典型多地区创意救援主题下竞教结合模式分析与实践

孙远韬，何俊杰，赵嘉伟，鲁鹏，沈颖慧

摘  要：为进一步完善基于专业认证课程的教学改革，实现以竞促教、竞教结合的教学改革理念，文章结合典型地区的教育现状调研和学科竞赛经验，指出典型地区推行救援主题下机器人竞赛的途径及内容，并根据我们竞赛教育中的不足，提出改进意见及方案，通过不断实践与持续改进，提高学生的综合能力和教学质量，较好实现竞教结合。

关键词：机器人;竞教结合;创意救援;实践教学

中图分类号：G642 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）07-0012-04

Abstract： The purpose of the study is to further improve the teaching reform of professional certification courses and realize the teaching reform idea of competition promoting teaching and combination of competition and teaching. This paper points out the ways and contents of promoting robot competition in typical areas based on the investigation of education status and experience of subject competition in typical areas， and puts forward improved suggestions and plans according to the shortcomings of our competition education. In addition， we carry out continuous improvement in practice to improve the students' comprehensive ability and teaching quality， and better realize the combination of competition and teaching.

Keywords： robot; combination of competition and teaching; creative rescue; practical teaching

竞教结合是我国高校人才培养的新模式，是以“竞赛”为龙头，以“人才培养”为核心，通过“内外互通，层块连融”的运行机制，有机地将学校“竞赛活动、学科教学”统一起来，实现了人才培养与学校学科教育工作各环节之间的优势互补、共生及有机统一[1-3]。竞教结合的培养模式精髓在于将高校人才培养和学科竞赛建设融合在一起，通过理论学习与竞赛实践融合与支撑，实现了学生创新能力的双轮驱动，从而培养新世纪所需要的具有强基础和创新能力的人才。

在竞赛主题的拓展方面，随着社会经济的发展，工业4.0时代的到来推动了智能化产业和科技日益蓬勃的发展，机器人作为智能制造的产物已经在自然资源开发、隧道挖掘和外空间以及海洋探索等诸多领域中得到了广泛应用[4]。而以机器人为主题的竞赛活动也在教育领域得到大力推广，并且呈现逐年上升的趋势。从1996年第一届FIRA机器人世界杯足球比赛开始，相继举办了机器人灭火比赛、机器人奥林匹克竞赛和FLL世锦赛。经过20多年的发展，机器人竞赛的种类越来越丰富。目前世界上比较主流的机器人竞赛活动主要有VEX工程挑战赛、FLL挑战赛、机器人灭火、FIRA、Robo Cup等[5]。我国也相继开始举办一些机器人相关的竞赛，并且拓展到中小学进行大力开展，例如青少年电脑机器人竞赛、中小学电脑制作活动等，越来越多的青少年通过参加机器人竞赛逐渐接触到机器人这一高科技产物。可以说机器人竞赛不仅是作品的比赛，更是参赛学生逻辑思维、动手操作、知识整合、团结合作、临场应变等能力的综合比拼，是学生综合素质能力的竞赛[6-8]。然而从某种程度上说，目前各类机器人竞赛的主题大同小异，主要是智能家居（服务），格斗类型的比赛居多，比赛的多样性和所设计机器人功能、结构形式突破不多，新颖性面临动力不足的问题。

目前由于社会进步，其分工专业化，且环境、节奏更为多样迅捷，所面临的灾难和突发公共事件也更为复杂、极端，对智能装备要求也越高，这为利用机器人替代人类完成各种危险的救援任务开辟了创新之路。在2020年初的新冠肺炎这一具有高危传染性的疾病面前，我国部分地区已经采用智能机器人进行物资的运送，这大大降低了各种人群正面接触而产生交叉感染的风险。因此，本文以机器人救援为主题，结合典型地区教育现状的相关调研分析，分析竞教结合模式。根据上海市创意机器人挑战赛利用以机器人为代表的智能化产物开展救援主题的机器人竞赛活动，拓展赛事影响力和比赛组织模式，提高竞教结合效果，这对学科专业认证在竞赛活动主题上的可持续性传承具有重要的社会意义。

