构建机器人技术创新实践基地的探索与实践

徐晓红， 郑志强， 卢惠民

(国防科学技术大学 机电工程与自动化学院,湖南 长沙 410073)



构建机器人技术创新实践基地的探索与实践

徐晓红， 郑志强， 卢惠民

(国防科学技术大学 机电工程与自动化学院,湖南 长沙 410073)

依托“十二五”国家本科教学工程建设项目，以专业创新型人才培养为出发点，结合国防科学技术大学机器人技术创新实践基地建设成果，探索引发学习者创新意识、建设创新实践平台、培养创新实践能力和形成创新文化的途径。在多元化创新实践活动牵引下，构建将实践教学贯穿于创新人才培养全过程和全方位的立体化实践教学体系，提出创新实践基地条件建设的新思路与新方法，开创创新实践基地管理与运行的新模式，落实全开放机制。结果表明，以亚太大学生机器人大赛为背景，建设专业创新实践基地，促进专业教学建设，提高专业人才培养质量。

创新实践基地； 机器人； 人才培养； 创新能力

0 引 言

为适应军队信息化建设对人才培养提出的加强学生复合知识结构和创新能力的要求，国防科学技术大学发挥各学科的优势资源，投资建设了如机器人技术创新实践基地、机械设计创新实践基地、电子设计创新实践基地等7个本科创新实践基地。机电工程与自动化学院依托“控制科学与工程”、“机械工程”和“仪器科学与技术”学科，建立了本科机器人技术创新实践基地。该基地面向全校各专业学生开放，开展机器人技术相关的创新实践和学科竞赛活动，以及承担学院各工程技术和学历合训专业的相关课程设计、毕业设计等任务。

机器人技术创新实践基地建设，紧密围绕提高人才培养质量，重点研究了创新人才培养四要素(意识、平台、能力和文化)及它们之间的相互作用关系，提出并实施了本科机器人技术创新实践基地建设的新思路、新型的实践指导团队组织管理模式和创新实践基地运行管理模式；探索建立了一套由课内实验、课程设计和课外创新实践相结合，基础教学实验、工程训练实践和创新设计实践活动相补充的立体化实践教学体系。将实践教学和创新能力培养贯穿在专业系列课程教学和人才培养的全过程和全方位，为解决创新人才培养过程中，启发学生的创新意识、搭建创新平台、培养学生的创新能力及形成创新文化等教学问题提供了环境和管理经验。参与基地活动的学生，综合素质得到大幅提高，在以亚太大学生机器人大赛为典型背景的学科竞赛中，取得了优异成绩。

1 创新实践基地支撑立体化实践教学体系

本科机器人技术创新实践基地早在2002年由学校立项建设，是重要的课外创新实践活动场所，它有别于传统教学实验室，是本科控制技术与工程实验室建设的延伸，也是构建立体化创新实践教学体系不可缺少的必要环节。

1.1 构建立体化实践教学体系

创新型人才培养依赖于良好的教育培养模式【1】，需要突出专业特色，设置个性化课程、丰富教学方法以促进学生个人形成良好的学习行为。我校自动化专业把实践教学作为创新人才培养的重要途径，坚持实践教学不断线，以课程实践为基础，拓展课外创新实践，构建立体化的实践教学体系。

立体化是指将实践教学贯穿于创新人才培养的全过程，全方位，课内实验、课程设计和课外创新训练计划项目相结合，基础教学实验、工程训练实践和综合创新设计实践相补充。课内实验、课程设计和课外创新训练计划项目是基于本学科知识开展的实践活动，而工程训练实践是跨学科开展的实践活动，综合创新设计实践则是学科交叉融合开展的实践活动。形成了专业特色突出，学科交叉融合，多元化的实践教学模式。

