大学生机器人竞赛的多学科融合实践教学研究

秦绪彬 蔡晓敏 卞宇

摘要：人工智能及机器人技术在国内外高校已被列入本科生和研究生课程，高校大力发展符合国家战略发展需求的新型专业，着重培养一大批高科技人才，助力国家科技发展。在大学生创新创业各类活动中，机器人竞赛成为工科学生主流赛事之一，吸引了很多队伍竞技。机器人竞赛下分服务类、无人机类、仿真类等各类机器人，横跨计算机、电子信息、人工智能、自动化等多种学科知识体系，该文重点研究多学科融合的以赛促学和以学促赛的机器人教学模式。

关键词：机器人竞赛;多学科融合;课程思政;人工智能

中图分类号：TP311    文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）30-0224-03

開放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 引言

人工智能及机器人领域近年来在各个领域飞速发展，已经从理论走向了实际的应用。包括中国在内的很多国家都将机器人技术列为国家重点发展规划。工业机器人、服务机器人更是全面覆盖人类生产、生活和学习过程中。随着芯片技术、通讯技术、信息化技术等相关领域的发展，人工智能及机器人技术在不远的将来，必然迎来飞速的发展。国内各高校对机器人以及机器人各垂直领域的研究也越来越深入。很多高校将人工智能原理、模式识别等机器人相关知识列入了研究生和本科生的培养计划。

对于独立学院来讲，如何更好地培养“新型应用型人才”，是实践教学任务中必须探讨的。而机器人技术作为人工智能领域中重要的一个分支，对学生了解科技前沿，对学生动手能力、应用能力的培养及将来的就业都有积极的意义和深远的影响。机器人技术是一门多学科多领域高度交叉的学科，大学生机器人竞赛[1]中使用到的学科内容包括机械学、电子学、自动控制和计算机等，其中计算机语言就包括C、C++、Java、Python等主流语言。而目前本科培养计划的知识宽度和深度与实际的应用存在不小的差距。仅以编程语言为例，从学生层面，无论竞赛中还是今后工作中使用到的编程能力几乎都集中在高级语言中的“面向对象”部分，而教学内容上，除计算机专业的学生外，其他学院的语言类教学都是以各门语言的基础语法为主。另一方面，作为本科院校，从学生教学培养计划上看，低年级学生课程任务较重，大三大四学生主要精力放在考研和就业上，真正适合培养学生实践能力的时间较短，难以形成系统全面的应用型人才的培养体系。

机器人竞赛能提高大学生创新实践能力、团队合作意识和专业技能及理论联系实际能力[2]。同时机器人作为多个学科领域的载体，在高校的教学和研究中得到广泛应用 [4]。

为了适应学院应用型人才培养的要求，迫切需要结合各独立学院实际的教学培养计划，探索并形成一套符合实际情况的兼顾常规教学、学生应用能力培养及竞赛成绩的多学科融合的培养体系。依托机器人实验室和江苏省大学生机器人竞赛，重点从教学内容、教学模式、创新培养模式等方面进行研究。确定从教学实践任务、教学任务序列、教学策略、教学内容等方面对多学科融合的大学生竞赛培养体系进行研究。

2 江苏省大学生机器人大赛多学科实践

2.1 依托机器人竞赛，明确实践教学任务

明确实践任务，就是根据机器人竞赛项目的相关规则制定出完整、明确的教学实践任务。教学实践任务的设定一般包括所需的前置条件、参赛要完成的预设目标和一系列活动等。在设定时可以参考本院往年参赛的实际经验进行展示，并根据往年比赛总结进行优化。

根据组委会要求，高尔夫比赛分三场举行，三场比赛机器人和球的起始位置如图1所示（白色圆为球初始位置，橙色三角为机器人初始位置，蓝圆为球洞位置）。三场比赛场地及开球规则如下：

