机器人在大学生创新方面的应用研究

肖珊　苏发

摘  要：基于当代大学生缺乏创新思维及创新所需的多元能力，且机器人作为教学辅助工具已逐渐被教育界所认可，将机器人应用于培养大学生创新方面的能力成为一个新的研究目标。本文以Tyran移动机器人为例，提出“学中思、用中学、赛中促创新”的模式，首先，简单介绍机器人的相关结构、功能，并进一步了解涉及的知识面;其次，提出注重理论与实践的平衡和保持对生活的思考;最后，采用小组合作共建创新氛围，通过参与创新创业类的比赛促进学生进行创新。学生在此模式中，获得学习的主动性，拓宽所学知识的深度与广度，激发创新思维和提高相应的能力，成为新一代创新型人才。

关键词：机器人 创新 大学生教育 学科交叉

中图分类号：TP242;G717.38 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）06（c）-0155-04

Abstract： In view of the fact that contemporary college students lack innovative thinking and multiple abilities required for innovation， and robots have been gradually recognized by the educational circles as teaching aids. On this basis， the application of robots to cultivate college students' innovation ability has become a new research goal. Taking Tyran mobile robot as an example， this paper puts forward the mode of "thinking while learning， using middle school and promoting innovation during competition". Firstly， it briefly introduces the relevant structure and function of the robot， and further understands the knowledge involved; secondly， it puts forward that we should pay attention to the balance between theory and practice and keep thinking about life; finally， group cooperation is adopted to build an innovation atmosphere and promote students' innovation by participating in innovation and entrepreneurship competitions. In this mode， students gain the initiative of learning， broaden the depth and breadth of knowledge， stimulate innovative thinking and improve corresponding ability， and become a new generation of innovative talents.

Key Words： Robot; Innovation; College student education; Interdisciplinary

隨着科技迅速发展，社会处于日新月异的状态，创新能力成为一个国家或个人发展综合能力与提高核心竞争力的关键性要素。当今应试教育下任何问题都有参考答案，培养的青少年已然形成固态思维，缺乏创新思维与必备能力，从而无法掌握核心技术，创新型人才储备不足。21世纪以来，新一代信息技术的出现并迅速发展应用，《全球人工智能产业数据报告》通过采集到的数据表明，中国在人工智能企业的数量与融资规模上仅次于美国位居第二，《中国新一代人工智能发展报告2019》指出了中国已成为全球发表有关人工智能的论文数量最高的国家，机器人作为人工智能的一个重要载体，其在教育方面的部分潜力被挖掘并逐渐得到认可。因此，如何将机器人巧妙地与教育结合来培养创新型人才成为新的发展方向。

国内外对机器人进入教育领域持积极态度，根据各自的教育发展情况探索适合的教育方案，将有关人工智能的内容编入到大、中、小学生的课程中，我国的许多教育工作者响应国家号召，把一些简单的机器人课程应用于中、小学阶段。比如：张智军[1]等人从中、小学生科技创新能力的需求出发，构建相应的培养模型并制定标准体系，通过技术体验从而培养科学观念态度、思维以及科学实践能力;孙琪[2]则根据小学教育要求与小学生的心理发展趋势，引导学生进行分工合作和简单的操作，并对他们的成果给予评价与鼓励;王晶京[3]针对课堂缺乏系统的理论研究等问题，采用提高课堂氛围、参与度和鼓励质疑三方面达到解决的效果。但利用机器人培养高校大学生创新方面能力的教育方案相对欠缺，因此如何高效利用机器人使大学生固化的思维得以转变成为时代难题。

本文利用已有的机器人材料制订相应的教育方案，不仅能够满足信息技术基础教育建设和发展的需求，而且针对大学生的多学科知识学习构建“学中思”的模式，帮助学生进一步提高创新意识和培养创新思维，增强其发现问题、处理问题的能力。

1  认识机器人

紧跟时代发展，高校于近几年不断地增设一些新兴专业，其中与人工智能相关的专业不在少数。新增专业的人才培养方案还不完善，即使机器人具备一些仿生的功能，具有感知、规划动作、协同作用从而实现高度灵活动作等功能，学生仍然无法真正了解机器人的结构与功能，从而只能机械地按照其说明书进行简单操作，这对大学生创新思维的培养与创新能力的提升不利。本文将以学校机器人开放实验室的Tyran移动机器人为例，简单介绍机器人的基本结构与具有的功能。