经过多年实践，学院各专业的学生依托本科教学实验室完成本专业系列课程的基础教学实验，依托金工实习中心完成跨专业的工程训练实践，依托机器人技术创新实践基地完成综合创新设计实践。例如：自动化专业的学生在控制技术与工程实验室完成控制系列和计算机硬件系列课程基础实验，在机械学科建设的金工实习中心完成工程训练实践，在机器人技术创新实践基地完成课程设计、毕业设计和开展课外创新实践活动，如参加学科竞赛、大学生创新训练计划项目、机器人文化节等活动。“逐步形成了与专业创新人才培养相适应的，以专业基础实践为基础，拓展创新设计实践，课内实验、课程设计与课外创新实践相结合的立体化实践教学体系”。

1.2 实践创新人才培养的案例

学生创新能力的培养是从创新意识启蒙开始、通过在创新平台上实施、逐步形成一种创新文化的过程。大量教学实践表明：学生的创新意识、创新能力和创新精神不是老师“教会”的，而是学习者自己“学会”的，更是依靠学习者的主动实践在“体会”中培养的。因此，不论是“学会”还是“体会”，本质上都是以学习者为主体，通过实施合适的教学模式，构建合适的创新实践平台而实现的。

亚太大学生机器人大赛(简称Robocon)，由亚洲-太平洋广播联盟发起，亚太地区各个国家轮流承办的国际性机器人赛事。参与对象是各国的本科生，比赛目的是促进大学生国际交流，培养学生的创新能力。每年比赛的主题和规则由承办国发布，主题设计通常反映了本国的风俗，具有民族特色。如2010年，承办国为埃及，比赛主题是搭建三座金字塔。2011年，承办国为泰国，比赛主题是祈福河灯。2012年，承办国为中国香港行政区，比赛主题是平安大吉。

每届机器人队的学生们面对的都是全新的主题，需要研制全新的机器人以完成比赛任务。机器人的研制有明确要求和限制条件，除能够自动完成特定的任务外，数量(3～4个)、尺寸(机器人全伸展长宽高限制)、重量(总重量<50 kg)、时间(3 min内完成任务)、通信方式(禁止使用射频)等方面有严格的要求。

比赛机器人的研制涉及到控制、机械、仪器及信息等多学科内容研究，能为学生提供了一个多学科交叉融合的综合创新研究平台。因此比赛机器人技术的挑战性、趣味性和竞赛性质本身的残酷性都能极大地激发广大参赛队员的创新意识，而他们在比赛机器人的研制中则需要充分发挥创新实践能力和团结协作精神，才能在最后的比赛中取得优异成绩。在整个准备比赛过程中，学生的创新能力能得到极大的锻炼。经过几年的积累传承和指导教师的引导，就会在机器人参赛队伍中形成一种创新文化，即只有通过创新才能提高技术水平取得最后比赛的胜利。

我国的国内赛始于2002年，由中央电视台和教育部共同承办。每年的比赛吸引了全国包括北京航空航天大学、北京邮电大学、东北大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、上海交通大学等知名院校在内的超过40支队伍参赛。我校机器人代表队，依托机器人技术创新实践基地，参加了十二届比赛，取得了较好的成绩，水平一直保持在前列，3次获得全国亚军，获得国家级一等奖、二等奖13项，最佳策略奖3项，最佳表现奖2项，最佳技术奖2项，被誉为国内“传统强队”。

2 创新实践基地条件建设的探索与实践

学生有了创新意识，还需要搭建不断完善的创新平台供学生学习、思考和实践，该创新平台的建设和完善需要教师、学生以及具有一定创新能力的企业共同参与才能完成。我校本科机器人技术创新实践基地条件建设的思路是：以学科竞赛项目研制为背景，相应需求为牵引，谋划加强创新实践基地建设，构建创新实践平台，增强支撑创新性探索性自主性实践的能力。

