夏慶鋒 張燕 謝鵬飛 劉益新 鄒發(fā)光

（南京大學金陵學院，南京，210089）

獨立學院開展機器人競賽的探索與實踐

夏慶鋒 張燕 謝鵬飛 劉益新 鄒發(fā)光

（南京大學金陵學院，南京，210089）

本文介紹南京大學金陵學院以培養(yǎng)高素質具有創(chuàng)新精神的應用型人才為目標，積極參加機器人競賽的發(fā)展歷程，提出了適合獨立學院特點的競賽機器人組織訓練培養(yǎng)體系，最后總結了機器人競賽的培養(yǎng)方法。在五年多的競賽實踐中，該學院取得了較好的成績。

機器人競賽，培養(yǎng)體系，培養(yǎng)方法

0 引言

新世紀以來，我國高等教育經歷了大規(guī)模的擴招。近幾年，擴招后進入高等學校的畢業(yè)學生已經開始大批涌入社會，畢業(yè)生就業(yè)日益困難的問題正在凸現出來。與此同時，教育部強調了加強高等學校的教學改革和提高教學質量的重要性，并相繼出臺了一系列政策和措施。目前針對如何培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力，國內外已有一些研究思路及成果，比較常見的培養(yǎng)途徑有營造創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)環(huán)境、加強師資隊伍建設、加強課堂教學改革、加強實踐性教學環(huán)節(jié)、學生參與教師的研究課題、參加第二課堂等[1-4]。

機器人技術是一項高度交叉的綜合性前沿技術，為了推動機器人技術的發(fā)展，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力，20世紀90年代在全世界范圍內相繼出現了一系列的機器人競賽。機器人競賽是一種高科技的對抗活動，它集高科技、娛樂和比賽于一體，大學生參與機器人競賽有助于增強自主學習興趣，培養(yǎng)工程實踐創(chuàng)新能力，因而受到了世界各國，特別是美、日、德等發(fā)達國家的高度重視。我國在這一方面起步較晚，但目前已在國內各高?；馃衢_展起來。

南京大學金陵學院是南京大學創(chuàng)辦的本科層次的獨立學院，學院采用全新的機制和模式辦學，“依托母體”與“錯位發(fā)展”并舉，致力培養(yǎng)高素質具有創(chuàng)新精神的應用型人才。自2009年成立智能機器人實驗室以來，先后15次組織學生參加全國機器人大賽，共獲得了12個冠軍、11個亞軍、15個季軍以及數十項一等獎的好成績。筆者作為我校機器人競賽團隊的領隊兼指導老師，通過對大學生機器人競賽的組織、培訓、指導和管理工作，對如何更好地組織和選拔學生、如何對競賽團隊進行管理與激勵、如何培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力等方面有了初步認識。本文重點討論我校機器人競賽的組織與指導的方法和經驗。

圖1 部分獲獎證書及獎杯

1 我校競賽機器人發(fā)展歷程

萬事開頭難，作為公有民辦性質的獨立學院想要在全國機器人競賽中立足，更是難上加難。機器人競賽是一項綜合性賽事，涉及機械設計、電路設計、控制及軟件編程等綜合性知識和技術，需要各專業(yè)學生相互配合才能完成競賽機器人的制作與調試，因此很適合培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力和團隊協作能力。但是由于機器人競賽準備過程和時間較長，需要合理的指導教師隊伍和大量的經費支持，因此應根據學校的基本情況和特點，選擇恰當的競賽項目和制定合理的競賽規(guī)劃。

1.1 比賽平臺的搭建

南京大學金陵學院目標是實現與南京大學錯位發(fā)展，培養(yǎng)高素質具有創(chuàng)新精神的應用型人才，為此，2008年，在信息科學與工程學院成立之初即規(guī)劃建設智能機器人實驗室，以適應當今學科融合發(fā)展的潮流，為創(chuàng)新應用型人才培養(yǎng)建立寬廣的平臺。智能機器人實驗室也作為信工學院各專業(yè)教學融合平臺和創(chuàng)新實踐平臺。

智能機器人實驗室于2009年正式投入使用。但當時的條件并不適合立即開設機器人相關課程或者開展機器人科研工作，我校領導高瞻遠矚，創(chuàng)造性地提出首先進行創(chuàng)新實踐活動探索，經過一段時間的積累之后再開展教學和科研。筆者開始以機器人興趣小組的形式組織學生進行簡易機器人的設計與制作。在此過程中，筆者了解到國內有相關機器人的比賽，經過一個多月的咨詢與調研，決定通過組織學生參賽來帶動智能機器人實驗室的建設和發(fā)展。