第一场：球和球洞中间无任何阻挡，球洞距离开球点3米。机器人在场内直接开球。

第二场：引入障碍物，放置位置如图。障碍物长度为15cm（高度20cm，厚度15cm）的白色木块。机器人从场外走入场内，把高尔夫球在规定的杆数内打入球洞。

第三场：球位置如图所示，机器人从场外走入场内，把高尔夫球在规定的杆数内打入球洞。

比赛规则为：每个队比赛总用时20分钟，参赛队场中队员将机器人放置于机器人起始位置进行开球。可以用语音或触摸指令来控制机器人开始击球，并完成整个进洞过程，整个过程必须是机器人自主完成。击球出界时，裁判将球放置到边界上，让机器人继续击球，并给予1分罚分。

根据比赛任务要求，将比赛任务分解如下：

（1）机器人步态：机器人行走步态设计及算法;

（2）机器人击球：机器人击球动作设计及实现;

（3）物体识别：包括高尔夫球的识别和球洞标志物的识别;

（4）其他功能：包括唤醒、摔倒起身等。

2.2 优化实践内容，按学生学科形成大学生教学任务序列

要完成高尔夫机器人参赛任务，需要参赛学生掌握多学科多领域的知识，需要多个学科的学生发挥各自学科优势，组建团队共同完成分解的任务。根据任务分解情况需要的专业领域包括：通信工程、图像处理、信号处理、机械学、电子信息、自动控制、计算机及软件工程等。为了合理化教学实践内容，提高教学实践效率，紧密结合多学科知识和竞赛培训体系，先形成两个前置体系列表：

（1）学生知识结构体系列表：形成不同年级、不同专业学生的知识结构体系;

（2）竞赛项目知识列表：将参赛项目所需要的知识技能形成列表，并梳理出每项知识技能的前置知识技能，形成竞赛项目知识技能结构图。

最终参赛学生由来自机电专业、自动化专业、电气专业、计算机专业和信息管理专业的学生组成，并配置各专业教师予以专业知识辅导。根据任务分解情况，组成三个方向小组：

（1）机器人步态小组：研究机器人行走步态及算法实现，机器人摔倒起身动作及算法实现;

（2）机器人击球小组：研究机器人击球动作、位置设计及算法实现，机器人唤醒及停止程序设计;

（3）物体识别小组：研究高尔夫球及球洞标志物的识别、定位的算法实现。

依托机器人实验室，通过对多学科的实践资源的融合，力图在加深学生对本专业知识理解的基础上，提升综合应用计算机、电子学、自动化等多学科内容的问题分析能力、解决能力、合作能力、整合能力[4]。

2.3 实施多学科互动教学和多元化教学策略

学科竞赛过程中主要的指导策略包括：讲解、展示、实操和应用。参加竞赛的学生一般具有一定的公共学科基础知识，在具体指导过程中先让学生回忆学过的知识，然后讲解涉及的新学科知识或把新知识与旧知识、本学科和其他学科知识联系起来，然后对以上知识进行综合展示，最后让学生有机会应用知识。机器人学是高度交叉的学科，内容包括机械学、电子学、自动控制和计算机等相关内容，如果在短时间里讲授所有内容显然是不符合实际的，必须对课程的内容进行合理的选择。根据三个方向小组的划分和学生知识技能掌握，实施针对性的实践教学：

（1）针对大一的学生，可重点讲解机器人的应用及发展趋势，激发和培养学生的学习兴趣。大一学生刚刚开始学习计算机语言，可配合其计算机语言的学习进度重点进行应用类的实践，如编写简单的机器人行走程序、击球程序和物体识别程序，形成专业课学习和机器人应用实践的相互促进。授课教师应对机器人领域各学科有一定理解，在实施教学过程中，应能够兼顾其他知识的介绍。

（2）针对高年级各专业学生，可根据学生分组任务进行实践教学指导，如机器人的步态设计、机器人行进算法、物品识别及抗干扰算法、多进程算法设计等。教师在指导过程中应始终以学生为中心，以学生为主体，让学生主动学习、主动思考，鼓励学生多动手多实践，教师只有在必要环节给予学生关键点的指导。