2.1 创新实践基地建设的思路与模式

以培养创新人才为指导、相应需求为牵引，科学谋划和大力加强机器人技术创新实践基地建设。经过多年实践，我们探索提出了“创新人才培养需求牵引、项目方案驱动，共享基础设施资源，发挥学科科研优势，自研自制、自研定制和自购结合”的本科机器人技术创新实践基地建设的新思路、新模式。

按这种新思路、新模式，在科学论证的基础上，高质量、高效益地完成了国家985工程建设规划对机器人技术创新实践基地的投资计划，并结合控制技术与工程本科实验室建设，实现了基础实验设备装置的合理升级换代，扩展了实践空间，改善了实践环境，提升了实践条件，为全面实施创新人才培养，构建立体化创新实践教学体系，创建国家级精品课程、湖南省教学实验示范中心，组队代表学校参加亚太大学生机器人大赛发挥了重要支撑作用。

2.2 创新实践基地软硬件平台建设

依托“控制科学与工程”国家级重点一级学科和“机械工程”“仪器科学与技术”国家一级学科的科研优势，以自研自制或自研定制的方式转化科研成果为教学资源，直接用于支持创新实践基地的条件建设和创新实践平台的搭建。

2.2.1 基础平台建设

(1) 机械加工：机器人创新基地购置有大小钻床两台，铣床一台，车床一台，可以提供学生完成简单的机械加工任务。主要零件加工依托于学院机械工程训练中心，管材焊接依托于校外的焊接工师傅。

(2) 控制器件：机器人创新基地可以完成除制作印刷电路板外的其他相关基础工作。基地依托本科“控制技术与工程实验室”的建设条件，配有示波器、万用表、电烙铁和各类基本电子器件等设备，能够满足电路板焊接、机器人布线和相关电路维护等工作。

2.2.2 创新实践平台建设

依托完成每年的机器人比赛任务，创新实践基地积累了多项机器人技术，搭建了适于创新人才培养的软硬件综合平台。

(1) 以智能机器人控制器研制和数字化、信息化武器装备研制的成果和经验为基础，原创设计了DSP运动控制系统和ARM控制系统。

(2) 以全向视觉机器人控制技术的项目研究为基础，原创设计了双目视觉点火控制系统。

(3) 以全向轮式移动机器人设计项目研究为基础，以自研定制的方式设计了全向移动机器人轮系模块系统。

(4) 以机器人抓取不同形状物体研究为基础，原创设计了通用的抓取轻型物质的抓手机构。

(5) 以传感器研究与应用项目为基础，设计了激光测距传感器模块、激光雷达传感器模块、超声传感器模块、陀螺传感器模块和色标传感器模块等机器人感知模块。

(6) 原创设计了电机选型软件系统。

(7) 原创设计了比赛机器人在线交互调试系统。

(8) 原创设计基于手柄机器人操作控制系统。

(9) 原创设计了履带车曲线路径跟踪算法。

上述装置或技术，都是机器人技术创新实践基地的学生研制的，也是根据每年不同比赛任务攻关并积累的技术，更是每届队员技术传承的见证。不仅用于完成学科竞赛任务，而且还支持了实验室建设。“十一五”控制技术与工程实验室自研定制的创意机器人组合系统装置，其雏形就是全向移动比赛机器人，关键技术的攻关就是在机器人技术创新实践基地完成的。

由创新实践基地构建的实践平台，除满足“自动化系统综合设计”、“微机接口与应用课程设计”等课程设计教学需要外，还支持了本科优异生和学有余力又有兴趣的其他学生的业余自主设计开发活动和本科毕业设计。

2.3 创新实践基地条件保障

为提高机器人技术创新实践基地的资源效益，基地每年还向开展以硬件为主的控制类毕业设计的学生全面开放，向他们提供资源保障和指导。

近3年来，创新实践基地为百余名工程技术类、学历合训类学生的毕业设计提供场地及设备条件，使学生有机会充分利用基地硬件设施，紧贴学科竞赛完成设计任务，如“比赛手动机器人控制系统设计”、“全向移动机器人底盘控制系统设计”、“自动机器人控制系统设计”、“移动机器人曲线运动控制算法研究”、“比赛机器人机电一体化设计”、“机器人位姿测量与定位方法研究”等。利用基地创新实践平台，充分锻炼培养了学生的工程实践能力和创新能力。

