基于机器人创新训练的工程实践模式研究

刘叔军 毛丽民

【摘要】机器人竞赛作为高技术对抗赛，涉及诸多前沿技术领域，是大学生创新素质培养的重要平台。本文从提高学生综合水平和素质、扩大学生受益面等方面分析了机器人创新训练对增强学生学习主动性，提高学生学习能力、研究能力和工程实践能力的重要意义，机器人创新实践模式的构建。以学科竞赛、科技创新、项目研发为主线，激发学生学习兴趣、创新意识与科研热情。将机器人作为典型工程对象引入工程教育，进行三个层面的训练。最后探讨了基于机器人的创新型工程训练实施策略和机器人创新平台的建设实施。

【关键词】机器人创新能力工程实践

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2012）10-0241-02

近年来，机器人作为自动化、电子学、计算机技术、人工智能、机械学等学科的典型载体， 被广泛作为我国高校教学和研究的选题之一， 各级各类机器人竞赛活动也在全国各地广泛开展。该活动的开展，有力地推动了大学生实践创新能力的提高，促进了大学实践教学的改革，同时也为广大学生提供了学习和创新的舞台，进一步加强了学生提出问题、分析问题和解决问题能力的培养[1，2]。

一、机器人创新作为学生工程实践模式的必要性

美国哈佛大学教育研究所的霍华德·加德纳教授认为，“一个人全身心投入一项活动中，主动去问、去想、去寻找问题的答案，这是获取和积累知识的最佳途径。被动的接受会随时间的流逝很快被遗忘，不会产生持久的影响。”选择机器人作为典型工程对象培养学生能力，主要考虑到借助于各级各类机器人竞赛活动，激发学生的学习兴趣，以达到提高学生综合水平和素质，扩大学生受益面的目的[3]。

总体来说，机器人创新训练可以培养学生以下几个方面的能力：

1.基础知识的熟练掌握和灵活应用能力

学生通过对基本元器件应用、基本实用电路设计以及继电器、保护器、温控器的应用与设计，将所学理论知识灵活应用于基础电路训练项目中，为下一步机器人控制电路设计奠定了一个良好的基础。

2.专业知识的综合应用能力

学生按竞赛项目要求构建相应的机器人系统，将所学习的电路、数电模电、单片机、传感器技术、计算机控制技术、控制系统分析与设计等诸多本学科专业知识与机械设计加工、计算机应用等学科知识相结合[4]，培养学生综合灵活应用专业知识的能力。

3.分析问题、解决问题和独立思考能力

竞赛机器人要求学生从车体设计、控制器设计、电源管理、传感器应用、系统安装调试到软件设计，最终构建一个完整的控制系统，学生在整个过程中，综合应用所学知识，查阅相关资料、方案论证，传感器选择与布置，在完成基本任务的前提下，不断完善机器人的软硬件系统，以提高机器人的整体性能，这是一个不断提高、不断完善的过程，此过程中学生一直处于独立思考、分析问题、解决问题的状态中。

4.树立自信，不畏挫折，吃苦耐劳、踏实勤恳、周密严谨的科学研究态度

竞赛机器人的设计训练中，涉及诸多专业知识，当然也包括需要自学一些知识，在方案设计、安装测试、软硬件联调、性能优化过程中，每一个细节都要认真对待，所遇到的每一个难题都必须解决，此过程能很好的培养学生的科学研究态度。

5.老实做人、踏实做事、团体协作的综合素质

从竞赛机器人的设计、调试、优化、完善，直到比赛结束，需要小组成员全力协作，认真对待遇到的难题，相互交流，集思广益，此过程中学生会通过交流，达成共识，并促进相互理解。

二、机器人创新工程实践模式的构建

以学科竞赛、科技创新、项目研发为主线，以校内外创新平台实践为基础，采用阶梯化培养模式，扩大学生受益面，提升学生的整体素质，培养新形势下“卓越”自动化技术人才。

基于机器人创新工程实践平台阶梯化学生培养模式，如图1所示，通过科技创新活动、大学生电子设计竞赛、智能汽车竞赛、机器人竞赛、“挑战杯”比赛、工程项目研发等激发学生的学习兴趣，煅炼学生分析、解决和综合运用所学知识的能力和技巧[5]。使学生及早涉足科研活动。充分利用机器人技术创新平台，为学生提供一个真实的工业环境，让学生建立材料、工艺、加工设备、生产效率和产品质量之间相互关系的概念，掌握各种加工方法和设备的合理运用，煅炼学生寻求、接受新科技的敏锐性，培养人的求知精神和自我知识更新的能力，授人以“渔”。

图1基于机器人创新工程实践平台的阶梯化学生培养模式

三、机器人创新工程实践模式下的教学方式方法改革

充分调动学生学习积极性，激励学生自主学习。促进科研与教学互动，及时把科研成果转化为教学内容。鼓励本科生参与科研活动，早进课题、早进实验室、早进团队。

1.突出基于项目的“研中学”、“做中学”教学模式

进行基于问题、基于项目、基于设计的教学，增强学生的工程设计能力和工程知识运用能力，改革课程的考核方法，引导学生从注重“考试结果”向注重“学习过程”转变，增强学生的学习主动性，提高学生的学习能力、研究能力和工程实践能力[6]。

在工程基础课程和工程专业课程教学过程中，依托机器人创新平台，使学生们透过“真实的工厂环境”获得处理工程问题的实际经验。全面采用基于项目的教学模式，采取以问题为导向，以大作业、专题研究报告、文献综述报告、研究性实验报告等为载体的探索式学习模式，注重培养学生从工程全局出发，综合运用多学科知识、各种技术和现代工程工具解决工程实际问题的能力和综合素质，强化培养学生的自主学习能力、创新意识和探索未知领域的兴趣。

