激发自主学习热情构建机器人创新平台

李 敏,张 毅,徐晓东,罗 萍

(重庆邮电大学自动化学院,重庆 400065)

0 引言

随着计算机普及化程度的加深,越来越多的知识可通过网络获取。对大学生来说,理论知识的学习变得越来越简单。与此同时,越来越多的学生将更多的目光和时间精力投入到实践能力的培养上。通过对我校电气工程及自动化专业学生近几年的观察发现:经过一年的理论学习,同学们在大二的时候表现出强烈的愿望,希望能参加专业性强、有趣味、能挑战自我并从中获得乐趣的课外科技活动。而机器人设计制作无疑是其中最能激发学生兴趣、培养学生动手能力的创新型项目。

机器人技术结合了电子、电气、自动化、机械、光电、通信、计算机等学科,对于电气工程及自动化专业大二、大三学生来说,入门很有难度。如何引导学生在有效的学习中,设计制作出自己感兴趣的、有创意的机器人,构建合适的机器人平台显得尤为重要。很多高校都做了不同的探讨[1-5]。本文将结合我院近几年开展机器人课外科技活动谈谈机器人创新平台的建设。

1 创新平台的构架

实践环节在培养学生科学素养、创新能力、工程意识等方面有着明显的优势,具有直观性、实践性、综合性和创新性的特点[6]。不管实验体系如何完善,实验设备如何先进,如果离开了学生的自主学习,都将无济于事。因此,激发学生自主学习热情,培养学生实践动手能力就成为越来越多的高校实施素质教育的共识。就我校这几年的情况来看,也屡屡提出开放实验室、让本科生参与科研等,终因资金投入、日常值守、设备维护、学生知识结构等因素而没有很好的效果,有些甚至是昙花一现。

要建立具有梯度的、适合学生攀登的机器人创新平台,需从政策扶持、师资培养、经费配备、学生选拨、内容编排、交流平台、鼓励促进等方面进行考虑。其框架结构如图1所示。机器人创新平台的建立是个耗时、费钱的工程,但其对学生自主性、创新性的培养却有立竿见影的效果。而学校的政策支持是基础。如果领导班子不重视、不支持,对于组织的老师没有相应的鼓励措施,没有相应的经费支撑,这项工作就难以展开;同时,如果没有专业的、耐心的教师队伍,单靠学生自行摸索,一方面会损伤学生的锐气,另一方面将极大降低学生的学习效果;在实验内容编排上,实行梯级对待,对新进的学生可以安排简单、容易做到的任务,让其产生兴趣,而对有一定基础的学生则可让其挑战难度大的题目,帮助其确立信心;此外,对于参加并取得较好成绩的学生,应给于相应的奖励,如可以免修学分、给以精神和物质奖励等,激发学生的学习热情。

图1 机器人创新平台构架

2 实施要素

2.1 以竞赛促进步

目前,国内比较有影响力的机器人方面的竞赛大致分为两类:一类是国际机器人大赛在中国的选拨赛,如每年的 FIRA机器人足球赛、ROBOCUP机器人大赛等;另一类是一些大的机器人公司所举办的每年一次的机器人赛事,如广茂达杯机器人比赛。此外,还有一些以地域或校际之间组织的规模较小的机器人比赛。这些比赛一方面促使中国的机器人技术在高校快速传播、发展起来,另一方面为各个机器人研究团体提供了广泛交流、共同促进的平台。鼓励学生积极参加各种比赛,帮助他们树立信心,开拓眼界,不断提高。我校近几年积极鼓励学生参加Fira、RoboCup中国赛区的各项比赛以及国内的各企业、院校组织的邀请赛或表演赛。

2.2 合理的经费支持

机器人设计制作相比其他课外科技活动需要更多的经费支持。这一方面源于其在国内的初期发展,很多技术难点都是处于探索阶段,尚未大规模成型,其研发成本高昂;另一方面,国内机器人公司尚少,规模小,创建时间短,难以提供齐全的、性价比高的零配件或制作平台。因此,要开展机器人创新活动,需要学校提供较长足的经费支持。拿人形机器人来说,目前市场上不含视觉处理的报价在1-2万,带有视觉处理的在2-3万,这还不含磨损严重的舵机、电机、电池等零配件的更换费用。因此,机器人创新平台建立初期,费用主要花费在机器人购置上;而到了一定阶段,学生对机器人的构造、软硬件设计方法较了解的时候,就可以自行设计制作自己构想的机器人,此时,费用主要为结构件的制作、电路板的制作和元器件的购置等。如果学校有相应的金工实习工厂或者机械加工厂,则这些费用将会大大减少,只需添置一些常规的配件,如电机、舵机等,就可以很好的开展机器人科技活动。