创新实践基地平时全日制开放，鼓励、吸纳一部分学有余力、又有兴趣的学生利用课余时间来做一些研究探索性实验或开展其他科技创新活动，组织、指导学生积极申报国家级/省级/学校创新实验训练计划项目，参加机器人文化节(举办机器人擂台赛)和各种设计竞赛活动。

3 创新实践基地管理机制建设

为了确保创新人才培养方案实施及效果，推动创新能力培养从时间上、空间上和内容上全面开放，确保创新意识、创新平台和创新能力协同作用，升华形成创新文化，必须创新实践基地管理模式，实践基地管理模式包括指导组织管理模式和实践运行管理模式。

3.1 创新实践基地组织管理模式

多年来，我们参照国外名校先进理念，结合本单位实际，打破传统的实践管理队伍建设理念，创造性地提出并坚持实行了一种新的实践指导团队组织管理模式：以学术造诣深的专家教授领头，以教学经验丰富、工程实践能力强的中青年教师为实践活动指导主力，以有参赛经历的在读博士、硕士研究生为培训骨干，以管理能力强的专职教师为组织管理和运行负责人。

按照这一组织模式，机器人技术创新实践基地以控制学科、机械工程学科和仪器科学与技术学科教授为带头人，他们学术造诣深，科研经历丰富，工程实践能力强，总是站在学科前沿，不失时机、与时俱进地进行顶层谋划，提出创新人才培养的思路和方案。控制学科的教师作为创新实践基地负责人，组织开展基地的全面工作。机械工程学科、控制学科副教授、讲师等教学科研工程经验丰富教师，负责技术指导。专职实验技术人员负责创新实践基地的日常管理。每年至少有2名博士研究生和6名硕士研究生参与指导，他们都是历届的竞赛队员，主要负责技术培训和传帮带。

3.2 创新实践基地运行管理模式

为解决竞赛项目难度大，研发周期长，团队作战，以及参加竞技比赛要求机器人高可靠性、高稳定性等问题，我们创造性地提出并实施了一种新型的创新实践基地运行管理模式：基本技能培训，方案策略讨论，专家教授讲座，关键技术攻关，赛前强化训练，以及师队组三级管理，本科生主力，以老带新，教师决策。

我校机器人代表队队员来自自动化、机械、仿真工程、测控技术与仪器、电子工程、计算机等专业的本科学员，一般以大四、大三学生为主力。

依据每年机器人比赛规则，队员分成3或4个小组，2或3个机器人组和1个综合保障组。设置机器人队队长、副队长以及组长等管理岗位。参赛准备工作分4个阶段有计划地进行。4个阶段的工作，各小组列有详细计划，导师组全程检查、落实各环节工作。至少每周一次例会时间，首先各小组汇报完成工作计划情况，说明问题及困难；其次是技术攻关项目汇报进展情况；最后是集体讨论解决办法。

4 创新实践基地建设成果与效益

机器人技术创新实践基地经过几年建设，培养了一批专业拔尖人才，促进了教学建设。每年来创新实践基地参加课外创新实践活动的学生少则七八十人，多则一二百人。近3年，成功申报国家级/省级/校级大学生创新实验训练计划项目10余项。一批尖子学生在Robocon全国机器人大赛，RoboCup足球机器人和救援机器人比赛，各级电子设计、嵌入式系统设计、挑战杯、创新杯等大学生设计、发明大赛中取得了优异的成绩。近年来，有200人次相继获得学校、湖南省和全国这类大学生竞赛的一、二等奖，其中仅全国二等奖以上就有106人(一等奖87人)。