1.1 基本结构

Tyran移动机器人平台采用系统式控制方式，其中通过机载PC完成相关的数据采集与算法处理，然后交由控制系统实现机器人运动的控制并采用模块化结构，使用者可根据自己的需求进行更换和添加其他模块，使其拥有不同功能，能够在一定程度上开发学生思维。

其中电机驱动模块与轮毂电机能够提供所需的动力，使机器人完成移动的动作和实现其他功能成为可能;WiFi通信模块控制着机器人网络部分以判断是否可以正常工作;机载PC则对所得的信息进行处理，然后发出指令让其他部分结构配合，保证机器人系统有序运行;所搭载的相机通过机器视觉实现对外界感知;激光雷达和超声波模块计算物体位置信息，实现物体感知;姿势传感模块是运动时对自身姿势进行分析发出相应信号保证机身稳定。

1.2 涉及知识面广泛，功能强大

机器人融合多个学科，涵盖多方面知识，实现通过机器算法使机器人具有移动避障、轨迹规划、位置标定、智能分类等功能。具体从机械部分、机器视觉和机器学习三方面进行介绍。

机械结构的设计需要考虑到承重情况、两个自由节之间的连接方式、材料的选择和美观需求，包含了力学、工程材料学、经济学和美学等多个领域，即需要根据不同功能选择合适的结构，对材料进行选择以满足使用的要求和适应所处的环境。且针对专用机器人对这些条件要求更为苛刻，从而需要涉及的知识面会更加广泛以得到最佳的装置配件，让它们可处于复杂的环境，同时高效完成自己的任务。

机器视觉应用于生活的各个方面，可实现识别、追踪和分类等功能。比如：图像修复算法使破损的图像通过偏微分方程、部分卷积[4]和对抗网络等建立不同模型等进一步估计该区域的信息以达到修复效果;图像增强算法采用自适应直方图均衡化[5]、二值变换等算法对图像进行处理，实现对比度增加、清晰度提高和图像噪声减少的目标，获取有效的图像信息。

机器学习是通过对自身已有的数据与知识进行学习实现知识交融与技能的补充。比如：Tyran机器人中通过统计梯度对某一特征点进行提取，可应用于图像实现图像的智能检索与分类;通过神经网络等实现自身训练，学习一些规律，得到接近期望的结果。

2  机器人应用于教学

早期采用“教师讲、学生记”的传授式教学;“学习、记忆加以理解、做出判断”的程序式教学;“教师做前期准备并总结，指导学生应用”的阶段式教学。这些教学模式下，学生缺失主体性被动接受知识。后期采用的实用主义教学模式，忽视基础知识的重要性，过于强调经验。参考以往教学特点，提出一种利用机器人形成“学中思、用中学、赛中促创新”的模式。

2.1 理论与创新实践相结合

钟柏昌[6]等人发现教育有侧重的趋向，只針对学科本位教学，教学单一缺乏课程整合满足不了学生发展的需求，且绝大多数高等学校缺乏包容性和跨学科性，侧重培养应用型人才而非创新型人才。李克强总理在2021年全国两会上对青少年说道：要注意加强基础知识的学习，打牢基本功和培育创新能力是并行不悖的，把基础打牢了，将来可以触类旁通，行行都可以精彩。理论支撑创新实践，理论证明实践创新。

在课堂中，教师借助机器人将一些抽象复杂的技术原理具体生活化，通过七自由度实验，学习控制机械臂的轨迹规划、简单运动、码垛等动作，同时将正逆运动学和三次样条等知识点融入实验中，在一定程度为学生更好地理解技术提供良好的平台。每个学生均可结合自身特点利用机器人[7]的某个特定部件或功能激发自己学习兴趣，如Tyran机器人还能实现什么功能？通过组装所需要的创新模块创新意识，增强动手能力。同时，在使用过程中，可以通过互联网获取相关机器人部件等的资料并利用，比较不同的机器人，并针对现有机器人，通过类比、组合思维等进行新一轮的创新，获得自主创新能力[8]。