（3）以老带新，充分发挥高年级学生作用：相比低年级学生，高年级学生不但具有更专业和全面的知识储备，还有丰富的参赛和应用经验，在实践教学中让部分高年级学生充当助教角色，充分发挥示范作用和引领作用，带动整体学习和实践氛围。同时对这部分高年级同学来讲，也是另一层面的应用实践。

在各阶段的授课过程中，应积极发挥多媒体教学的优势，采用大量实际参赛的图片、视频等方式来结合理论进行讲解。更重要的是让学生能在授课过程中更多地接触和操作机器人，通过由浅入深的操作，对机器人及机器人领域产生兴趣。通过多个学期机器人课程的教学实践，我们发现这种让学生直接操作的方式更能激发学生自主学习的兴趣，能够快速提高学生对机器人领域的认知。在讲授的内容和方法上，要以激发学生对机器人的学习兴趣为最初的目标。授课过程中，要强调机器人在国内外各领域的广泛应用、发展前景和社会需求，让学生感觉到所学的知识对将来的深造和就业有实际帮助[5]。

2.4 实践氛围的常态化和实践参与范围的扩大

机器人竞赛应用实践的特征十分突出，因此在制定教学策略时，应充分考虑如何更好地增加学生实践应用能力。依托机器人实验室资源，在校内形成“竞赛常态化”的氛围，即定期在校内（或相关学生）范围内，根据高尔夫机器人竞赛项目规则，模拟赛事，组织内部联赛，促使学生“多用、活用”形成良好的学习和竞赛氛围，提高学生实践应用能力。

独立学院培养应用型人才的目标是针对全体学生，以竞赛为抓手促进应用型人才的培养，不应只局限于参赛学生这个小范围小群体，只有面向广大学生，提高广大学生的应用实践能力，教学实践的研究才有意义。通过举办学校范围机器人竞赛（联赛）、定期举行机器人相关知识的培训、机器人相关任选课选修课的开设来扩大机器人竞赛的影响，激发学生的学习兴趣。机器人方向只是应用的一个方面，通过对学生学习兴趣的激发，引导学生积极参与各类应用实践，如智能小车、飞行器、服务机器人、工程训练实践等等，在校内形成最广泛的应用实践参与氛围，提升广大学生的应用实践能力。

3 总结

学科竞赛和实践教学是不可分割的，机器人竞赛和教学的难点在于机器人学是一门高度交叉的前沿学科，内容包括机械学、电子学、自动控制和计算机等相关内容，如何统筹不同专业不同年级学生的知识结构，合理安排教学任务序列是需要持续进行研究和调整。指导老师不仅要善于用简洁、生动的语言讲述专业知识，激发学生对专业知识的获取，还需要不断学习，提升自身的思想素质和专业素质。本文以江苏省大学生机器人竞赛为背景，讨论了基于独立学院的本科生多学科融合的实践教学方法，提出了一种“明确任务目标、形成任务序列、多元教学策略、常态化实践”的新型实践教学模式。

参考文献：

[1] 江苏省大学生机器人大赛，http：//js.robot12360.com/

[2] 孟明辉，李莎.基于机器人竞赛的学生创新实践能力培养研究[J].科技经济导刊，2020，28（21）：158.

[3] 陈妍冰，刘琳靖.基于机器人竞赛的教学改革研究[J].教育教学论坛，2015（21）：123-124.

[4] 盛汉霖.多学科融合在大学生科创竞赛指导中的实践——以国际空中机器人大赛为例[J].教育教学论坛，2020（6）：173-174.

[5] 葛向红，陈兴伟，丁星星.依托学科竞赛提高大學生的创业就业能力——以VEX U机器人工程挑战赛为例[J].教育教学论坛，2020（20）：116-117.

【通联编辑：梁书】