王成軍，沈豫浙

安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001

開展機(jī)器人教育 培養(yǎng)創(chuàng)新能力

王成軍，沈豫浙

安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001

機(jī)器人教育是學(xué)校培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的綜合平臺(tái)，是高校教育教學(xué)改革的一個(gè)切入點(diǎn)，也是學(xué)校創(chuàng)新教育的一種重要形式。筆者結(jié)合多年學(xué)習(xí)、研究機(jī)器人以及從事機(jī)器人教學(xué)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，探索了我國高等院校開展機(jī)器人教育活動(dòng)的有效途徑和方法，并介紹了安徽理工大學(xué)機(jī)器人教育的具體實(shí)踐和效果。

機(jī)器人教育；創(chuàng)新教育；創(chuàng)新能力；工程素質(zhì)

一、機(jī)器人教育

狹義的機(jī)器人教育是指以機(jī)器人相關(guān)知識(shí)和制作技能為對(duì)象的教育，包括專業(yè)理論知識(shí)教育、機(jī)器人實(shí)踐教育和機(jī)器人科技競賽等；而廣義的機(jī)器人教育概念則是指所有學(xué)習(xí)、利用機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)和技術(shù)，進(jìn)行教育效果和師生勞動(dòng)方式優(yōu)化的理論與實(shí)踐活動(dòng)。

機(jī)器人教育是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的綜合平臺(tái)，開展機(jī)器人教育是高校教育教學(xué)改革的一個(gè)切入點(diǎn)，也是學(xué)校創(chuàng)新教育的一種重要形式。它能以較少的投入（包括人力、物力、財(cái)力、時(shí)間等)取得較大的教育效果（主要指學(xué)生的知識(shí)獲得、技能形成、情感培養(yǎng)等），從而優(yōu)化教與學(xué)的效果；同時(shí)，采用機(jī)器人這種教學(xué)工具，能改善教學(xué)方式與方法，減輕師生的工作強(qiáng)度，縮短工作時(shí)間，提高工作效率[1]。

機(jī)器人的出現(xiàn)為學(xué)校創(chuàng)新教育提供了一個(gè)嶄新的平臺(tái)，幾乎沒有一種技術(shù)平臺(tái)比智能機(jī)器人更適合創(chuàng)新素質(zhì)教育。學(xué)校不僅可以把機(jī)器人作為一種科學(xué)教育的工具，用于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，還可以根據(jù)自己的實(shí)際情況開設(shè)機(jī)器人相關(guān)課程，開展各種機(jī)器人教育，普及機(jī)器人知識(shí)，以各種機(jī)器人活動(dòng)來推動(dòng)機(jī)器人教育的開展，培養(yǎng)滿足社會(huì)和科技發(fā)展需要的機(jī)器人相關(guān)人才。

二、開展機(jī)器人教育的有效途徑和方法

1.開設(shè)機(jī)器人相關(guān)課程，補(bǔ)充機(jī)器人專業(yè)知識(shí)

機(jī)器人課程可以選修課、必修課和實(shí)驗(yàn)課等多種形式開設(shè)，為學(xué)生補(bǔ)充有關(guān)機(jī)器人的專業(yè)知識(shí)。機(jī)器人課程的難度從低到高設(shè)置，為不同年級(jí)、興趣和特長的學(xué)生提供相應(yīng)的選擇空間和學(xué)習(xí)平臺(tái)。課程內(nèi)容應(yīng)包括機(jī)器人的發(fā)展歷史、機(jī)器人基本理論、機(jī)器人術(shù)語、機(jī)器人傳感技術(shù)、機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)器人控制和機(jī)器人數(shù)學(xué)基礎(chǔ)等內(nèi)容，同時(shí)，所開設(shè)的理論課程必須輔助以相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程來補(bǔ)充，增加學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)。

2.制定合理的課程評(píng)價(jià)和考核辦法

機(jī)器人課程不同于其他傳統(tǒng)課程，它是一門跨專業(yè)、高度綜合的新興技術(shù)課程，具有明顯的學(xué)科交叉性和實(shí)踐性。所以其課程評(píng)價(jià)和考核辦法也應(yīng)該和其他傳統(tǒng)課程有所區(qū)別。機(jī)器人課程的評(píng)價(jià)要注重學(xué)生在活動(dòng)過程中的自我反思，多樣化的評(píng)價(jià)方式有助于全面反映學(xué)生在課程中所獲得的知識(shí)以及知識(shí)的靈活運(yùn)用情況。評(píng)價(jià)可以根據(jù)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)項(xiàng)目的完成情況，也可根據(jù)學(xué)生的實(shí)質(zhì)性成果來進(jìn)行[2]。

