朱恩亮

[摘要] 基于機(jī)器人的大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)的開(kāi)展有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、自學(xué)能力和協(xié)作能力。本文從機(jī)器人創(chuàng)新訓(xùn)練基地的建設(shè)、競(jìng)賽活動(dòng)的組織開(kāi)展以及機(jī)器人在高校實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用等方面進(jìn)行探討。

[關(guān)鍵詞] 機(jī)器人 創(chuàng)新活動(dòng) 實(shí)踐教學(xué)

機(jī)器人綜合應(yīng)用了多門學(xué)科的最新成就,是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品,機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)和訓(xùn)練涉及人工智能、數(shù)字圖像處理技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感器應(yīng)用、機(jī)械傳動(dòng)和自動(dòng)控制等多個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái),各級(jí)各類機(jī)器人大賽在全國(guó)各個(gè)地區(qū)廣泛開(kāi)展,該活動(dòng)的開(kāi)展,有力地推動(dòng)了大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的提高,促進(jìn)了大學(xué)實(shí)踐教學(xué)的改革,同時(shí)也為廣大學(xué)生提供了學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的舞臺(tái),使得一批高素質(zhì)的學(xué)生脫穎而出。筆者作為鹽城工學(xué)院機(jī)器人參賽隊(duì)的指導(dǎo)老師,帶領(lǐng)學(xué)生參加了兩屆“廣茂達(dá)杯”全國(guó)智能機(jī)器人大賽,分別取得了Robocup中型組足球比賽大學(xué)組冠軍和季軍;參加了兩屆江蘇省大學(xué)生機(jī)器人大賽,在機(jī)器人滅火、Robocup中型組足球、機(jī)器人游江蘇項(xiàng)目上取得了一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)的比賽成績(jī)。本文從機(jī)器人創(chuàng)新訓(xùn)練基地的建設(shè)、競(jìng)賽活動(dòng)的組織開(kāi)展以及機(jī)器人在高校實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用等方面進(jìn)行探討。

一、機(jī)器人創(chuàng)新訓(xùn)練基地的建設(shè)

1.機(jī)器人創(chuàng)新訓(xùn)練基地建設(shè)的必要性

機(jī)器人創(chuàng)新訓(xùn)練基地作為工科院校的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái),可以直接為電子、電氣、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、機(jī)械類等專業(yè)的學(xué)生提供服務(wù),其應(yīng)用除了組隊(duì)參加機(jī)器人競(jìng)賽外,還可以為大學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)生科技活動(dòng)、大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目研究等提供必要的條件,機(jī)器人以其技術(shù)先進(jìn)性、綜合性、可開(kāi)發(fā)性、趣味性成為綜合的實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練平臺(tái),基于機(jī)器人的大學(xué)生科技活動(dòng)的開(kāi)展有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、自學(xué)能力、協(xié)作能力。

2.機(jī)器人的選擇

在機(jī)器人的選型上,我們考慮了幾個(gè)因素:一是機(jī)器人的資源開(kāi)放性,作為教學(xué)型機(jī)器人,其硬件資源要具有開(kāi)放性,在機(jī)器人本體的電路主板上能夠進(jìn)行硬件擴(kuò)充,為此,要求機(jī)器人提供一定數(shù)量的可擴(kuò)充接口,實(shí)現(xiàn)以機(jī)器人本體為基礎(chǔ)的硬件功能擴(kuò)展,特別是便于外接各種傳感器;機(jī)械方面要便于改造和擴(kuò)充,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人不同的作用需求。二是機(jī)器人的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),應(yīng)該能夠用高級(jí)語(yǔ)言(如C或者C++)進(jìn)行機(jī)器人的軟件編程。能力風(fēng)暴智能機(jī)器人提供的圖形化交互式C語(yǔ)言(簡(jiǎn)稱VJC)軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng),不僅可以用直觀流程圖編程,也可以使用交互式C語(yǔ)言(簡(jiǎn)稱JC語(yǔ)言,具有C語(yǔ)言的基本語(yǔ)法結(jié)構(gòu))編寫機(jī)器人程序,從而為機(jī)器人的編程提供了方便。三是兼顧機(jī)器人比賽的需要,對(duì)于機(jī)器人比賽項(xiàng)目,不僅要求機(jī)器人能夠完成特定的任務(wù),還要求運(yùn)行速度快,穩(wěn)定性好。對(duì)機(jī)器人CPU的運(yùn)行速度和數(shù)據(jù)處理能力也提出了較高的要求。實(shí)踐證明,早期的采用以68HC11單片機(jī)為核心的機(jī)器人在運(yùn)行比較復(fù)雜的程序時(shí)(例如PID算法)速度較慢。對(duì)于Robocup中型組足球比賽用的機(jī)器人,全向輪結(jié)構(gòu)的機(jī)器人以其運(yùn)動(dòng)控制靈活和反應(yīng)快捷逐步取代過(guò)去的雙輪結(jié)構(gòu)。

