独立学院开展机器人竞赛的探索与实践

2015-12-09夏庆锋张燕谢鹏飞刘益新邹发光

机器人技术与应用 2015年4期

关键词：社团竞赛机器人

夏庆锋张燕谢鹏飞刘益新邹发光

（南京大学金陵学院，南京，210089）

独立学院开展机器人竞赛的探索与实践

夏庆锋张燕谢鹏飞刘益新邹发光

（南京大学金陵学院，南京，210089）

本文介绍南京大学金陵学院以培养高素质具有创新精神的应用型人才为目标，积极参加机器人竞赛的发展历程，提出了适合独立学院特点的竞赛机器人组织训练培养体系，最后总结了机器人竞赛的培养方法。在五年多的竞赛实践中，该学院取得了较好的成绩。

机器人竞赛，培养体系，培养方法

0 引言

新世纪以来，我国高等教育经历了大规模的扩招。近几年，扩招后进入高等学校的毕业学生已经开始大批涌入社会，毕业生就业日益困难的问题正在凸现出来。与此同时，教育部强调了加强高等学校的教学改革和提高教学质量的重要性，并相继出台了一系列政策和措施。目前针对如何培养学生的实践创新能力，国内外已有一些研究思路及成果，比较常见的培养途径有营造创新性人才的培养环境、加强师资队伍建设、加强课堂教学改革、加强实践性教学环节、学生参与教师的研究课题、参加第二课堂等[1-4]。

机器人技术是一项高度交叉的综合性前沿技术，为了推动机器人技术的发展，培养学生的创新实践能力，20世纪90年代在全世界范围内相继出现了一系列的机器人竞赛。机器人竞赛是一种高科技的对抗活动，它集高科技、娱乐和比赛于一体，大学生参与机器人竞赛有助于增强自主学习兴趣，培养工程实践创新能力，因而受到了世界各国，特别是美、日、德等发达国家的高度重视。我国在这一方面起步较晚，但目前已在国内各高校火热开展起来。

南京大学金陵学院是南京大学创办的本科层次的独立学院，学院采用全新的机制和模式办学，“依托母体”与“错位发展”并举，致力培养高素质具有创新精神的应用型人才。自2009年成立智能机器人实验室以来，先后15次组织学生参加全国机器人大赛，共获得了12个冠军、11个亚军、15个季军以及数十项一等奖的好成绩。笔者作为我校机器人竞赛团队的领队兼指导老师，通过对大学生机器人竞赛的组织、培训、指导和管理工作，对如何更好地组织和选拔学生、如何对竞赛团队进行管理与激励、如何培养学生的创新实践能力等方面有了初步认识。本文重点讨论我校机器人竞赛的组织与指导的方法和经验。

图1 部分获奖证书及奖杯

1 我校竞赛机器人发展历程

万事开头难，作为公有民办性质的独立学院想要在全国机器人竞赛中立足，更是难上加难。机器人竞赛是一项综合性赛事，涉及机械设计、电路设计、控制及软件编程等综合性知识和技术，需要各专业学生相互配合才能完成竞赛机器人的制作与调试，因此很适合培养学生的创新实践能力和团队协作能力。但是由于机器人竞赛准备过程和时间较长，需要合理的指导教师队伍和大量的经费支持，因此应根据学校的基本情况和特点，选择恰当的竞赛项目和制定合理的竞赛规划。

1.1 比赛平台的搭建

南京大学金陵学院目标是实现与南京大学错位发展，培养高素质具有创新精神的应用型人才，为此，2008年，在信息科学与工程学院成立之初即规划建设智能机器人实验室，以适应当今学科融合发展的潮流，为创新应用型人才培养建立宽广的平台。智能机器人实验室也作为信工学院各专业教学融合平台和创新实践平台。

智能机器人实验室于2009年正式投入使用。但当时的条件并不适合立即开设机器人相关课程或者开展机器人科研工作，我校领导高瞻远瞩，创造性地提出首先进行创新实践活动探索，经过一段时间的积累之后再开展教学和科研。笔者开始以机器人兴趣小组的形式组织学生进行简易机器人的设计与制作。在此过程中，笔者了解到国内有相关机器人的比赛，经过一个多月的咨询与调研，决定通过组织学生参赛来带动智能机器人实验室的建设和发展。

1.2 比赛项目的选择

国内机器人竞赛的种类特别多，并且参赛学校都有扎实的理论基础和丰富的实践经验，独立学院学生的基础以及指导教师团队的实力都无法跟重点大学相比，因而如何选择比赛项目作为切入点是非常关键的。

