基于机器人竞赛的学生创新能力培养实践研究

李修寒，朱松盛，段 磊，王 伟

（南京医科大学生物医学工程与信息学院 江苏 南京 211166）

当今世界，新一轮科技创新进入空前密集活跃的时期，学科之间、科学和技术之间、技术之间、自然科学和人文社会科学之间日益呈现交叉融合趋势，促使高等教育方式方法发生深刻变革。在新工科背景下，生物医学工程专业作为多学科交叉融合的典型代表，在丰富创新人才培养方式、拓展理论向实践转化途径等方面具有先天优势。自南京医科大学生物医学工程专业成立至今，在学生创新创业能力培养方面，构建并探索实施了“多元认知，贯通实践，深度拓展”三维模块化创新创业能力培养体系。该专业依托大学生创新创业实践教育中心平台，引导学生参与各类科技竞赛。在各类科技竞赛中，机器人竞赛因具有各种层次难度级别，为不同学校、学生提供了更多选择的机会。立足不同专业、年级，选择适合的机器人项目，既激发了学生的主观能动性和学习热情，又推动学生创新能力的提高。本文针对近年来机器人竞赛组织、培训等经验进行总结，探索如何通过机器人竞赛促进知识融合、进行创新能力培养实践研究。

1 结合机器人竞赛，促进知识融合，培养创新能力

传统重理论、轻实践的教学模式，造成了学生所学课程知识相互割裂，知识相互难融合，从而抑制了学生创新能力的提升。在新工科交叉融合创新的背景下，如何根据生物医学工程人才培养方案、课程体系，培养学生的动手实践能力、创新能力成为当前教学研究的一个重要课题。机器人竞赛由于涉及学科知识、能力、素质较多，需要多学科、跨专业的学习以及良好的专业素质和心理素质支撑。扎实的理论知识和实践知识积累以及个人能力和团队合作能力的搭配，使得机器人竞赛成为促进学生知识融合、培养创新能力的载体，如图1 所示。

1.1 促进多学科知识融合和跨专业能力培养

机器人竞赛包含较多类别和项目，以江苏省大学生机器人大赛为例，其涵盖海空类、对抗类、工程类、健康服务与智慧城市类、竞技运动类和其他类型6 个大类共34 个项目。每个项目考察领域各有侧重点，除了涉及数学、物理、机械、计算机等常规课程知识，往往还涉及人工智能、电子技术、传感器、自动控制与规划、图像识别与处理、无线通信等一系列新技术。学校以机器人竞赛为平台，立足具体赛项，以互动交流、个人自学、教师培训指导等与具体实践相结合，帮助学生获得多学科知识的融合和跨专业能力的提升，从而进一步提升学生的创新意识和创新能力。

1.2 促进专业素质和心理素质的提升

机器人竞赛不单对学生的专业素质有着很高的要求，还考验着学生的心理素质。在机器人竞赛培训期间，学生需要通过学习比赛项目所需的各项专业理论知识提高自身的专业素质，只有具备了相关专业素质，才能在机器人构建过程中具备正确认识问题、解决问题的能力，才能不断完善机器人的功能。由于机器人竞赛培训周期长，在培训期间除了需要克服在解决专业问题期间的心理浮动，还要克服外界因素的影响，这使学生心理素质得到较好的锻炼。此外，在机器人比赛期间，比赛现场机具紧张性，学生只有具备了专业素质和心理素质才能在现场灵活处理各种问题，通过对比多届学生发现，参加过机器人竞赛的学生的专业素质和心理素质均得到了很大的提升。

1.3 促进理论知识与实践知识的融合

理论知识的掌握需要实践来验证，而实践的开展则以理论知识为依托，两者相辅相成，缺一不可。由于传统教育中实践知识的缺乏，学生在处理实际问题时无从下手、犹豫不决，失去解决问题的自信心。机器人竞赛作为既需要理论知识又需要实践知识的竞赛活动，对促进学生理论知识与实践知识的相互融合起到了极大的帮助。学生全程参与其中，不只学会了查阅资料、自主学习，提高了分析问题、解决问题的能力，还学会了综合设计、系统优化，使得理论知识、实践知识和理论联系实践的能力得到了进一步提升，做到了从单一学习方法到思维方式的转变，对学生创新能力的培养起着决定性作用。