二、機(jī)器人競(jìng)賽和創(chuàng)新活動(dòng)的開(kāi)展

機(jī)器人競(jìng)賽是一項(xiàng)很好的科技創(chuàng)新活動(dòng),機(jī)器人的趣味性易于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和研究的興趣,同時(shí)將競(jìng)爭(zhēng)引入訓(xùn)練過(guò)程,使學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)和研究的過(guò)程。以競(jìng)賽項(xiàng)目為訓(xùn)練課題,將不同專業(yè)和不同年級(jí)的學(xué)生組成一個(gè)競(jìng)賽小組,同學(xué)們?cè)谘芯扛?jìng)賽規(guī)則、制定策略方案、設(shè)計(jì)調(diào)試程序的過(guò)程中集思廣益、取長(zhǎng)補(bǔ)短、團(tuán)結(jié)協(xié)作,這種在探索中學(xué)習(xí)的過(guò)程對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力是其他教學(xué)環(huán)節(jié)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)幾次組隊(duì)參加機(jī)器人大賽,我們不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),做了如下一些嘗試:

1.報(bào)名與組隊(duì)

我校機(jī)器人大賽的報(bào)名與組織工作由教務(wù)處統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo),由工程訓(xùn)練中心具體承辦。為了做好機(jī)器人競(jìng)賽的報(bào)名與組織工作,我們?cè)趯W(xué)生中成立了大學(xué)生機(jī)器人興趣小組,興趣小組由相關(guān)專業(yè)的學(xué)生會(huì)干部負(fù)責(zé),志愿報(bào)名,機(jī)器人興趣小組在教師的組織下利用課余時(shí)間開(kāi)展機(jī)器人創(chuàng)新活動(dòng)(包括機(jī)器人開(kāi)發(fā)環(huán)境的學(xué)習(xí)與實(shí)踐、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的研究、機(jī)器人通信的實(shí)現(xiàn)、各種傳感器的功能及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)等等)。目前參加機(jī)器人興趣小組的學(xué)生數(shù)已經(jīng)有近30名同學(xué),他們分別來(lái)自不同的專業(yè)和不同的年級(jí)。在組成參賽隊(duì)時(shí),以不同專業(yè)不同年級(jí)的學(xué)生結(jié)合,大四的學(xué)生作為每個(gè)參賽隊(duì)骨干,以老帶新,形成梯隊(duì)。同時(shí)根據(jù)比賽項(xiàng)目選擇不同專業(yè)的學(xué)生參加,例如,機(jī)器人滅火比賽項(xiàng)目和機(jī)器人游江蘇比賽項(xiàng)目,以電氣、電子、自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生為主,計(jì)算機(jī)和機(jī)械專業(yè)學(xué)生配合,對(duì)于中型組足球比賽項(xiàng)目,因?yàn)樯婕坝?jì)算機(jī)通信技術(shù)、圖像處理技術(shù)、MFC編程技術(shù)等,則以計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生為主。機(jī)器人興趣小組的成立和平時(shí)的實(shí)踐活動(dòng),為學(xué)校參加機(jī)器人大賽組隊(duì)提供了保證,同時(shí),在學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)和主管部門給予大力支持下,我們盡量多組參賽隊(duì),安排機(jī)器人興趣小組的同學(xué)參與機(jī)器人比賽,從而也吸引更多的同學(xué)參與機(jī)器人興趣小組。

2.集中訓(xùn)練

機(jī)器人競(jìng)賽訓(xùn)練的過(guò)程實(shí)際上是綜合了機(jī)械、電氣、信息、控制、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的知識(shí)的一項(xiàng)綜合性實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié),在訓(xùn)練過(guò)程中,教師制定粗線條的訓(xùn)練計(jì)劃和進(jìn)度,以學(xué)生自主訓(xùn)練為主,教師進(jìn)行適當(dāng)?shù)妮o導(dǎo)和基礎(chǔ)知識(shí)的培訓(xùn)。我們認(rèn)為,競(jìng)賽成績(jī)固然重要,但是賽前的訓(xùn)練才是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的最好途徑。由于競(jìng)賽的競(jìng)爭(zhēng)性,同學(xué)們對(duì)訓(xùn)練熱情很高,把課余時(shí)間都用在訓(xùn)練上,營(yíng)造出了良好的學(xué)術(shù)和學(xué)習(xí)氣氛。在第三屆江蘇省大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽訓(xùn)練期間,我校的一個(gè)機(jī)器人滅火參賽小組用了一個(gè)學(xué)期的時(shí)間,自學(xué)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、自己設(shè)計(jì)電路、制作電路板、購(gòu)置元器件、進(jìn)行機(jī)器人的安裝調(diào)試,在機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中,同學(xué)們查閱了大量的資料,克服了一個(gè)又一個(gè)難題,這樣一個(gè)設(shè)計(jì)制作的訓(xùn)練過(guò)程就是一個(gè)工程實(shí)踐過(guò)程,對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)和提高是其他教學(xué)環(huán)節(jié)無(wú)法達(dá)到的。機(jī)器人競(jìng)賽是一個(gè)真正創(chuàng)新的平臺(tái),學(xué)生的訓(xùn)練成果在大賽中得以展示無(wú)疑會(huì)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)、實(shí)踐、創(chuàng)新等綜合素質(zhì)的培養(yǎng)和提高產(chǎn)生積極的影響。