4.1 提升了专业人才培养质量

(1) 构建的立体化实践教学体系，已在2009人才培养方案的实践性教学环节中全面实施。探索的创新人才培养四要素，即：创新意识，创新平台，创新能力和创新文化，以及他们之间的相互作用，已通过亚太大学生机器人大赛得到验证。

(2) 近年来，依托本科机器人技术创新实践基地培养了300余名优秀本科毕业学生。目前，他们中取得/攻读博士、硕士学位的学生占96%以上;出国留学的学生占10%以上。在硕士和博士研究生阶段，大量基地学生承担了学生队的管理工作，并在课程学习、学科竞赛和实验室科研工作中充分发挥骨干作用。

(3) 创新实践基地团队组织管理模式和运行管理模式，造就了一个本科生在成长成才的关键机遇期，通过三年基础知识的扎实学习，加上1年的综合实践与强化训练，不仅拓展了专业知识，提高了技术水平，而且明显提高了组织管理能力，培养了团队意识，并养成了扎实的工作作风，形成了敢于挑战、勇于拼搏的顽强精神，走在了同龄人的前列，更为成为新型军事人才打下坚实基础。机器人技术创新实践基地建设对于我校培养高素质创新性人才起到了重要支撑作用。

(4) 机器人技术创新实践基地开展创新实践活动的成功经验表明，创新实践活动促进了学生创新思维和创新能力的培养，促进了学科交叉人才培养。亚太大学生机器人大赛本身是典型的学科交叉综合平台，任务研发周期长，难度大，且需要跨学科人才。所以，我校机器人队的队员一般来自机械、控制、仪器、电子等大类专业的学生，经过近9个月的协同工作，他们取长补短，相互学习，共同进步，开阔了视野和知识面，全面提升了综合利用多交叉学科知识分析问题和解决问题的实践能力和创新能力。

4.2 促进了专业教学建设

(1) 创新源于兴趣，源于对事物的敏锐，需要探索的欲望【2】。创新意识发端于教师的课堂教学、学生的实践体会、典型学生的示范效应以及学生获得的某些资讯。创新人才培养四要素相互协同作用效应，反哺课堂教学，促进了教学改革。在自动化专业控制系列和计算机硬件系列课程，如：自动控制原理、计算机硬件技术基础、智能机器人系统、机器人技术新生研讨课教学中，开展任务驱动式教学法研究，收到较好效果。

(2) 机器人技术创新实践基地的建设成果，机器人大赛积累的先进技术，以自研自制、自研定制等形式及时转化为教学条件资源，建设了创意机器人组合系统、履带机器人系统等模块，推动了控制技术与工程本科实验室建设更上一层楼。通过这些新的机器人教学设备在“自动化系统综合设计”、“微机接口与应用课程设计”等课程中的使用，既提高了学员综合应用所学知识和解决实际问题的能力，又初步激发了学员们对机器人相关技术的研究兴趣，为机器人技术创新实践基地选拔参赛队员奠定了一定的基础。同时共享创新实践基地拔尖人才培养的成功经验，将其应用到专业人才培养中，提高了学生的综合素质。

(3) 创新实践基地建设成果是国家精品课程“计算机硬件技术基础”和“计算机控制技术”，以及湖南省精品课程“自动控制原理”和湖南省实验教学示范中心“机电工程与自动化综合训练中心”申报内容的重要组成部分。其中，立体化实践教学体系，创新实践平台的构建和创新实践基地的管理模式，为国家级精品课程“计算机控制技术”、湖南省精品课程“自动控制原理”和“机电工程与自动化综合训练中心”的建设提供了有力支持。

