基于机器人足球的大学生创新素质培养的探索与实践

张润梅　龚　剑

文章编号：1672-5913(2009)02-0022-02

摘要：“机器人足球”是以体育竞技形式展示的高技术的对抗，涉及多领域的前沿技术集成。本文分析了高校开展机器人足球对大学生创新能力培养的重要意义，并阐述我校以机器人足球为平台的大学生创新能力培养的实施方案，最后对开展机器人足球对信息类专业的本科教育的影响进行了探讨。

关键词：机器人足球；创新素质；教育改革

中图分类号：G642.0

文献标识码：B

1机器人足球

机器人足球比赛，顾名思义，就是训练和制造机器人进行足球比赛，就是通过体育竞技的形式来提高人工智能领域、机器人领域的研究水平[1]。机器人足球赛的设想首先是由加拿大不列颠哥伦比亚大学教授Alan Machwor在1992年的论文《On Seeing Robots》中提出的。研究目标是计划经过五十年左右的研究使机器人足球队能战胜人类足球冠军队。目前，有关机器人足球赛的国际组织有两个：FIRA组织和RoboCup联合会。

FIRA(Federation of International Robot-Soccer Association)是由韩国人创办的组织，从1997年开始每年举办一届比赛，其国际影响较小，主要有韩国、新加坡、巴西等一些国家的研究机构组队参赛。RoboCup联合会成立于1992年，1996年在日本举行了一次表演赛，获得了很大成功。第一届RoboCup比赛和会议于1997年举行，以后每年举办一届。RoboCup的活动包括学术会议、机器人世界杯、RoboCup挑战计划、RoboCup教育计划等。

机器人足球世界杯是RoboCup活动的中心，包括小型机器人比赛、中型机器人比赛、Sony有腿机器人比赛、仿真机器人比赛等。仿真机器人比赛是RoboCup比赛中参赛队数目最多的一种，其规则基本上与国际足球联合会的比赛规则一致。比赛的方式是由Robocup委员会提供标准的Soccerserver系统，各参赛队编写各自的CLIENT程序，模拟实际足球队员参加比赛。

作者指导的安徽建筑工业学院机器人代表队参加了2004-2007年的全国机器人大赛，连续几年都取得了仿真2D和仿真3D三等奖的好成绩。本文结合实际参赛的经验，对基于机器人足球的大学生创新能力培养的机制和实践进行探讨。

2机器人足球促进学生创新素质的培养

国内高等教育教学存在一些不容忽视的问题，如重理论知识的讲授，且知识结构不合理，理论教学跟不上新理论的发展；实验教学薄弱，课程实验多为验证性的；对学生创新能力的培养不足等。机器人足球教育不同于传统的课堂理论教学，具有实践性强、探索性强和综合性强的特点，有利于学生创新能力的培养。

2.1培养学生创新意识和创新能力

高等学校的教育与“应试教育”有本质的不同。然而,“应试教育”下形成的“满堂灌”、“填鸭式”等教学方法在大学教学中同样存在，单一、死板的教学形式束缚了学生思维的发展、个性的塑造及创新能力的培养，造就了大批只会考试的人才。机器人足球队的开发从方案的制定到具体的实施，全部由学生独立完成。这就使学生由被动学习转向主动学习，学生独立分析问题，自主选择知识，结合所学的理论知识去解决实际问题。学生通过研究分析，极大地发挥个人潜能，培养了学生的设计能力、动手能力和跨专业学习的综合创新能力。因此机器人足球为创新教育的开展提供了良好的平台。

2.2培养学生的团体意识和合作共事能力

合作意识和团队精神是现代人应具备的基本素质，这种素质对大学生将来进入社会，做好工作是十分重要的。由于机器人足球系统的开发是一个比较大的工作，需要多人配合才能完成，并且需要不断进行优化。通过大家共同的协作，学生能够完成一些靠他们人所不能完成的或者需要很长时间才能完成的任务。虽然每个的编程水平、动手能力和解决问题的思路不尽相同。团队给学生提供了一个互相学习的机会，在协作的过程中学生可以学会作技术报告，学会与人相处，认识团队合作的重要性，不断增长自己的才干，进而培养起以后工作以及研究所必须的团队合作精神。

2.3培养学生的研究能力

机器人球队的开发是将素质教育、创新教育和前沿研究相结合的一条可行途径。与传统的以知识传授和技能培养为目标的课程不同，机器人足球队的研制具有实践性强、探索性强和综合性强的特点，有利于迅速接触前沿研究，并促使学生的创新能力和专业素质得到提高。由于在机器人足球的实际开发中，需要用到的知识牵涉面广，这就需要学生自己去找资料学习一些相关的知识，在过程中学生的科研能力会得到很大的提高。

3具体实施

机器人足球具有低起点高落点的优势，学生只要具备一门计算机程序设计语言的基础就可以参与球队的开发，而深入的研究则牵涉到人工智能许多知识，因此被称为是“人工智能的新标准问题”。因此选择这样一个平台具有可行性。