除了一些基于基本理論知識(shí)的常規(guī)考核外，還應(yīng)該側(cè)重于實(shí)際動(dòng)手操作和創(chuàng)新制作方面的考核。如基本器件和模塊的組裝、測試、調(diào)試、策略規(guī)劃、程序編寫和測量，以及根據(jù)某些設(shè)想完成的機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)建和創(chuàng)新制作實(shí)踐環(huán)節(jié)的考核等。概括起來，機(jī)器人課程考核主要包括專業(yè)知識(shí)、程序編寫、調(diào)試與測量、創(chuàng)新制作四個(gè)部分，其中專業(yè)知識(shí)考核采用傳統(tǒng)的試卷考核的辦法，程序編寫、調(diào)試與測量需要在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室選擇相應(yīng)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成，而創(chuàng)新制作需要學(xué)生自己動(dòng)手搭建機(jī)器人系統(tǒng)，完成結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)與制作，最終成績和效果以一個(gè)實(shí)質(zhì)性的成果形式體現(xiàn)。

3.開設(shè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)自主發(fā)揮空間

機(jī)器人實(shí)驗(yàn)是對(duì)機(jī)器人專業(yè)知識(shí)理論學(xué)習(xí)的最好的補(bǔ)充，還可以增強(qiáng)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的目的性、針對(duì)性和學(xué)習(xí)熱情，也一直深受學(xué)生的歡迎。開展機(jī)器人教育，就必須開設(shè)多種形式的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供機(jī)器人系統(tǒng)模塊配置、模塊設(shè)計(jì)、程序編寫、系統(tǒng)調(diào)試和創(chuàng)新制作等實(shí)踐平臺(tái)和環(huán)境，特別是那些難度系數(shù)比較高的開放性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，可以以項(xiàng)目的形式開展，由于每一個(gè)項(xiàng)目都沒有標(biāo)準(zhǔn)的和唯一的答案，學(xué)生們需要不斷的探索和研究，因而也有一個(gè)可以任其自由發(fā)揮的空間，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問題所必需的工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力是一個(gè)最佳的鍛煉途徑和方法。

4.開展機(jī)器人競賽活動(dòng)

開展各種機(jī)器人展示和競賽活動(dòng)是一項(xiàng)很好的科技創(chuàng)新活動(dòng)，也是普及機(jī)器人教育的一個(gè)重要途徑。它不但能夠有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究的興趣，而且還是一項(xiàng)綜合了機(jī)械、電氣、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和數(shù)學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)的綜合性訓(xùn)練。對(duì)提高學(xué)生的語言表達(dá)能力、獨(dú)立分析問題和解決問題的能力、綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)的能力、自學(xué)能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等都是一個(gè)比較理想的途徑。

不僅可以組織學(xué)生參加各省的機(jī)器人科技競賽，還可以參加全國性的機(jī)器人競賽，如機(jī)器人足球世界杯（RoboCup）、FIRA機(jī)器人足球賽、機(jī)器人滅火比賽、CCTV全國機(jī)器人電視設(shè)計(jì)大賽和一年一度的“廣茂達(dá)杯”中國智能機(jī)器人大賽，以及國際級(jí)別的亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽等機(jī)器人科技競賽。更為重要的是要定期開展學(xué)校和學(xué)院級(jí)別的機(jī)器人科技競賽，吸引更多的學(xué)生參與，才能為更高級(jí)別的比賽以及機(jī)器人研究和開發(fā)培養(yǎng)和選拔更多的后備人才。

5.加強(qiáng)校企合作，構(gòu)建機(jī)器人產(chǎn)學(xué)研平臺(tái)

機(jī)器人生產(chǎn)商是機(jī)器人教育的一個(gè)隱性推動(dòng)者，在國內(nèi)外，部分機(jī)器人課程的順利實(shí)施都得益于機(jī)器人生產(chǎn)商，特別是教育機(jī)器人和競賽機(jī)器人生產(chǎn)商的支持。機(jī)器人生產(chǎn)商為學(xué)校免費(fèi)或有償提供機(jī)器人產(chǎn)品；協(xié)助學(xué)校建立機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，開展機(jī)器人教學(xué)、研究，合作申請科研項(xiàng)目，合作開展相關(guān)技術(shù)研究和開發(fā)；為學(xué)校培養(yǎng)師資和學(xué)生；協(xié)助學(xué)校參加各種級(jí)別的機(jī)器人競賽。正是因?yàn)樗麄兊姆e極參與，和學(xué)校建立了很好的產(chǎn)學(xué)研關(guān)系，推動(dòng)著機(jī)器人教育的不斷發(fā)展。同時(shí)，由于高校的參與，也促進(jìn)了企業(yè)產(chǎn)品的不斷完善和升級(jí)，使得機(jī)器人產(chǎn)品在學(xué)校和企業(yè)得到更好的推廣和應(yīng)用，形成了一種比較理想的產(chǎn)學(xué)研合作方式。