2.3 培植教师队伍

这对于大多数本科生来说,入门及提高难度均较大。没有专门的教师队伍进行长期的指导,学生很难坚持下去。而机器人技术发展迅猛,更新换代极快,这就要求指导教师拥有良好的专业素养、敏锐的技术眼光,跟得上最新的科学发展。同时,学生科技活动需要耗费大量的时间、精力,而指导教师一般都有各自的教学及科研任务,因此学校在政策上需对这些教师进行倾斜,以鼓励其能长期坚持下去。很多学校都是在临近比赛的时候,让一些任课教师临时指导学生,这种做法一方面没有传承性,不能给予学生最好的指导,另一方面,也使得学生的积累不够,在各种比赛中难以取得好成绩。因此,培养一支专业的、热爱机器人事业的、能长期坚持的指导队伍非常重要。

2.4 建立学生梯队

对于本科生来说,机器人设计制作的培养期一般为1-2年,有些难度较大的项目,则可能长达3年以上。就普通参赛项目来说,从学生进入实验室到其能独立设计制作,时间大概为0.5-1年。而参加机器人竞赛的大部分为大二或大三学生。因此,我校一般从大二学生中招收新手,其考虑为:大一学生在基础知识上累积较少,像电路、数电、模电、单片机等主干课程都没有学过,太早进入会加长入门时间,磨掉其对机器人的热情,而太晚进来,则后期制作时间不够,难以有大的突破。有些有条件的学校也会从大一学生中招收新成员。对于大一部分非常勤奋、积极要求加入的学生,我们也允许其在大一的时候以编外的身份接触稍简单的机器人制作。为了加深学生之间的配合和沟通,我们的做法是让高年级同学带领低年级的,在组队的时候一般是2个大三+1个大二或是1个大三+2个大二模式。另外,在知识传承上,除了他们之间的课余交流,也会定期或不定期的让高年级同学做技术报告。实践证明,这种方法非常有效,能够大大减少了学习周期。

2.5 制定实验规划

机器人设计制作涉及到各方面的知识,对于前期培训阶段,需编排合适的实验内容帮助学生更好、更快的度过入门阶段。我们在前期培训阶段,编写一些难易适中、针对性强、目的明确的实验项目供这些学生练习。如传感器数据的采集、电机、舵机的驱动控制、电源稳压、升压、降压的设计以及简单程序的编写调试等,通过这些基本单元的练习,帮助学生实际认识机器人的组成部分、工作原理以及基本器件的使用、调试方法。对于已经入门的学生,鼓励他们提出自己的构想,帮助分析可行性及重难点,引导其一步一步朝正确的方向前进。而对于要参加竞赛的学生,则需帮助全面分析各参赛队的特点,自身存在的问题,未解决的难点,寻找制胜的方法。

2.6 搭建交流平台

建立一个方便各方面同学、师生之间交流的平台十分重要。对于内部成员之间,常用的方式为各种即时通信工具,如校内的飞鸽传书、QQ、电子邮件等,这些在点对点或群讨论的时候发挥了即时、快捷的功效。而在对外展示方面,建立相关的网站则是最好的方式。很多大学都拥有自己的机器人网站,介绍了各团体机构在机器人方面的研究进展、成果,提供了机器人领域最新技术、方案,还提供了方便交流的论坛或留言板,这些均为学校、团体、所攻克的技术提供了展示窗口,为同业人员提供了大范围内交流的平台。

2.7 推行鼓励措施

很多学生将巨大的热情、时间、精力投入到机器人设计制作中,且在实践方面获得很大的成果,但仍需面临繁重的学业任务。因此,学校如能在学分、评奖、评优、考研等方面给予这些学生更多的鼓励和支持,则能引导其更有效进行本科四年的学习。例如,很多学校都有规定:在各种赛事中获得较好名次者,可免修某一模块的学分;评奖评优时给予优先考虑;免试读研或考研录取时给以加分或免复试等。这些政策极大的鼓励学生在机器人方面的投入,也使得其能更好的规划自己有限的学习生涯,取得更好的成绩。此外,还有一些物质或精神上的奖励等。

3 结语

综上所述,机器人创新平台的建立是个长期的工程,需要各方面的努力、配合,包括政策、经费、师资、学生选拨、实验规划等方面;但其在学生自主学习热情、实践能力的加强上发挥了无可替代的作用。在强调工程实践能力的电气工程及自动化专业,机器人创新平台无疑是培养学生工程实践能力、分析和解决问题能力、科学研究方法的最有效方法。

[1]郑清春,武刚,郝丽芳.基于乐高机器人的创新设计实验开发与实践.实验室科学.2008,(2):65-66

[2]田景峰.开展机器人创新设计 培养学生综合能力.辽宁教育行政学院.2009,(6):163-164

[3]谢达.智能机器人在培养学生信息素养中的教学模式研究.中国教育信息化.2008,12:15-18

[4]张润梅,龚剑.基于机器人足球的大学生创新素质培养的探索与实践.计算机教育.2009,(2):22-23

[5]吴献钢.智能机器人创新实验的实践与改革.实验科学与技术.2008,10:102-103

[6]李英俊,孙淑琴,于世钧等.多种模式开放实验室培养创新人才的探索与实践.实验室研究与探索.2007,26(3):121-124