在生活中，做一个关注时事以观外界变化的人，了解当今或未来的社会需求，不放过任何一个能够培养自己创新思维的机会;多观察身边的事物，将平时常见的事物通过联想、仿生、运用、延伸等思维，并利用机器人的包容性尝试创造新的事物。

2.2 营造小组合作创新氛围

仅限少部分学机械、机器人、人工智能等专业的学生才可接触机器人设备是一种资源浪费，机器人作为学科交叉的产物，其他专业的学生的加入可以起到激发学生的发散性思维的作用，学生与和自己学习方向相同的同学一起学习讨论，并与其他学习方向的同学进行合作，能更好地实现教学相长，当萌生想法时，与其他学生进行合作交流，同时又各司其职。如此一来，可以提高学生创新所需要的团队合作精神、交流能力和实际操作能力等。

2.3 提供创新平台，总结创新成果

国家、省份和学校组织的专项创新比赛[9]，教师提供相关比赛资讯，如互联网+、挑战杯等创新创业比赛，且秉持多学科融合、由点及面的原则，组织多元化、开放性竞赛吸引学生参加[10]。学生在备赛过程，培养清晰的思路并考虑多方面因素以确保自己的创新点能够得以更好的体现，加上指导教师所提出的参考建议，从而进一步提升学生的综合设计能力以作好充足的准备;在竞赛过程，进行可行度分析并共同研究所提问题的解决方案。全面提高创新能力、增强自信心和强化团队协作精神，实现大学生的能力全方位发展。

总结创新成果也是非常重要的，查阅资料[11]并吸收更多理论知识帮助创新活动正常进行;且创新完成后，及时总结整理以形成自己的论文或专利等成果。

3  结语

本文主要是针对即将踏入社会的主力军——大学生缺乏创新思维与创新所需要的多元能力的问题，结合机器人的优势提出打破传统的教学模式的“学中思、用中学、赛中促创新”的新模式。

该模式下，首先介绍机器人系统组件的基本结构与功能，使学生对机器人有个初步的认识，增强学生的兴趣;其次，以机器人为媒介，物化一些抽象的知识点以使之更容易融入课堂与生活中，加上机器人本身所涉及面广泛，对打牢与拓宽学生的基础知识很有帮助，小组制进行学习合作体现了教学相长的优势，能够全面提高多元能力;最后，通过比赛等方式让学生对创新有信心，不断进行创新并实现自主创新。

参考文献

[1] 张智军，朱海洋.人工智能背景下青少年科技创新能力培养研究与实践[J].创新创业理论研究与实践，2020，3（5）：71-72.

[2] 孙琪.小学机器人教育中培养创新能力的教学策略研究[D].济南：山东师范大学，2020.

[3] 王晶京.基于教育机器人的小学生创造性思维培养策略研究[D].沈阳：沈阳师范大学，2020.

[4] Liu G，Reda F A，Shih K J，et al.Image Inpainting for Irregular Holes Using Partial Convolutions[C]// European Conference on Computer Vision.Springer，Cham，2018.

[5] Huang Z，Tang C，Xu M，et al.Both Speckle Reduction and Contrast Enhancement for Optical Coherence Tomography via Sequential Optimization in the Logarithmic Domain Based on a Refined Retinex model[J].Applied Optics，2020，59（35）：11087.

[6] 鐘柏昌，夏莉颖.“人工智能+教育”背景下机器人支持数学学习的国际案例研究[J].电化教育研究，2020，41（12）：113-121.

[7] 黄霞，白明明，谢彩云.教育机器人在新工科类大学生实践与创新能力培养中的应用[J].中国高新科技，2020（17）：138-139.

[8] 田恬.引领传统材料迈向复合化创新研发——访中国复合材料学会秘书长张博明[J].科技导报，2016，34（8）：96-99.

[9] 解春凤.高校以赛促学的教学实践研究——以视觉传达专业为例[J].科技创新导报，2020，17（20）：217-218，221.

[10]刘伟.谈凭借机器人竞赛构建大学生创新实践教育平台[J].科技创新导报，2020，17（16）：212-213.

[11]袁峰.民办本科高校大学生创新能力培养的思考与对策——以第十届江苏省大学生机器人大赛为例[J].现代职业教育，2020（14）：212-213.