一、典型地区救援主题下竞教结合情况调研分析

（一）基础教育阶段各地开展情况与对策

目前我国各阶段各地区的教育情况存在明显差异，这与各地的经济水平息息相关。教育落后地区往往经济情况也不好，而经济情况常常又和地理位置挂钩。北上广深等一线城市经济发达，常年吸引了大量的优质青年涌入，成为各行业杰出人才的聚集地，其教育資源配比也远远超过二三四线小城及山区，这无疑对当地的教育形成了恶性循环。

我们调研了苏南苏北的几所学校，其特点是城乡之间的教育资源差异较大，相比城区，乡镇基础教育设施不完善;另外教师队伍质量参差不齐。目前一些志愿者机构已经组织起来，有针对性地补充优秀大学生进行文化课教育，加强创新实践方面的引导。在教育设施落后的乡村学校，开展一些不需要太多设备的文化活动，在活动中教育成长。

而对于竞赛主题方面，相比常规格斗类来说，创意救援任务如灭火、越障等更易于开展，学习时间要求不高，又能够引导学生的创新思维和动手能力。在这个过程中更多的是提供编辑好的软件让孩子们自由设计，发挥创意。但是目前这些活动主要是点对点的针对个别学生进行开展，在赛事层面还比较缺乏。

福建闽北地区多山，经济和教育发展较为落后，大部分学校除语数英以外的实践或者兴趣拓展课程成体系地进行讲授的可能性微乎其微。科学、信息技术、综合實践等课程既缺乏专职且合格的教师（很多老师更大程度上属于客串而身兼数个教职），常常不能提供相应的教学场地和满足需要的器材。有的学校甚至没有微机室进行编程教学，由于信息相对闭塞，造成教师的教育观念滞后，使得素质教学质量也存在短板，不利于活动开展。

对于山西地区我们的调研主要集中在大同市以及天镇县。天镇县原本是国家级贫困县，在脱贫后加大了在教育方面的投入，但弥补历史因素所造成的学科竞赛方面的软硬件缺陷还需要很长一段时间。我们发现该地区环境比较复杂，具备相应机器人救援的基础，便于针对复杂地形生动开展救援主题竞教活动。山西大同城区的部分学校有着一定的机器人教育基础，曾经开展过诸如校足球机器人竞赛或竞速活动。但是学生们对于机器人方面的知识还停留在机械结构方面，校内创新活动的作品也大多是简单的科技小制作。

可以看到由于各地条件不同，我们需要根据当地特色探索竞教结合模式下具体展开工作方式。而针对这些典型地区的竞教结合模式及共性问题，我们考虑依托并吸取支教团队比较好的做法：

加强开展相关工作的基础设施建设。由于部分学校的基础设施比较落后，没有可以进行教学活动的辅助设施，例如实验室或多媒体教学设备。支教团队可以帮助搭建多媒体教室，提供某些实验器具帮助学生对所接触到的机器人知识有更深入的理解。

着力普及相关基础知识。例如机械结构的具体设计方法以及控制理论知识，让学生能够对救援机器人的设计过程有基本的认识。在确定学生已经有了一定基础之后，再结合实际展开相关活动。针对一些学校的学生绝大部分精力放在课程成绩的提升上，往往缺乏相关的训练，在动手操作以及团队合作方面表现较差。支教团队可以通过基础类科学实验的开展培养学生必需的科学素养、动手能力以及合作解决问题的能力。在确定学生具备所需的能力之后，对于机器人基础知识的教授及专业基础训练才能进一步展开。

