潘小琴，徐海龍

(1.西南科技大學(xué) 工程技術(shù)中心，四川 綿陽　621000；2.綿陽市人民防空辦公室，四川 綿陽　621000)

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智能機(jī)器人與創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的一體化建設(shè)

潘小琴1，徐海龍2

(1.西南科技大學(xué) 工程技術(shù)中心，四川 綿陽621000；2.綿陽市人民防空辦公室，四川 綿陽621000)

摘要該文結(jié)合西南科技大學(xué)的理工科背景和創(chuàng)新實(shí)踐課程實(shí)施效果，對(duì)如何培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力進(jìn)行了深入思考，提出智能機(jī)器人與創(chuàng)新實(shí)踐課程相結(jié)合的一體化建設(shè)方案。該方案構(gòu)建了“興趣引入、基礎(chǔ)訓(xùn)練、綜合研究、創(chuàng)新設(shè)計(jì)”4個(gè)階段的開放式、立體化綜合型實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，并以“能力風(fēng)暴”機(jī)器人為載體，詳細(xì)設(shè)計(jì)了多層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采用彈性的考核與評(píng)價(jià)體系。實(shí)施結(jié)果表明，通過該平臺(tái)的訓(xùn)練，學(xué)生在鍛煉實(shí)踐動(dòng)手能力的同時(shí)，還能夠有效地提高工程能力和創(chuàng)新能力，達(dá)到了預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞創(chuàng)新實(shí)踐；實(shí)踐教學(xué)；考核方式；智能機(jī)器人

大學(xué)是培養(yǎng)和造就高素質(zhì)創(chuàng)造性人才的搖籃，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和科學(xué)態(tài)度，乃是我國(guó)高等教育發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)[1-2]。如何加強(qiáng)基礎(chǔ)，培養(yǎng)工科學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力，是高等教育新形勢(shì)下的重要課題[3-6]。

實(shí)踐教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力、工程能力和創(chuàng)新能力等方面起著關(guān)鍵作用。西南科技大學(xué)工程技術(shù)中心從2003年開始開設(shè)創(chuàng)新實(shí)踐課程，通過學(xué)科交叉和知識(shí)遷移，形成科學(xué)研究的大視野和大思路，并具備良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維和多向性發(fā)展[7]。西南科技大學(xué)，圍繞創(chuàng)新實(shí)踐課程的教學(xué)體系，經(jīng)過摸索與實(shí)踐，獲得了較好的成果，使學(xué)生將“研、創(chuàng)”融入“做、學(xué)”當(dāng)中。

1創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系改革分析

創(chuàng)新實(shí)踐課程是面向全校各專業(yè)的集中實(shí)踐選修課，按照“開放式、立體化、綜合型”的實(shí)踐教學(xué)思路，構(gòu)建多學(xué)科交叉的實(shí)踐教學(xué)體系，課程目的是培養(yǎng)創(chuàng)新能力。教學(xué)模塊按照層次劃分為：“以卵擊石”結(jié)構(gòu)創(chuàng)意設(shè)計(jì)、模型創(chuàng)意設(shè)計(jì)與制作、“活力小車”創(chuàng)意設(shè)計(jì)與制作、紙質(zhì)橋梁設(shè)計(jì)與制作、“產(chǎn)品創(chuàng)新”設(shè)計(jì)、產(chǎn)品外觀創(chuàng)意設(shè)計(jì)、“變廢為寶”作品設(shè)計(jì)和創(chuàng)意3D打印。該課程經(jīng)過多年實(shí)踐，學(xué)生反應(yīng)效果良好，選課學(xué)生以二三年級(jí)本科生為主，每屆受益學(xué)生5 000人以上，取得了較滿意的教學(xué)效果，現(xiàn)已形成一支專業(yè)的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)隊(duì)伍，積累了豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和資料。2007年，《創(chuàng)造學(xué)與創(chuàng)新實(shí)踐》課程被列入四川省精品課程進(jìn)行建設(shè)，并出版了教材《創(chuàng)造力開發(fā)與創(chuàng)新實(shí)踐》。

目前創(chuàng)新實(shí)踐課程的內(nèi)容集中在概念化的抽象設(shè)計(jì)和機(jī)械層面的手工制作兩方面，形式較為單一。隨著“智慧城市”的推進(jìn)，智能機(jī)器人越來越多地融入我們的生活。智能機(jī)器人是一個(gè)涉及多個(gè)學(xué)科知識(shí)的綜合性系統(tǒng)工程，正好契合西南科技大學(xué)的工科背景。除了控制、機(jī)械電子、自動(dòng)化等專業(yè)的學(xué)生對(duì)智能機(jī)器人的研究有濃厚的興趣以外，機(jī)器人還吸引了計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息工程、通信工程等專業(yè)的學(xué)生。因此很有必要開設(shè)一個(gè)新的模塊——智能機(jī)器人，以滿足這些學(xué)生在專業(yè)上的迫切需求。

2構(gòu)建開放式立體化綜合性實(shí)踐型教學(xué)平臺(tái)

