種問題，通過對比多屆學生發現，參加過機器人競賽的學生的專業素質和心理素質均得到了很大的提升。

1.3 促進理論知識與實踐知識的融合

理論知識的掌握需要實踐來驗證，而實踐的開展則以理論知識為依托，兩者相輔相成，缺一不可。由于傳統教育中實踐知識的缺乏，學生在處理實際問題時無從下手、猶豫不決，失去解決問題的自信心。機器人競賽作為既需要理論知識又需要實踐知識的競賽活動，對促進學生理論知識與實踐知識的相互融合起到了極大的幫助。學生全程參與其中，不只學會了查閱資料、自主學習，提高了分析問題、解決問題的能力，還學會了綜合設計、系統優化，使得理論知識、實踐知識和理論聯系實踐的能力得到了進一步提升，做到了從單一學習方法到思維方式的轉變，對學生創新能力的培養起著決定性作用。

1.4 促進個人能力和團隊合作能力的同步提升

由于機器人競賽項目的復雜性，即便個人能力很強的學生往往也無法完成全部的工作及任務，因此機器人競賽基本以團隊形式參賽。在機器人競賽參賽過程中，個人需要全身心投入其中，通過學習機械構造、傳動、無線通信、傳感器、編程等知識補足短板。對于多種多樣的知識，不同學生學習各有側重，從大方向上可分為硬件和軟件兩個類別，為了團隊之間合作的通暢，負責硬件部分的學生除了要對硬件了如指掌，還要對軟件有初步的掌握，負責軟件部分的學生亦然。只有這樣，才能在知識體系中架起溝通的橋梁，才能順暢實施方案，完成整體的架構。團隊合作不單體現在知識、能力層面，保持輕松愉快的團隊氛圍，也體現在人與人溝通交流、情商層面。通過機器人競賽，學生個人能力和團隊合作能力在競賽期間得到了極大的提升。

圖1 機器人競賽促進知識融合、培養創新能力

2 結合機器人競賽，構建穩定的組織體系

在醫學院校中，生物醫學工程作為其中極少數的工科專業，在組織機器人競賽過程中會遇到更多的問題和困難，表現為學校的重視程度相對不夠、可選拔參賽的學生人數和學生能力水平有限。學校的重視程度直接影響著經費的支持力度，機器人競賽同其他科技競賽相比，對經費的支持保障力度要求更高，因此，學校教務部門的支持對順利開展機器人競賽至關重要。

機器人競賽組織過程涉及比賽項目的選擇、人員選拔安排、培訓等環節。機器人競賽項目的選擇應充分考慮參賽學生的潛在最大能力范圍以及學生各項能力是否全面。除此以外，專業涉及課程知識和相關費用預算也要綜合考慮。南京醫科大學在前幾屆組織學生參賽的過程中，充分考慮經費預算的不足和學生、指導教師參賽經驗的匱乏，在學生組隊安排上，以一位研究生為隊長，三、四年級本科學生為隊員，組成5 人的隊伍。隨著比賽項目經驗的累積以及學校、學院經費支持力度的增加，隊員逐漸變為以二年級本科生為主體，輔以個別一年級或其他非工科專業，一年級本科生雖在第一次參賽過程中為輔助角色，但可以在第二年參賽中憑借其擁有的經歷和經驗，充當主力或隊長角色，從而實現承接作用?，F如今，經過多年的累積，不斷弱化指導教師在競賽中的角色，實現以參賽隊員為主體，通過相關能力、素質的提高，充分主導競賽進程，指導教師只在學生選拔、培訓前期以及經費保障上提供支持。

機器人競賽的規則每年會有不同程度的調整，但不管調整幅度大小，都本著培養學生、鍛煉學生的目的。往屆機器人所有硬件結構都將拆散到最小單元，所有軟件程序都將重新編寫。在拆散硬件結構過程中，學生可以學習借鑒往屆比賽中優秀的結構構件，后期在此基礎上繼續優化。只有這樣，才能既實現比賽經驗的傳承，又實現學生能力的培養。

隨著參賽經驗的累積和機器人項目的不斷發展，在比賽項目的選擇上由一個項目向多個項目參賽的轉變，以江蘇省大學生機器人大賽為例，參賽項目由單獨對抗類項目向對抗類加競技運動類項目轉變。

3 結語

自2015 年首次參加江蘇省大學生機器人大賽以來，南京醫科大學陸續組織學生參加了中國機器人技能大賽、中國教育機器人大賽。截至2021 年底，學校共組織27 支學生團隊參加機器人競賽，獲得一等獎9 項，二等獎11 項，三等獎7 項，并有兩位指導教師獲得優秀指導教師的榮譽稱號。通過機器人競賽，學生理論聯系實際的能力得到了提高，促進了知識相互融合，提高了學生創新意識和創新能力。在培養學生的過程中，教師的專業技術能力也得到了很大程度的提高，實現了師生的共同進步。