（二）高等教育阶段各地开展情况与对策

对于大学层次，一线城市如上海相对硬件基础较好，大部分学校通过大创基地组织管理一系列学科竞赛。在以往高等教育竞赛中，通常是教师教学理念由授课者逐渐向指导者转变，以学科竞赛为载体，成立学科竞赛指导委员会和学科竞赛委员会，组织和指导学生参加各类主题的机器人竞赛，组建高质量竞赛队伍和高水平教师竞赛指导队伍。通过自行组织相应的院级比赛、校级比赛，与学校密切沟通，完善奖励机制，激发师生的热情，使学生在竞赛的过程中学习相关知识，准确高效有力地推动创新型、实践型学生的培养[9-11]。

但是对于专业结合上面还存在一些脱节，首先从理论教学来看，其作用就是科学打造今后个人发展的知识结构体系，其基础作用不可替代，有些同学一味追求创新，参加大量实践活动，轻视理论学习，套用现成解决方案，最后其知识结构体系具有很大的缺陷，不能理解现象背后的核心原理、底层创新难，过多的是从经验角度去熟练“技巧”，不能多层次多角度理解创新背后的理论支撑，导致后期创新后劲受限、持续创新能力受到一定阻碍。另外赛事主题上也有一定讲究，例如一些难度较大的救援主题竞赛会影响学生参与竞赛的积极性。另外，竞赛对于机械设计本身的引导偏弱，更多的是从控制方面进行比拼，不利于机械设计，机械原理的理解和应用。

二、我们在竞教结合下的救援主题学科竞赛与拓展

（一）上海市创意机器人挑战赛概况

作为2018-2020年上海市教委连续支持的比赛，“上海市创意机器人挑战赛”（以下简称创挑赛）由同济大学承办。竞赛以救援为主题，旨在培养同学创新能力、专业实践能力及团队合作能力，并且突出了机械本身的构思，将机械原理、机械方案放在非常重要的地位，然后通过智能控制方法予以实现。赛事发起后就受到了上海市各个高校的积极响应。2018年大赛主题为“拯救佩奇”，2019年大赛的主题为“高塔救援”，2020年大赛主题为“高塔排爆”，各组创意机器人将在尽可能短的时间内通过攀爬等方式接近救援对象，排除危险源并帮助救援对象安全撤离，如图1所示。

决赛中参赛队伍的救援机器人形态多样、创意十足，各类轮式、履带式底盘结构展示了各自的越障能力;双轮、四轮、万向轮以及铰接车身等构造展示了转向的灵活性;多自由度的机械手实现了被救援模型的抓取;无线电、蓝牙、WiFi结合手柄、触屏、手机、计算机实现图像传输、操作控制。同学们现场分享了自己所在队伍的开发经历，并再次重现了大赛的作品表演，多个参赛组取得了很好的成绩。通过两年的竞赛实践，我们初步形成了一种“以竞促教、竞教结合”的教学模式，既在学科竞赛上获得了优异成绩，也使实践教学内容丰富和实用了很多，提高了教学效果。

（二）竞教结合的途径

从所调研情况和其他学校的开展措施看，开展学科竞赛活动本质上还是培养创新型人才，如前所述我们重点依托的是竞教结合的方式，强调理论原理的掌握，还是以这些案例为引子，通过练习、讨论，反复说明创意背后所需支撑的理论基础。比如在结构力学及有限元基础课程中，重点指导学生建立清晰的机械承载结构及其力学概念，能够将复杂机械结构承载状态、内力分析、位移计算、应力分析等基本问题进行识别、判断和分解，为复杂机械结构的进一步分析、设计和研究提供依据。但是同学们往往对于相对枯燥的理论推导有所抗拒，从而影响了机器人在救援过程中，各部件受力分析的准确程度。通过竞赛过程，逐步理解了结构力学的分析原理，能够将具体问题抽象为理论模型选择合适的方法进行求解，通过将计算结果绘制成内力图、应力分布云图、位移云图等对求解结果进行分析、得出有用的结论，使得所制机器人具有较好的机械性能。