1.2 比賽項目的選擇

國內機器人競賽的種類特別多，并且參賽學校都有扎實的理論基礎和豐富的實踐經驗，獨立學院學生的基礎以及指導教師團隊的實力都無法跟重點大學相比，因而如何選擇比賽項目作為切入點是非常關鍵的。

一般來說，入門門檻低但技術深度空間大、適合不同技術層次的隊伍參加、注重學生的創(chuàng)新及應用能力、趣味性強、對觀眾及媒體吸引力強的比賽最適合作為獨立學院參賽的切入點。門檻低，對于水平不高并且第一次參加比賽的隊伍來講，可以保證把機器人制作出來，能夠參加比賽；技術深度空間大，給后期機器人教學和科研預留了足夠的空間；適合不同技術層次的隊伍參加，有利于取得好成績；注重學生的創(chuàng)新及應用能力，這一點非常符合獨立學院學生的特點，理論基礎稍差，但創(chuàng)新思維及應用能力更高；趣味性強，能夠吸引學生參加比賽，并且能夠吸引媒體，宣傳自己，這對獨立學院更加重要。

除此之外，還要看該項目有沒有賽前培訓。賽前培訓對于首次參賽的學校非常關鍵，在培訓中可以充分理解比賽規(guī)則、了解往年比賽情況、機器人團隊組建與訓練方法、機器人設計技巧、比賽關鍵技術，并可以現場觀看模擬比賽。針對以上特點，筆者推薦“機器人武術擂臺賽”[2]和“水中機器人比賽”[3]作為比賽入門切入點。

1.3 參賽歷程

選定比賽項目后，筆者迅速聯系兩個項目的負責人，并且派出了三名教師和一名學生前往北京參加了兩個項目的賽前培訓。通過培訓，基本掌握了組隊技巧以及競賽機器人的設計步驟和相關注意事項，從而少走了很多彎路。

首次比賽，指導老師和參賽學生都特別重視，老師和學生幾乎將所有課余時間都用在了機器人的設計與制作上。這也是我校首次有代表隊參加全國性學科競賽，校領導特別重視，并于比賽出發(fā)時到火車站為全體參賽師生送行。

由于第一次參賽，指導老師和隊員都沒有比賽經驗，首次比賽成績不太理想，最好的成績是第四名。

校領導的態(tài)度對于比賽的持續(xù)發(fā)展具有重要的作用，首次比賽盡管沒有拿到獎杯，但是校領導對機器人團隊以鼓勵為主，并組織有經驗的老教師為比賽的后續(xù)發(fā)展出謀劃策。

在這種氛圍下，機器人團隊認真總結經驗、積極學習相關知識和技巧，繼續(xù)奮發(fā)努力，在之后的比賽中成績穩(wěn)步提高。截至2014年底，我校機器人團隊已經取得了12個全國冠軍，在獨立學院中保持了優(yōu)勢，為學校贏得了榮譽，提高了學校的知名度。

圖2 歷年參賽合影

2 競賽機器人培養(yǎng)體系的形成

熟悉機器人比賽的人都清楚，偶爾取得一兩次好成績并不困難，但要想保持穩(wěn)定的成績，就要有先進、完善的培養(yǎng)體系。我校在五年多的實踐中，逐步探索構建了一套適合獨立學院師生特點的培養(yǎng)體系和培養(yǎng)方案。

2.1 機器人社團的成立

要想保持穩(wěn)定的好成績，每次比賽培訓過程中一定要先發(fā)現發(fā)掘出幾個核心成員，一定要注意競賽隊伍的梯隊建設。尤其在沒有比賽任務時，應該有一個小規(guī)模的團隊進行不間斷的研究和探索。

獨立學院和其他公辦院校有很多不同之處，在機器人競賽方面，獨立學院主要以大二大三學生為主，而大四的學生幾乎沒人愿意參賽。原因在于獨立學院沒有保送研究生資格，最優(yōu)秀的學生要把主要精力放在準備考研上。因而學校主要應該針對大二和大三學生制定培養(yǎng)方案。而獨立學院大二和大三的學生在學校社團活動方面非常積極，筆者由此受到啟發(fā)，組建機器人社團。該社團與校內的其他社團最大的區(qū)別是，社團以機器人競賽和機器人技術的研究為主，不像其他社團以開展活動為核心。