2.注重创新教育，将学生创新成果推广至课堂教学

经过一些年的创新教育的积累，产生了大量较高水平的学生科技作品和成果，这些成果源自高年级学生，对于低年级的同学非常有说服力，可以激发学生的学习兴趣、自信心和主动性。可以将这些成果以课程进行分类，由任课教师进行讲解，也可由作品完成的同学进行讲解，重点讲解解决问题的思路和方法，以及需要哪些知识、技术的综合。也可进行讨论式教学，针对某个作品大家发表各自的意见或者提出改进的建议，有能力的同学可进行重新设计。

3.推进企业工程师场景化课堂教学，增加课堂教学工程案例

机器人技术已经广泛应用于周边生产制造企业，企业工程师有着丰富的工程项目经验，对问题的思考角度与校内教师也有不同，对项目的理解更是有血有肉，能更好的把握关键点和难点。把一些典型的机器人技术工程案例引入课程教学，由工程师进行讲解，包括项目背景、设计要求、技术路线、详细方案、现场调试过程、验收标准以及整个项目的管理办法。通过工程案例的讲解，学生对于实际项目的管理、实施过程有了全面的了解和熟悉，对于增加工程意识和工程实践能力非常有益。

四、基于机器人的创新型工程训练实施策略

1.总体规划，分步实施

基于机器人的创新工程训练方案内容丰富，可以采用“统一规划，分步实施”的策略。逐步投入资金，逐步积累师资力量和教学经验。首先开展一些相对比较成熟、难度相对较低的方案，待经验积累到一定程度以后再逐步深入。

按照以上的规划设计思路，我们提出将整个工程训练计划分三步实施：

（1）机器人基础训练即认知实验：以基础训练机器人和配套传感器为实践对象。（2）机器人综合训练即设计、综合训练：以综合训练机器人和配套传感器为实验对象。（3）机器人高级训练即创新、研究训练：以RoboCup中型组机器人、工业级模块化机械手等为创新实验对象。

2.先专题再选修后必修，逐步推广应用

原则上，每个学生都需要接受一些以机器人对象为平台的基础认知实践或其他工程训练内容，可以根据实际情况，先以对部分学生开设专题的方式起步，继而面向全院学生提供选修课，待时机成熟时在院系作为必修课进行推广。

本教学法的教学模式有两大显著的特点：按照“任务驱动”的模式分解课程的知识点；按照“实践-归纳-推理-再实践”的模式讲课，完全打破“讲课+实验”的传统模式，将讲课与实验合二为一，其结果是：老师“在讲中做，在做中讲”，学生“在学中做，在做中学”。 机器人及应用体系便于采用工程对象教学法。

3.校企合作，优势互补

典型工程对象和相关教材是工程对象教学法顺利实施的基础，而工程对象的选择、制造与维护等工作由企业完成比较合适，双方联合编写部分教材。因此，建立良好、紧密的校企合作关系可以充分发挥各方优势，更好地为学生服务。

五、机器人创新平台建设

1.教师团队建设

机器人是非常典型的机电一体化系统，它融合了机械、电子、传感器、计算机软硬件、控制、人工智能和造型技术等众多的先进技术，是高等学校开展工程训练、教学实验、课外创新活动和科研最为理想的平台。正因为机器人创新综合了多学科知识，因此需要一个相对稳定的，具有共同兴趣且学科知识互补的教师团队，以利于更好的指导学生。

2.学生团队与梯队建设

考虑不同程度学生参与竞赛的能力和水平，可以采取国家级、省级竞赛和校内竞赛选拔方式。即在国家级和省级学科竞赛开展前一个学期， 学院提前组织校内选拔赛， 选拔赛的竞赛形式和竞赛内容完全按照上级竞赛的要求，为学生量身定制与其学习能力相匹配的竞赛项目，在难度上略微降低要求。这种竞赛校内选拔方式一方面扩大了学生学科竞赛的参与面，提高了学生参与学科竞赛的热情，另一方面为学院选拔优秀学生组队参加国家级、省级竞赛提供参考。与此同时，也建立了相应的学生团队与梯队。

六、结束语

机器人竞赛是一个以目标为驱动的对抗性比赛，易于激发学生科技创新的兴趣和能力；提高学生团队合作精神；提高学生驾驭专业基础知识技能的能力和水平。通过学生在创新实验室的锻炼，学生在设计能力、动手能力、创新意识，以及计算机应用、工程实践、实验研究、国内外资料查询等方面都会有较大程度的提高。机器人竞赛为大学生创新能力的培养提供基础条件，并将带来竞争性学习机会，能够有效弥补传统教育的缺陷，锻炼学生多方面的能力。

参考文献：

[1]郝卫东，李静等.开放性机器人创新实验室建设研究[J]. 高教论坛， 2009， 09. p54-56

[2]吴献钢.智能机器人创新实验的实践与改革[J]. 实验科学与技术， 2008， 10. p102-104

[3]张勇，苏学军. 组建人形机器人实验室，构建新型创新实验平台[J]. 中国现代教育装备， 2008，（06）

[4]万佑红，蒋国平. 机器人教育与大学生创新能力培养的探索[J]. 电气电子教学学报， 2005，（04）

[5]祝龙记，郑晓亮. 基于机器人制作平台的大学生创新能力的培养[J]. 安徽理工大学学报（社会科学版）， 2010，（01）

[6]张云洲，吴成东，崔建江，丛德宏. 基于机器人竞赛的大学生创新素质培养与实践[J]. 电气电子教学学报， 2007，（01）

作者简介：

刘叔军（1962-），黑龙江人，男，常熟理工学院电气与自动化学院，教授。