1.4 促进个人能力和团队合作能力的同步提升

由于机器人竞赛项目的复杂性，即便个人能力很强的学生往往也无法完成全部的工作及任务，因此机器人竞赛基本以团队形式参赛。在机器人竞赛参赛过程中，个人需要全身心投入其中，通过学习机械构造、传动、无线通信、传感器、编程等知识补足短板。对于多种多样的知识，不同学生学习各有侧重，从大方向上可分为硬件和软件两个类别，为了团队之间合作的通畅，负责硬件部分的学生除了要对硬件了如指掌，还要对软件有初步的掌握，负责软件部分的学生亦然。只有这样，才能在知识体系中架起沟通的桥梁，才能顺畅实施方案，完成整体的架构。团队合作不单体现在知识、能力层面，保持轻松愉快的团队氛围，也体现在人与人沟通交流、情商层面。通过机器人竞赛，学生个人能力和团队合作能力在竞赛期间得到了极大的提升。

图1 机器人竞赛促进知识融合、培养创新能力

2 结合机器人竞赛，构建稳定的组织体系

在医学院校中，生物医学工程作为其中极少数的工科专业，在组织机器人竞赛过程中会遇到更多的问题和困难，表现为学校的重视程度相对不够、可选拔参赛的学生人数和学生能力水平有限。学校的重视程度直接影响着经费的支持力度，机器人竞赛同其他科技竞赛相比，对经费的支持保障力度要求更高，因此，学校教务部门的支持对顺利开展机器人竞赛至关重要。

机器人竞赛组织过程涉及比赛项目的选择、人员选拔安排、培训等环节。机器人竞赛项目的选择应充分考虑参赛学生的潜在最大能力范围以及学生各项能力是否全面。除此以外，专业涉及课程知识和相关费用预算也要综合考虑。南京医科大学在前几届组织学生参赛的过程中，充分考虑经费预算的不足和学生、指导教师参赛经验的匮乏，在学生组队安排上，以一位研究生为队长，三、四年级本科学生为队员，组成5 人的队伍。随着比赛项目经验的累积以及学校、学院经费支持力度的增加，队员逐渐变为以二年级本科生为主体，辅以个别一年级或其他非工科专业，一年级本科生虽在第一次参赛过程中为辅助角色，但可以在第二年参赛中凭借其拥有的经历和经验，充当主力或队长角色，从而实现承接作用。现如今，经过多年的累积，不断弱化指导教师在竞赛中的角色，实现以参赛队员为主体，通过相关能力、素质的提高，充分主导竞赛进程，指导教师只在学生选拔、培训前期以及经费保障上提供支持。

机器人竞赛的规则每年会有不同程度的调整，但不管调整幅度大小，都本着培养学生、锻炼学生的目的。往届机器人所有硬件结构都将拆散到最小单元，所有软件程序都将重新编写。在拆散硬件结构过程中，学生可以学习借鉴往届比赛中优秀的结构构件，后期在此基础上继续优化。只有这样，才能既实现比赛经验的传承，又实现学生能力的培养。

随着参赛经验的累积和机器人项目的不断发展，在比赛项目的选择上由一个项目向多个项目参赛的转变，以江苏省大学生机器人大赛为例，参赛项目由单独对抗类项目向对抗类加竞技运动类项目转变。

3 结语

自2015 年首次参加江苏省大学生机器人大赛以来，南京医科大学陆续组织学生参加了中国机器人技能大赛、中国教育机器人大赛。截至2021 年底，学校共组织27 支学生团队参加机器人竞赛，获得一等奖9 项，二等奖11 项，三等奖7 项，并有两位指导教师获得优秀指导教师的荣誉称号。通过机器人竞赛，学生理论联系实际的能力得到了提高，促进了知识相互融合，提高了学生创新意识和创新能力。在培养学生的过程中，教师的专业技术能力也得到了很大程度的提高，实现了师生的共同进步。