通過機器人社團這個平臺，學生不僅學到了機器人知識，鍛煉了自己的動手能力，而且還能夠與其他學校建立聯系與合作機制，促進了學生的全面發(fā)展，也提高了學校的知名度。

2.2 機器人課程的開設

經過多年的機器人競賽活動探索，筆者以機器人競賽關鍵技術為內容，建設了“競賽機器人”選修課，該課程面向大一下學期開設，目的是引導和培養(yǎng)學生的興趣與學習方法，讓他們明確哪些知識需要特別學習，哪些能力需要去鍛煉等等。通過這些課程也能發(fā)現一些優(yōu)秀學生，作為核心隊員進行特別培養(yǎng)，再由他們帶動周圍的同學。

為了擴大受益面，2015年起，筆者面向全校學生開設文化素質選修課“魅力機器人”，讓全校學生都有認識機器人、了解機器人比賽的機會，從中可以發(fā)現其他分院優(yōu)秀人才。

2.3 競賽機器人實踐訓練體系

經過五年多的教學競賽實踐，我校探索了一條以競賽促進學生自主學習能力提高，理論學習與動手能力協調發(fā)展的創(chuàng)新實踐訓練體系。

（1） 通過課程培養(yǎng)興趣

針對信工學院一年級學生，在第二學期就由組織競賽的指導老師開設“競賽機器人”選修課，主要內容包括：機器人一般常識、機器人競賽現狀、機器人競賽項目的解讀、機器人競賽視頻解讀以及參加機器人競賽所需的知識和能力等，并同步開設趣味性機器人實驗。針對全校學生開設“魅力機器人”課程，以科普的形式介紹身邊形形色色的機器人，適當介紹部分簡單原理和實現方法，播放典型比賽視頻并加以解釋和點評，告訴學生機器人團隊需要各種有特長的各專業(yè)學生，比如藝術學院的學生可以在機器人外形設計以及外觀美化方面發(fā)揮特長，傳媒學院的學生可以幫助團隊宣傳等等。

在2014年的比賽中，機器人團隊就吸引了一名商學院學生和一名藝術學院的學生，起到了很好的效果。

（2） 立體化選拔模式

針對一年級第二學期和二年級第一學期的學生，指導老師先進行講解和示范，然后以機器人社團培訓為主，通過不同的項目使學生熟悉并掌握初級機械、電氣、傳感器及控制軟件等基礎知識。初級動手訓練階段在訓練學生的團隊合作意識、口頭表達能力、增強個人的自信心的同時，使學生掌握了常用的機械、電氣、傳感器及控制軟件等基礎知識。

之后通過模擬公司運作的方式，設立團隊CEO，并分成多個不同的部門，每個部門指定一個負責人，由負責人和CEO進行雙重培訓與考核，逐漸淘汰不符合要求的同學。

經過上述初步選拔之后，各指導老師再進行最后的考核，一般通過內部比賽和答辯的形式，最終選拔出最優(yōu)秀的參賽隊員。

（3） 強化訓練

在機器人團隊日常訓練中，要給他們營造一個合作與競爭并存的氛圍，讓他們接受高強度的訓練。在該階段，根據競賽項目進行分組，每一個競賽項目設立多個項目小組，以項目驅動的方式進行設計。指導老師定期聽取學生匯報，把握項目進度及發(fā)展方向，及時進行指導和總結，確保每個項目符合要求。競爭是一種實驗性的學習方法，為了取得好成績，學生必須靈活運用所學知識和課外知識，進行創(chuàng)新設計。筆者注意到，有很多同學能夠自己發(fā)現問題，帶著問題到圖書館或者網上查閱資料，還有的去問其他實驗室的老師甚至專業(yè)課的任課老師。

3 競賽機器人培養(yǎng)方法[5]

智能機器人實驗室和機器人社團的成立，以及競賽課程的開設，為競賽機器人團隊的培養(yǎng)提供了前提和保障。如何充分利用好這兩個平臺，采用什么樣的方法和方式對學生進行培養(yǎng)和指導，則是老師面臨的核心問題。本文基于我校機器人競賽的實踐，從以下三個方面進行