3.賽后總結(jié)

每次參賽結(jié)束,無(wú)論成績(jī)?nèi)绾?我們都要求學(xué)生及時(shí)寫出書面總結(jié),這些參賽隊(duì)的總結(jié),既為下一屆的參賽同學(xué)留下了寶貴的經(jīng)驗(yàn),同時(shí)也是學(xué)生工程實(shí)踐的一個(gè)必不可少的訓(xùn)練過(guò)程。在2004年我校奪得第五屆“廣茂達(dá)杯”全國(guó)智能機(jī)器人大賽中型組足球比賽項(xiàng)目冠軍后,同學(xué)們?cè)诳偨Y(jié)中感慨地說(shuō):“在這樣一個(gè)全國(guó)性的比賽中,不論出現(xiàn)什么問(wèn)題,都得現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)解決,讓我們得到了鍛煉,提高了我們解決實(shí)際問(wèn)題的能力,我們要感謝學(xué)校給我們提供了這樣一個(gè)難得的機(jī)會(huì),我們也希望學(xué)校能在校園里推廣這類活動(dòng),讓更多的同學(xué)參與進(jìn)來(lái),得到鍛煉?！?/p>

三、機(jī)器人在大學(xué)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用

高校機(jī)器人創(chuàng)新活動(dòng)和競(jìng)賽活動(dòng)的開(kāi)展促進(jìn)了大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的提高,借助于機(jī)器人創(chuàng)新訓(xùn)練基地,近兩年,我校有4個(gè)工科畢業(yè)設(shè)計(jì)課題在工程訓(xùn)練中心完成,成功申報(bào)了兩項(xiàng)江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃省級(jí)項(xiàng)目。但是,機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)和機(jī)器人興趣小組活動(dòng)的組織與開(kāi)展,畢竟是少數(shù)同學(xué)參與,就機(jī)器人平臺(tái)來(lái)說(shuō),其在實(shí)踐教學(xué)中如何更好地應(yīng)用是我們一直思考的問(wèn)題。智能機(jī)器人是技術(shù)前言之一,集成了數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、機(jī)械、電子、材料、能源、計(jì)算機(jī)硬件、軟件、人工智能、多媒體技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等眾多領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)知識(shí),沒(méi)有一種技術(shù)平臺(tái)比智能機(jī)器人更綜合,為了培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì),在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中增加以移動(dòng)機(jī)器人為平臺(tái)的綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是可行的,比如《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程中的PID控制算法實(shí)驗(yàn),《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程中的PWM直流電機(jī)控制、A/D、D/A實(shí)驗(yàn)等。在課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)也可以引入機(jī)器人平臺(tái)。開(kāi)展校內(nèi)機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng),讓更多的學(xué)生和教師參與到機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)中來(lái),將有力地增強(qiáng)教學(xué)的實(shí)踐性和互動(dòng)性,從而推動(dòng)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的提高。

四、結(jié)束語(yǔ)

機(jī)器人實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練基地的建設(shè)和以機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)為切入點(diǎn)的大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng),激發(fā)了大學(xué)生自主學(xué)習(xí)和研究創(chuàng)新的激情,培養(yǎng)了大學(xué)生的工程實(shí)踐能力,拓寬了知識(shí)面,同時(shí),機(jī)器人作為一個(gè)綜合性實(shí)踐平臺(tái)在高校實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用,將有力推動(dòng)大學(xué)實(shí)踐教學(xué)改革。

參考文獻(xiàn):

[1]張?jiān)浦薜?基于機(jī)器人競(jìng)賽的大學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)與實(shí)踐.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(1):116-119.

[2]萬(wàn)佑紅,蔣國(guó)平.機(jī)器人教育與大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2005,27(4):6-9.

[3]郗安民等.學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)引導(dǎo)方法之探討.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2004,21(4):6-9.