再比如嵌入式系统硬件设计课程采用课堂讲授和实验相结合的教学方法。首先从认识常用元器件和学习PCB板基础知识开始，然后进行PCB板元器件焊接实验、电路设计基础学习、PCB板设计和编程测试实验。但许多同学感觉还停留在理论层面上，通过竞赛过程，逐步明白该从哪里入手，同时针对课程教学的不足，每年对所授课程的教学方式和实验方法进行不断地改革和创新，以更有效地提高教学质量和教学效果。

系統的讲解创新过程无论是基础教育还是高等教育都是必要的，机械与能源工程学院开设有机械工程创新设计，课程为实践环节，授课对象为机械专业或其他相关专业大二学生。通过本课程学习，使学生对机械工程主要的数个市级及国家级课外竞赛活动有一个总体的了解与把握，能够了解与掌握一个竞赛活动如何从报名、立项、查阅文献、方案设计、计算与分析、三维建模或实物制作、调试与分析、总结及参赛等全过程。初步具备自主学习意识和方法，具有参加各类机械工程竞赛项目的能力。在课程过程中，往往会穿插创新创业项目（SITP），上海市级创新创业项目，包括“挑战杯”“互联网+”等国家级大型赛事，边学边做，从而更能深刻感受学科竞赛中系统学习的优势。这样也能较好调动学生们的兴趣，让老师们也投身其中，师生配合共同完成比赛，不仅使学生在实践中学到专业知识，培养学生的创新能力，还能增进师生的互动交流，使老师和学生共同进步。

而在后续详细方案的设计中，充分利于所学的理论课程分析各关节机构的驱动原理、强度、刚度和可靠性，不断通过文献检索及实践课程锻炼，利用现代工具协同分工完成三维结构建模，运动学分析、结构校核、电机功率等;架构相关控制模块、通过控制工程基础、电机与电力拖动等课程基本原理及相关计算机原理进行程序的编写，尽可能实现创意机器人的智能控制。

（三）定西中学赛事的辐射拓展——救援主题下竞教结合实践

为了辐射赛事影响，为全国赛事提供前期铺垫，我们向上海以外学校进行试验推广，甘肃省定西梅川中学为同济大学对口支教学校，便于从体制上进行推广赛事和复制赛事组织的理念，也为救援主题的拓展提供源泉，特别是创意的提炼，有时候基础教育的同学更容易碰撞出思想的火花，他们只是缺乏专业培训而已，所以结合初中生及西北地区教育差异，针对性购买可编程机器人，设计适合初中生的比赛模式并进行专业培训。

也正是通过典型地区实施经验，我们确定好了本次的科创启蒙活动——机器人编程教学。我们购置了十台启蒙编程机器小车。以小车为教学平台，设置了为期一个月的逻辑框图、传感器、自动巡航编程等一系列的课程。以此为依托融入创新理念教育和前沿科技的介绍，让同学们对科技创新萌生兴趣，如图2所示。

图2 同济大学支教团机器人编程教学

在一个月的机器人培训之后，学生产出了不少的创新想法，有同学设计了“探月小车”，还有同学构思了一个根据不同颜色地面能够自动驾驶的小车。不仅如此，在实践层面，同学们利用购置的小车和软件资源，生成了许多功能各异的小车，有巡逻警车、声力赛车、自动巡航小车、红外遥控小车。

三、结束语

本文结合我们以往竞教模式和实践内容，并通过典型多地区竞教结合模式的调研，分析提出了相应的改进意见并积极实践，进一步促进了专业课程的教学改革，使学科竞赛与实践教学密切结合，提高培养学生的能力和教学质量，丰富了理论教学的内涵和实践的成效。需要看到的是从主题设置上我们充分考虑了中小学、大专院校的兴趣点，以救援为特色，突出机械与智能控制结合，突出了创意及其实现方法，扩展了赛事的影响范围和年龄层次，在不忘初心，砥砺前行思想中寻找一条适合不同年龄层次的竞教结合之路，使得竞教结合具有强大生命力和延续性。

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