基于机器人活动的交通设备与控制工程专业大学生创新能力培养模式

2015-04-23峰魏马爱民

科技视界 2015年11期

刘峰魏明马爱民

（1.南通大学交通学院，江苏南通 226019；2.南通大学体育科学学院，江苏南通 226019）

0 引言

党的十八大提出实施创新驱动发展战略，并强调科技创新是提高社会生产力和综合国力的战略支撑，必须摆在国家发展全局的核心位置，通过科技创新推动改革。高校是科技创新的主阵地，大学生创新意识和创新能力的培养已成为各高校教育教学的主要抓手。

机器人活动是典型的机电一体化技术，囊括了机械、电子、计算机、自动控制、传感器、通信、人工智能等学科的尖端技术，是一门跨专业、多学科交叉且高度综合的新兴事物。它具有创造性、趣味性、观赏性和对抗性等特点，是在学生具备基础能力的前提下，综合运用多学科知识，给学生广阔的发挥空间，提高学生的创新能力。机器人研究正处于不断完善、不断出新、不断深入的动态研究之中，这些未知领域也恰恰是大学生们的兴趣点所在。

笔者于2008年开始管理、指导学校机器人实践创新团队，从08年开始，连续7年参加了中国机器人大赛暨RoboCup公开赛。该项赛事是中国最具影响力、最权威的机器人技术大赛、学术大会和博览盛会。7年来，我校代表队一共获得冠军15项、亚军12项、季军7项。本文以实际指导与参赛的经验，就我校新设的交通设备与控制工程专业大学生创新能力培养进行探讨。

1 交通设备与控制工程专业情况

交通设备与控制工程专业为工科学科特设专业，主要培养适应国家交通运输设备现代化、智能交通工程建设的需要，具备交通设备、信息及控制工程方面专业知识与应用能力，能从事交通领域设备研发、设计、制造、智能交通系统集成、维护、运行管理的应用性高级工程技术人才。目前全国仅有10所左右的高校开设了此专业。我校交通设备与控制工程专业于2011年开始招生，目前有在校生191人。作为工科专业，学院十分重视学生创新能力、动手实践能力的培养，并将机器人活动作为抓手，促进学生素质全面提升。

2 机器人活动培养学生创新能力的优势

2.1 机器人活动营造良好的校园科技创新氛围

机器人活动丰富了同学们的课余文化生活，培养了同学们科技创新的浓厚兴趣，它作为一种参与面极广的大学生课外科技创新活动，能让同学们将平时所学的课本理论知识应用于实践活动，同时又扩大了知识面。特别是校团委每年一度的大学生科技节开幕式上的展演，把每年参加全国赛、省赛的获奖作品予以宣传展示，邀请相关指导教师开展机器人制作系列讲座，邀请获奖学生代表分享参赛心得等，营造良好的校园科技学术氛围，使得机器人活动被广大同学所了解、喜爱。

2.2 机器人活动激发学生的学习兴趣

在对交通设备与控制工程专业学生专业学习情况的调研中发现，学生对于自己所学的专业认识迷茫，方向不清楚，自然学习的兴趣不浓、动力不足。对于开设的很多专业课程，他们并不清楚课程的重要性，更谈不上灵活运用。有些十分重要的课程同学们感觉比较枯燥无味，难以理解，无的放矢。课堂教学和固定模式的试验并不能激发他们的学习兴趣，教学效果也不是很好。机器人团队的学生普遍反映，通过机器人活动，他们不仅巩固了学习过的课程，而且能将所学的课程与实际运用相结合，有助于他们理解知识点、掌握知识点。同时还具备了围绕具体的制作项目，搜集资料、自学新知识的技能。

2.3 机器人活动的各项赛事有完整的比赛规则

中国机器人大赛暨RoboCup公开赛已成功举办了15届，比赛规则完备，自始至终均保持着公平、公正的竞赛原则，除个别项目是通过评委打分来评判成绩之外，绝大多数项目是通过计时、计分等方式公正客观的来分出胜负，对于结果令人信服。在这样一个公平公正的全国大赛的竞技场上，参赛学生不受任何不良因素的干扰，不存在任何找关系、开后门等社会不良风气，只需关注自身机器人的稳定性，展现自己的设计成果和创新做法。

3 机器人活动促进学生多方面能力的提高

3.1 机器人活动提高学生的工程实践能力

每个机器人都是一个复杂的机电产品，它既是设计出来的，更是制造出来的，好的设计不见得就是好的产品，一个好的产品既依赖于好的设计、制造，也依赖于好的项目管理、质量控制等，这一切都依赖于对于过程的实践，它需要经验的积累，时间的考验。[1]同学们在机器人作品的设计制作过程中，通过反复观察、实践、总结来掌握核心技术、解决棘手问题，为解决工程实际问题打下基础。

在2013年的比赛中，我们进入决赛的一台旅游机器人在赛前适应场地的时候出现了问题，整台车处于不工作的状态，经过队员反复检测，发现主控板被烧掉，更换主控板需要把整台车全部拆掉，此时距离决赛开始还有20分钟，除了要将另外一台车上的主控板拆下换掉烧坏的主控板之外，还要留有时间适应场地。同学们齐心协力，拆车的拆车，焊接的焊接，编程的编程，紧张的15分钟之后，整车装备完毕，开始调试，最终我们获得冠军，同学们欣喜若狂。这与同学们在日常实际训练时，主动将所学课程知识融会贯通，综合运用，具备了一定的工程意识和工程实践能力分不开。