5 结 语

机器人技术创新实践基地是专业创新人才培养的重要场所，通过开展多元化的创新实践活动，培养了一批控制、机械、仪器等学科的优秀人才。以亚太大学生机器人竞赛为例，首先，按比赛规则设计机器人是激发学生创新意识的过程[3]，需要不断完善的比赛用机器人则是一个创新平台，创新能力的培养在制作和调试比赛机器人过程中表现出来，机器人队每个小组成员、小组以及指导教师与学生之间相互协调和共同努力，逐步形成了一种影响整个竞赛过程的创新文化。创新意识、创新能力、创新平台和创新文化之间的协同效应通过竞赛指导教师的引导，覆盖了从理论到实践的各个环节，全面促进了教学建设，完善了高素质创新型人才培养的实践教学体系。

[1] 教育部高教司.高等学校教学质量与教学改革工程实施操作指导全书[M]. 北京: 高等教育出版社, 2012.

[2] 齐治昌, 宁 洪. 学习感悟：计算机大师们的成才路[J]. 中国大学教学,2013(4):15-19.

[3] 徐晓红，张 红.探索实践教学体系，促进创新人才培养[J].实验室研究与探索,2011(10):235-237.

[4] 姚期智，拔尖创新人才培养的新理念与新探索[J].中国高教研究，2011(12):1-2.

[5] 武宝林，王文涛，基于应用型本科人才培养的课外实践活动体系的构建与实施[J].中国大学教学，2012(5):68-70.

[6] 邹逢兴，陈立刚，徐晓红,等.关于自动化专业电子信息类课程教学改革的探索与思考[J].中国大学教学，2011(9):37-40.

[7] 陈立刚，徐晓红.“计算机硬件技术基础”教学内容改革[J].电气电子教学学报，2013(2):30-32.

[8] 郑志强. ABU Robocon用自主机器人技术综述[J].机器人技术与应用，2009(5):17-19.

[9] 卢惠民，李 迅，徐晓红.合作学习教学模式在学科竞赛中的应用研究[J].高等教育研究，2013(3):80-82.

[10] 陈立刚，邹逢兴，徐晓红. 计算机硬件类课程实践教学改革的探索[J].电气电子教学学报，2013(1):66-68.

[11] 谢德英，陈第虎，邓少芝.创新人才培养实践教学平台的构建[J].实验室研究与探索，2011(3):222-225.

[12] 王国华，朱上上.打造多元实践教学理念，培养高素质创新人才[J].实验室研究与探索，2011(6):270-271.

[13] 山红红.强化学生创新能力培养的实践育人体系建设[J].中国高等教育，2011(20):6-8.

[14] 王 军，李 明.面向机器人工程对象的“创新研究型实验”课程建设[J].实验室研究与探索，2013(6):279-282.

[15] 冯晓云.实践育人是大学的根本[J].实验室研究与探索，2013(1):1-4.

Exploration and Practice of Constructing the Innovation Practice Base of Robot Technology

XUXiao-hong,ZHENGZhi-qiang,LUHui-min

(College of Mechatronics and Automation, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Based on the National Undergraduate Engineering Construction Projects in the 12th Five-Year Plan, and considering cultivating innovative talents as the starting point, this paper integrates the development achievements of the innovation practice base of robot technology in NUDT, and explores the ways to inspire the innovation consciousness, construct the innovation practice platform, develop innovation practice abilities, and foster the innovation culture. Under the guidance of various innovation practice activities, the practical teaching and learning has been formed during the whole innovative talent training process, so the whole tridimensional practical teaching and learning system is constructed successfully. Meanwhile, the new methods of constructing the innovation practice base have been proposed, and the new mode of base management has also been used to realize the full-open mechanism. Under the background of ABU competition, the results show that the development of teaching philosophy was promoted and the quality of talent training was also improved by constructing the innovation practice base of robot technology.

innovation practice base; robots; talent training; innovation ability

2014-04-24

湖南省教育厅教育改革项目(湘教通【2012】401号)

徐晓红(1966-)，女，黑龙江哈尔滨人，硕士，副教授，实验室主任，研究方向：计算机控制。

Tel.:13873120915;E-mail:xxhac311@126.com

TP 291

A

1006-7167(2015)03-0185-05