一般来说，入门门槛低但技术深度空间大、适合不同技术层次的队伍参加、注重学生的创新及应用能力、趣味性强、对观众及媒体吸引力强的比赛最适合作为独立学院参赛的切入点。门槛低，对于水平不高并且第一次参加比赛的队伍来讲，可以保证把机器人制作出来，能够参加比赛；技术深度空间大，给后期机器人教学和科研预留了足够的空间；适合不同技术层次的队伍参加，有利于取得好成绩；注重学生的创新及应用能力，这一点非常符合独立学院学生的特点，理论基础稍差，但创新思维及应用能力更高；趣味性强，能够吸引学生参加比赛，并且能够吸引媒体，宣传自己，这对独立学院更加重要。

除此之外，还要看该项目有没有赛前培训。赛前培训对于首次参赛的学校非常关键，在培训中可以充分理解比赛规则、了解往年比赛情况、机器人团队组建与训练方法、机器人设计技巧、比赛关键技术，并可以现场观看模拟比赛。针对以上特点，笔者推荐“机器人武术擂台赛”[2]和“水中机器人比赛”[3]作为比赛入门切入点。

1.3 参赛历程

选定比赛项目后，笔者迅速联系两个项目的负责人，并且派出了三名教师和一名学生前往北京参加了两个项目的赛前培训。通过培训，基本掌握了组队技巧以及竞赛机器人的设计步骤和相关注意事项，从而少走了很多弯路。

首次比赛，指导老师和参赛学生都特别重视，老师和学生几乎将所有课余时间都用在了机器人的设计与制作上。这也是我校首次有代表队参加全国性学科竞赛，校领导特别重视，并于比赛出发时到火车站为全体参赛师生送行。

由于第一次参赛，指导老师和队员都没有比赛经验，首次比赛成绩不太理想，最好的成绩是第四名。

校领导的态度对于比赛的持续发展具有重要的作用，首次比赛尽管没有拿到奖杯，但是校领导对机器人团队以鼓励为主，并组织有经验的老教师为比赛的后续发展出谋划策。

在这种氛围下，机器人团队认真总结经验、积极学习相关知识和技巧，继续奋发努力，在之后的比赛中成绩稳步提高。截至2014年底，我校机器人团队已经取得了12个全国冠军，在独立学院中保持了优势，为学校赢得了荣誉，提高了学校的知名度。

图2 历年参赛合影

2 竞赛机器人培养体系的形成

熟悉机器人比赛的人都清楚，偶尔取得一两次好成绩并不困难，但要想保持稳定的成绩，就要有先进、完善的培养体系。我校在五年多的实践中，逐步探索构建了一套适合独立学院师生特点的培养体系和培养方案。

2.1 机器人社团的成立

要想保持稳定的好成绩，每次比赛培训过程中一定要先发现发掘出几个核心成员，一定要注意竞赛队伍的梯队建设。尤其在没有比赛任务时，应该有一个小规模的团队进行不间断的研究和探索。

独立学院和其他公办院校有很多不同之处，在机器人竞赛方面，独立学院主要以大二大三学生为主，而大四的学生几乎没人愿意参赛。原因在于独立学院没有保送研究生资格，最优秀的学生要把主要精力放在准备考研上。因而学校主要应该针对大二和大三学生制定培养方案。而独立学院大二和大三的学生在学校社团活动方面非常积极，笔者由此受到启发，组建机器人社团。该社团与校内的其他社团最大的区别是，社团以机器人竞赛和机器人技术的研究为主，不像其他社团以开展活动为核心。

通过机器人社团这个平台，学生不仅学到了机器人知识，锻炼了自己的动手能力，而且还能够与其他学校建立联系与合作机制，促进了学生的全面发展，也提高了学校的知名度。

2.2 机器人课程的开设

经过多年的机器人竞赛活动探索，笔者以机器人竞赛关键技术为内容，建设了“竞赛机器人”选修课，该课程面向大一下学期开设，目的是引导和培养学生的兴趣与学习方法，让他们明确哪些知识需要特别学习，哪些能力需要去锻炼等等。通过这些课程也能发现一些优秀学生，作为核心队员进行特别培养，再由他们带动周围的同学。

为了扩大受益面，2015年起，笔者面向全校学生开设文化素质选修课“魅力机器人”，让全校学生都有认识机器人、了解机器人比赛的机会，从中可以发现其他分院优秀人才。

2.3 竞赛机器人实践训练体系

经过五年多的教学竞赛实践，我校探索了一条以竞赛促进学生自主学习能力提高，理论学习与动手能力协调发展的创新实践训练体系。

（1）通过课程培养兴趣

针对信工学院一年级学生，在第二学期就由组织竞赛的指导老师开设“竞赛机器人”选修课，主要内容包括：机器人一般常识、机器人竞赛现状、机器人竞赛项目的解读、机器人竞赛视频解读以及参加机器人竞赛所需的知识和能力等，并同步开设趣味性机器人实验。针对全校学生开设“魅力机器人”课程，以科普的形式介绍身边形形色色的机器人，适当介绍部分简单原理和实现方法，播放典型比赛视频并加以解释和点评，告诉学生机器人团队需要各种有特长的各专业学生，比如艺术学院的学生可以在机器人外形设计以及外观美化方面发挥特长，传媒学院的学生可以帮助团队宣传等等。