3.2 机器人活动培养学生团队协作的精神

团队协作精神是当今社会衡量大学生个人素质的重要因素，作为一个机器人活动小组成员，他们来自不同的年级、不同的专业，各自的特长也不尽相同，有的擅长硬件制作，有的擅长软件编程，在日常的训练比赛中，难免会出现意见不统一，方法不一致的情况，这就更需要团队的相互协作、各司其职。有时我们也会发现，出现问题之后，队员间相互埋怨，缺乏理解、沟通，严重影响了机器人的创作进程。经过指导教师的劝解、调节，促使他们走到相互协作的轨道上来，让同学们意识到只有团队合作才能顺利完成设计、制作、训练、参赛的任务。

3.3 机器人活动培养学生全面发展的个人品质

机器人活动综合了多学科的知识，在选题、策略分析、制作方案、设计加工、软硬件设计以及稳定性方面的工作量很大。同学们围绕核心主题各抒己见的时候，促进了自己的语言表达能力的提高。

在前期验证、中期制作、后期调试等过程中，促进了同学们思考问题、分析问题和解决问题的能力提高。

机器人调试时一个不断完善、追求完美的过程，它与普通的课程设计不同，需要实践的检验。所以同学们在运行调试过程中，通过反复多次的检测、修改，努力提高机器人的性能，潜移默化地培养了同学们对待工作追求完美、精益求精的品质。

机器人活动作为一项实践性很强的活动，对于学生的动手能力要求很高，在制作调试的过程中，一些纯手工的活儿给同学们带来了极大的挑战。不论男生女生，熟练使用锯子、手电钻、烙铁、钳子等工具都是必须的，这对大多数独生子女都是一个难得的生活体验。在此过程中，加班加点也并不稀奇，熬夜通宵更是家常便饭。调试累了，趁给机器人充电的时候，抓紧时间休息一会儿。在比赛过程中，为了了解竞争对手的机器人，同学们不停地观摩、拍摄、讨论，甚至通宵改进策略。整个过程无形中培养了学生不畏艰难、吃苦耐劳的优秀品质。

4 基于机器人活动的学生创新能力培养方法实施

4.1 创建专门的机器人创新实验室

高校想要在科技竟赛中取得好成绩，就必须注重人才梯队的培养。而依托开放性实验室不失为一种行之有效的方法[2]。目前，由于学校学生人数较多，大部分学校的实验室都在安排正常的实验教学，有的甚至从早安排到晚，无法满足学有余力的同学开展各类科技创新活动。为此，学院专门为机器人活动创建了创新实验室，该实验室不承担普通实验教学，全天候为机器人团队成员开放。实验室既是创新型人才的培养及选拔的基地，同时也为指导教师与学生之间的沟通提供了稳定的场所和条件。

我们将实验室划分为制作区、训练区和展示区。在制作区和训练区内，同学们可以放开手脚、充分发挥自身和团队的聪明才智，紧密围绕中心任务动手实践。展示区就是机器人创新团队的成长足迹，我们将同学们自己设计研发的机器人作品和历年比赛的奖状、奖杯、照片等按照时间顺序进行摆放展示，记录整个团队成长的点滴。我们还将实验室作为新生入学教育的阵地，尽早在他们心中点燃科技创新的火种。

4.2 组建机器人实践创新团队

在组建机器人实践创新团队的时候，我们实行“大手拉小手、左手拉右手”的管理模式，也就是整个团队的梯队式培养。高年级的老队员在知识储备、动手能力、比赛经验等方面有一定的积累，低年级的同学加入后，由老队员对他们进行相关内容的培训和指导，分享自己在机器人活动过程中所积累的丰富经验。即使今后老队员们面临着实习、就业、升学等问题，也不会影响整个团队的继续发展。此外我们还根据每个队员的特长进行合理组队，尽量做到每个队中都有一名有经验的高年级队员，并担任组长，带领小队员们进行理论学习、技术攻关、参加比赛。

4.3 充分给予学生发挥的空间

学生的创造力是无穷无尽的，在机器人的设计制作或优化改进的过程中，指导教师给予学生充分的信任，放开手脚让同学们自行设计、改进。指导教师仅在方案制定、测试调试、策略运用上给予指导和帮助，出现问题时鼓励学生坚持克服、树立自信，鼓励学生永不放弃、重整方案。使学生在机器人活动中真正成为一名设计者、而不仅仅是一名操作者。

4.4 教师的指导要把握好

总的来说，教师的指导原则是“到位不越位”，做好学生的参谋，审核设计的方案，督促制作的过程，协调团队的管理。教师应当常去创新实验室，抓住重点环节，给予具体建议。由于学生在实际工程设计经验等方面不足，有的学生甚至还不会绘图。在这种情况下，指导教师应把机器人关键零部件的制作和结构设计放在首位，把好重点关，使重点零部件和结构可靠、稳定、实用。指导教师还要和学生分享自己丰富的经验，尽量争取时间，少走弯路，提高效率。此外，指导教师还要深入研读比赛规则，根据实际情况选择机器人的制作、策略等，这个过程要给予足够的重视。