3.1基础培训

机器人足球比赛是一项综合性训练，涉及的知识面广，因此指导教师起着举足轻重的作用。指导教师要引导学生正确运用专业知识，实现正确的设计方案。通过教学实践，我们认为一年级学生以认识为主，通过举办讲座使学生初步了解机器人足球的相关基础知识；二年级学生为入门起步阶段，通过开设全校公选课和专业选修课，使相当多的学生投入到机器人球队的开发中，并每年组织全校的比赛，让学生通过比赛检验自己的成绩。三、四年级则进入高级研究阶段，经过选拔入选校队的学生则在固定的实验室继续从事球队的高级开发和相关的研究。

从我校每年举办机器人仿真比赛中发现，同学们对机器人比赛兴趣非常高,参与意识强烈，营造出了一个良好的学术和学习气氛，调动了学生们把注意力从网络游戏、过度交友转化到科技创新活动和学术交流上来，促使更多学生在实践过程中激发努力学习理论基础知识、拓宽专业知识面、锻炼工作能力的兴趣和劲头上面。

3.2教学实践

(1) 开设机器人足球的全校公共选修课

RoboCup仿真球队的开发不需要太多的硬件投入，且起点很低，只要求学生有C/C++的编程基础就可以了，所以在工科院校开设机器人足球开发的公共选修课具备条件。作者从2005年开始开设全校公选课，凡是二年级的理工科专业的学生都可以选课。几年来，选课的学生人数逐年增加，平均每年有400人通过选课熟悉机器人足球的相关知识，在球队程序设计过程中得到计算机应用能力的锻炼，取得了较好的效果。每年的全校机器人足球仿真比赛的参数队也逐年增加，每年有近200人参加比赛。

(2) 将机器人足球列入信息类专业的培养计划

和全校公选课不同的是，机器人足球作为信息类专业学生的专业选修课在二年级的第一学期开设，是学生学习完C/C++之后接触的第一门专业课，课程主要针对RoboCup仿真比赛，详细介绍球队开发的基本知识和技巧，考核的方式是对学生进行分组，每组提交自己开发的球队。

(3) 机器人比赛

每年举办的全校机器人比赛为学生提供互相切磋、互相促进的平台，使学生通过比赛发现自己的不足，以便找到进一步努力的目标。通过比赛也能涌现出一批具有较强的动手能力的学生，这些学生将作为校队的成员进入机器人足球实验室，由专门的指导教师带领，进一步学习机器人足球的高级技能，并从事与机器人足球相关的一些研究活动。

(4) 机器人足球实验室

2002年我校组建了机器人足球实验室，由学生自主管理，全天开放，有专业老师负责指导，每年都有近50名学生在其中从事机器人足球的开发，并每年组队参加全国机器人大赛。实验室成员以3-5人为一个组，合作开放自己的球队，队内协作，队间交流。2个月进行一次对抗比赛，通过比赛相互学习。同时建立交流制度，每周都有球队作开发报告，报告自己的最新进展及技术要点，通过报告交流设计心得和体会。指导老师则主要是对学生的设计进行引导，并对实验室的总体进展进行协调。

3.3取得的效果

通过几年的实践，我们发现开展机器人足球的比赛使学生的计算机应用能力得到了显著的提高，提高了非信息类专业的学生学习计算机的兴趣，也使学生对科技创新活动有了新的认识，机器人足球这种低起点的平台被越来越多的学生接受。具体如表1所示。

信息类专业的学生通过参与机器人比赛获得了更多的实践能力，体验了系统开发的过程，学会了如何进行技术交流，学会了如何在系统开发的过程中进行协作；激发了学生的研究兴趣，他们积极参与老师的项目，从事人工智能的相关研究，有10名学生发表了研究论文，机器人足球实验室的成员90%考取研究生，10%的学生成为用人单位争抢的对象。

4机器人足球对本科教育的影响

随着高等教育进入大众化阶段，大学生的理论学习和实践脱节的问题越来越受人们关注，很多用人单位都抱怨现在学生的实践能力不强。在校大学生也逐渐认识到理论学习和实践的距离，自觉拓展知识面，将理论知识延伸到实践中是学生的内在需求，也是对现有本科教学的促进和补充。

机器人足球所反映的问题也给老师的教学提出了一些思考，相关课程(尤其是那些理论性强的课程)的教学内容如何进行调整和充实，才能使课程内容更丰富，形式更生动，更具有实践性。组织学生参与竞赛所积累的经验和知识也为教材的修订提供了好的素材，提高了课程教学新知识的比例。

从学生参与球队开发的过程看，学生使用的参考书很少是教材，这一定程度上反映了教材建设存在的问题；从学生的参赛经历来看，学生投入大量的时间从事球队的开发和相关知识的学习，不但成绩没有下降，而且动手能力和学习的主动性大幅度提高；由此看出，现有的教学体系在挖掘本科生素质培养潜力方面有较大的改进余地。

通过我校的初步尝试，说明开展机器人足球教育是切实可行的。所以，在高等工科院校开展机器人足球教育，可以激发大学生们开发与研制高科技的兴趣与爱好，培养科学创新精神，激励创新思维；可以进一步推动高等院校的课堂教学与实验改革，同时也为活跃校园科技，为培养未来科技创新人才提供了一个真实的平台。

参考文献

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[2] 彭绍东. 论机器人教育[J]. 电化教育研究,2002,(6):3-7.

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