在2014年的比赛中，机器人团队就吸引了一名商学院学生和一名艺术学院的学生，起到了很好的效果。

（2）立体化选拔模式

针对一年级第二学期和二年级第一学期的学生，指导老师先进行讲解和示范，然后以机器人社团培训为主，通过不同的项目使学生熟悉并掌握初级机械、电气、传感器及控制软件等基础知识。初级动手训练阶段在训练学生的团队合作意识、口头表达能力、增强个人的自信心的同时，使学生掌握了常用的机械、电气、传感器及控制软件等基础知识。

之后通过模拟公司运作的方式，设立团队CEO，并分成多个不同的部门，每个部门指定一个负责人，由负责人和CEO进行双重培训与考核，逐渐淘汰不符合要求的同学。

经过上述初步选拔之后，各指导老师再进行最后的考核，一般通过内部比赛和答辩的形式，最终选拔出最优秀的参赛队员。

（3）强化训练

在机器人团队日常训练中，要给他们营造一个合作与竞争并存的氛围，让他们接受高强度的训练。在该阶段，根据竞赛项目进行分组，每一个竞赛项目设立多个项目小组，以项目驱动的方式进行设计。指导老师定期听取学生汇报，把握项目进度及发展方向，及时进行指导和总结，确保每个项目符合要求。竞争是一种实验性的学习方法，为了取得好成绩，学生必须灵活运用所学知识和课外知识，进行创新设计。笔者注意到，有很多同学能够自己发现问题，带着问题到图书馆或者网上查阅资料，还有的去问其他实验室的老师甚至专业课的任课老师。

3 竞赛机器人培养方法[5]

智能机器人实验室和机器人社团的成立，以及竞赛课程的开设，为竞赛机器人团队的培养提供了前提和保障。如何充分利用好这两个平台，采用什么样的方法和方式对学生进行培养和指导，则是老师面临的核心问题。本文基于我校机器人竞赛的实践，从以下三个方面进行

阐述。

3.1 队员选拔方法

队员的选拔一直是各个参赛学校最头疼的问题，能否选拔到合适队员，不仅直接影响机器人竞赛的成绩，而且对机器人团队的梯队建设至关重要。有的学校前几年比赛成绩很好，但是现在却有很大退步，究其原因就是以前的核心队员毕业了，现在的新成员不能挑起重担。

我校在选拔队员方面已经形成了一套行之有效的方法，由于比赛需要各专业各方面有特长的同学有机结合到一起，所以我们并不是用一个唯一的标准来选拔队员，而是综合多种方法、多种途径进行选拔。具体做法是：首先在一年级的学生中，依据其在“竞赛机器人”课程、社团中的表现以及辅导员的推荐，圈定一个大体的范围，对他们进行跟踪观察至少一个学期，接着由现任社团中的干部从中寻找自己的接班人，采用“学长制”的方式进行培养和考察，然后由指导老师安排相关设计任务进行综合评价，最后由指导老师和社团干部对学生进行答辩考核以确定初步名单。为了形成一个带有竞争性的合作环境，最终的参赛队员要到比赛前两周才能确定，即如果初步名单中的同学表现不好还有被淘汰的危险。

值得注意的是，我校在培养队员时特别注重学生人品和人格的培养，“要想会做事，先要会做人”。

3.2 因材施教、分类培养

我校在竞赛机器人组织与指导过程中始终坚持“以学生为主体，以教师为主导”的培养理念，采用“因材施教、分类培养”的模式，对学生进行全面、持续、有效的教育和培训。

根据学生的专业、特长以及兴趣爱好，对学生进行分组，比如分为方案组、机械组、硬件组、软件组、情报组等等，不同小组任务不同，所采用的培养方法也不同。分组不仅体现了专业区别，还照顾到了水平区别，这样就能做到所有专业任何水平层次的同学都能找到适合自己的小组。

社团规定每个队员每周写一篇总结体会及下周工作计划，指导老师由此深入了解每个同学的状况，以针对学生的特点制定相应的方法。

3.3 多元化培养

机器人团队中融合了我校各个年级和专业，在上述分组的基础上必须采用不同的培养方法。对于基础差的同学，一般采用基于问题学习的方法，让他们带着问题去查阅资料，在不断提出问题和解决问题的过程中得到锻炼。

对于基础较好的同学，主要培养他们自主学习的能力，让他们掌握自主发现问题、分析问题和解决问题的能力。

对所有同学均采用项目驱动式学习方法，在指导老师的全面统筹与协调下，每个小组设立组长、副组长等，分别相当于公司里面的总经理、部门经理，而指导老师则相当于董事长，按照公司里面的模式来设计和分配机器人的设计任务。经过两年多的实践证明，该方法非常有效。