闡述。

3.1 隊員選拔方法

隊員的選拔一直是各個參賽學校最頭疼的問題，能否選拔到合適隊員，不僅直接影響機器人競賽的成績，而且對機器人團隊的梯隊建設至關重要。有的學校前幾年比賽成績很好，但是現在卻有很大退步，究其原因就是以前的核心隊員畢業(yè)了，現在的新成員不能挑起重擔。

我校在選拔隊員方面已經形成了一套行之有效的方法，由于比賽需要各專業(yè)各方面有特長的同學有機結合到一起，所以我們并不是用一個唯一的標準來選拔隊員，而是綜合多種方法、多種途徑進行選拔。具體做法是：首先在一年級的學生中，依據其在“競賽機器人”課程、社團中的表現以及輔導員的推薦，圈定一個大體的范圍，對他們進行跟蹤觀察至少一個學期，接著由現任社團中的干部從中尋找自己的接班人，采用“學長制”的方式進行培養(yǎng)和考察，然后由指導老師安排相關設計任務進行綜合評價，最后由指導老師和社團干部對學生進行答辯考核以確定初步名單。為了形成一個帶有競爭性的合作環(huán)境，最終的參賽隊員要到比賽前兩周才能確定，即如果初步名單中的同學表現不好還有被淘汰的危險。

值得注意的是，我校在培養(yǎng)隊員時特別注重學生人品和人格的培養(yǎng)，“要想會做事，先要會做人”。

3.2 因材施教、分類培養(yǎng)

我校在競賽機器人組織與指導過程中始終堅持“以學生為主體，以教師為主導”的培養(yǎng)理念，采用“因材施教、分類培養(yǎng)”的模式，對學生進行全面、持續(xù)、有效的教育和培訓。

根據學生的專業(yè)、特長以及興趣愛好，對學生進行分組，比如分為方案組、機械組、硬件組、軟件組、情報組等等，不同小組任務不同，所采用的培養(yǎng)方法也不同。分組不僅體現了專業(yè)區(qū)別，還照顧到了水平區(qū)別，這樣就能做到所有專業(yè)任何水平層次的同學都能找到適合自己的小組。

社團規(guī)定每個隊員每周寫一篇總結體會及下周工作計劃，指導老師由此深入了解每個同學的狀況，以針對學生的特點制定相應的方法。

3.3 多元化培養(yǎng)

機器人團隊中融合了我校各個年級和專業(yè)，在上述分組的基礎上必須采用不同的培養(yǎng)方法。對于基礎差的同學，一般采用基于問題學習的方法，讓他們帶著問題去查閱資料，在不斷提出問題和解決問題的過程中得到鍛煉。

對于基礎較好的同學，主要培養(yǎng)他們自主學習的能力，讓他們掌握自主發(fā)現問題、分析問題和解決問題的能力。

對所有同學均采用項目驅動式學習方法，在指導老師的全面統籌與協調下，每個小組設立組長、副組長等，分別相當于公司里面的總經理、部門經理，而指導老師則相當于董事長，按照公司里面的模式來設計和分配機器人的設計任務。經過兩年多的實踐證明，該方法非常有效。

4 小結

要想長期保持穩(wěn)定的好成績，需要做好以下幾點：獲得學校領導以及學工部門的支持；不斷完善培養(yǎng)體系與培養(yǎng)方案；充分利用各種資源，尤其能夠吸引社會資源的支持；指導教師要全身心的投入，不計個人得失；廣大學生的熱情參與；端正態(tài)度，不要急功近利，參賽過程和能力培養(yǎng)更重要。

[1] 孫秀偉. 大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)探討[J]. 高等教育研究,2009(2):227-229.

[2] 張玉敏,鄭琳娜,孫靜,等. 高校大學生創(chuàng)新教育研究[J]. 教育時空,2010(4):155-156.

[3] 江崇廓. 以教學為中心培養(yǎng)高層次創(chuàng)新型人才[J]. 中國高等教育,2010(2):45-47.

[4] 劉堯. 創(chuàng)新人才培養(yǎng)需要轉變的教學觀念[J]. 中國高等教育,2010(1):45-47.

[5] 夏慶鋒, 丁堯, 萬凱. 基于機器人競賽的應用型人才培養(yǎng)初探［J］.電氣電子教學學報.2012,4:60-61.

本文課題是南京大學金陵學院教學改革與科學研究項目，課題編號：0010521508。