三、我校開展機(jī)器人教育的做法和實(shí)踐

智能機(jī)器人是一門跨專業(yè)和高度綜合的新型學(xué)科，是典型的光機(jī)電一體化高度集成的產(chǎn)品，它綜合應(yīng)用了數(shù)學(xué)、力學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)通訊、人工智能、工程材料和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等學(xué)科的最新技術(shù)和成果。由于它的先進(jìn)性、知識(shí)密集性、技術(shù)集成、高度智能化和神秘感而倍受廣大師生的青睞。2002年機(jī)器人引進(jìn)我校時(shí)，立即引起學(xué)生的濃厚興趣和廣泛參與。首批引進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)成為激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新熱情和求知欲、培養(yǎng)創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力的最佳教學(xué)平臺(tái)。我校機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室也成為最受學(xué)生歡迎的實(shí)驗(yàn)室。

圖1 機(jī)器人教育過程模型示意圖

近年來，我校高度重視機(jī)器人教育，不斷加大機(jī)器人教學(xué)和研究方面的投入，在機(jī)器人教育與科研方面已經(jīng)形成了自己的特色，圖1為我校的機(jī)器人教育過程模型的示意圖。2004年，在借鑒國內(nèi)外高校先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我校機(jī)械學(xué)院建立了智能機(jī)械與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，開展移動(dòng)機(jī)器人、仿人形機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、管道機(jī)器人和小型競賽機(jī)器人的教學(xué)與研究。我們在2001，2002，2003，2004，2005級(jí)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)改革中進(jìn)行機(jī)器人教育改革試點(diǎn)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)題目中和先進(jìn)制造技術(shù)等相關(guān)專業(yè)課程考核中增加機(jī)器人設(shè)計(jì)與創(chuàng)新制作方面的選題。在智能機(jī)械與機(jī)器人研究所老師們的指導(dǎo)下，這些同學(xué)相繼完成了“24自由度仿人形機(jī)器人的設(shè)計(jì)”、“果樹采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)”、“液壓支架專用焊接機(jī)器人”、“仿生蜘蛛的設(shè)計(jì)與制作”、“管道除垢機(jī)器人”、“管外自動(dòng)噴涂機(jī)器人的設(shè)計(jì)”等30多個(gè)課題。其中部分設(shè)計(jì)作品參加了全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽和全國大學(xué)生過程裝備實(shí)踐與創(chuàng)新大賽，獲得全國一、二、三等獎(jiǎng)各1項(xiàng)，省級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)10余項(xiàng)，申請專利3項(xiàng)。

學(xué)校采用了以研究促進(jìn)教育的方式開展機(jī)器人教育，機(jī)器人研究所的研究人員共參與國家863計(jì)劃項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等有關(guān)機(jī)器人的項(xiàng)目10余項(xiàng)，發(fā)表了近20篇研究論文，取得了一批研究成果。這有效促進(jìn)了我校機(jī)器人教育工作的開展。如今，我校已經(jīng)把“智能機(jī)械與機(jī)器人”、“人工智能”和“機(jī)器人創(chuàng)新制作”等課程列入本科教學(xué)計(jì)劃中。

目前，我校智能機(jī)械與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室除了可開展上述仿人形等機(jī)器人的教學(xué)、研究和實(shí)驗(yàn)外，還可以開展機(jī)器人滅火比賽、機(jī)器人足球比賽和趣味機(jī)器人比賽等機(jī)器人競賽活動(dòng)。我們每年都舉辦學(xué)院和學(xué)校級(jí)別的機(jī)器人大賽，每次都吸引機(jī)械、化工、計(jì)算機(jī)、地質(zhì)和材料等多個(gè)專業(yè)的數(shù)百名選手參加。由于機(jī)器人教育的開展，學(xué)生對(duì)機(jī)器人創(chuàng)新制作和機(jī)器人競賽興趣非常高，這廣泛激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新的動(dòng)力，這不僅強(qiáng)化了他們對(duì)所學(xué)專業(yè)知識(shí)的理解，還拓寬了專業(yè)知識(shí)面，培養(yǎng)了創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和對(duì)跨專業(yè)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，從而使機(jī)器人教育成為學(xué)校開展創(chuàng)新教育的重要方法。2008年，筆者主持完成的教研項(xiàng)目“工科學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)機(jī)制研究”獲得了安徽省教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。

[1]萬佑紅，蔣國平.機(jī)器人教育與大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2005，(8)：7-8.

[2]王益，張劍平.美國機(jī)器人教育的特點(diǎn)及其啟示[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2007，(11)：108-112.

[3]王成軍.創(chuàng)造學(xué)[M].北京：人民軍醫(yī)出版社，2005.

Carrying out Robot Education and Cultivating Creative Ability

WANG Cheng-jun, SHEN Yu-zhe
Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China

Robot education is an integrated platform for university to cultivate students’ creative ability, a starting point of college teaching reform and a important form of university creative education. Combined with the experience of researching robot and robot teaching of the authors, this paper introduced the robot education concrete practice and effects of Anhui University of science and technology.

robot education; creative education; creative ability; engineering quality

G642

A

1006-9372 （2010）01-0109-03

2009-11-10。

王成軍，男，講師，主要從事創(chuàng)造學(xué)、智能機(jī)械與機(jī)器人等方面的教學(xué)和研究工作。