構(gòu)建以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目標(biāo)，以完成課題項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，以學(xué)生為主要對(duì)象，開展創(chuàng)新實(shí)踐與自主研究的智能機(jī)器人平臺(tái)。該平臺(tái)從層次上分為興趣引入、基礎(chǔ)訓(xùn)練、綜合研究和創(chuàng)新設(shè)計(jì)4個(gè)階段，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　智能機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系

在設(shè)計(jì)實(shí)踐內(nèi)容時(shí)，既有基礎(chǔ)的必修內(nèi)容，為后續(xù)環(huán)節(jié)奠定扎實(shí)的基本功；也有提高的內(nèi)容，滿足部分學(xué)生個(gè)性發(fā)展的需求預(yù)留足夠的空間。學(xué)生通過前期理論課程學(xué)習(xí)，深入體會(huì)科學(xué)思維、創(chuàng)造性思維以及創(chuàng)造技法的要領(lǐng)。在實(shí)踐階段，學(xué)生按文理工學(xué)科交叉組成創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，通過自主預(yù)約課程實(shí)驗(yàn)，進(jìn)入工程技術(shù)中心實(shí)驗(yàn)室開展合作研究式學(xué)習(xí)。通過選定研究課題、提出設(shè)計(jì)方案、動(dòng)手制作、檢驗(yàn)作品性能及撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告等實(shí)踐過程，開展課題式的實(shí)踐，訓(xùn)練同學(xué)們的科學(xué)思維和科學(xué)方法[8]。

2.1興趣引入階段

興趣引入階段強(qiáng)調(diào)課堂知識(shí)和課后興趣活動(dòng)相輔相成，主要目的是激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新興趣。通過參觀、聽講座、觀看優(yōu)秀作品演示等環(huán)節(jié)，建立工程概念、創(chuàng)新意識(shí)。結(jié)合無線電測(cè)向協(xié)會(huì)、電子愛好者協(xié)會(huì)、創(chuàng)新聯(lián)合協(xié)會(huì)、光電科技協(xié)會(huì)和智能機(jī)械協(xié)會(huì)開展的活動(dòng)和取得的成果，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。增加創(chuàng)造性思維技法、論文的寫作技巧、專利的申請(qǐng)流程、項(xiàng)目申請(qǐng)書的撰寫等理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，拓寬學(xué)生的視野。

2.2基礎(chǔ)訓(xùn)練階段

基礎(chǔ)訓(xùn)練階段以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力為教學(xué)目標(biāo)，促進(jìn)學(xué)生的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為基本的實(shí)驗(yàn)技能。該階段增加以“能力風(fēng)暴”機(jī)器人為教學(xué)平臺(tái)的智能機(jī)器人訓(xùn)練環(huán)節(jié)，訓(xùn)練內(nèi)容屬于課程中基本必做的內(nèi)容，要求每名學(xué)生能自己動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)。

“能力風(fēng)暴”機(jī)器人硬件平臺(tái)以ARM7微控制器為核心，呈圓盤形，底部有兩個(gè)主動(dòng)輪和一個(gè)從動(dòng)輪，可以前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎，配置紅外傳感器、碰撞傳感器、光敏傳感器、光電編碼器及麥克風(fēng)等多種器件，可以通過搭建不同的模型，實(shí)現(xiàn)障礙物躲避、紅外測(cè)距、光信號(hào)的監(jiān)測(cè)、語音控制等功能，其主板上還預(yù)留有多種擴(kuò)展接口。通過演示實(shí)物和講解電路的基本知識(shí)，認(rèn)識(shí)常用的傳感器和電子元器件，掌握簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，使得學(xué)生具備實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)。能力風(fēng)暴機(jī)器人軟件平臺(tái)有兩種編程方式：C語言編程，要求學(xué)生有一定編程基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)過C語言或者其他計(jì)算機(jī)語言；流程圖編程，課程重點(diǎn)介紹此類編程方式，適用于毫無基礎(chǔ)的學(xué)生。實(shí)踐證明，通過“能力風(fēng)暴”機(jī)器人的實(shí)例訓(xùn)練，學(xué)生掌握了電子和機(jī)械的基礎(chǔ)知識(shí)，為今后開展研究奠定了一定的基礎(chǔ)。

2.3綜合研究階段

綜合研究階段的培養(yǎng)目標(biāo)是提高學(xué)生的綜合研究能力，強(qiáng)調(diào)以基本理論和基本實(shí)驗(yàn)技能為基礎(chǔ)，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新活動(dòng)。該階段內(nèi)容屬于課程中拓寬與提高的內(nèi)容，要求3-5個(gè)學(xué)生自由組隊(duì)，選擇一個(gè)綜合型實(shí)驗(yàn)或自命題，按照查閱資料、提出設(shè)計(jì)方案、師生共同探討、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、形成書面報(bào)告與答辯六個(gè)環(huán)節(jié)運(yùn)行實(shí)施。

2.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)階段

創(chuàng)新設(shè)計(jì)階段主要鍛煉大學(xué)生科技創(chuàng)新能力，提高大學(xué)生科技創(chuàng)新的層次，目標(biāo)是培養(yǎng)綜合素質(zhì)，教學(xué)模式采用教學(xué)與項(xiàng)目互動(dòng)。通過智能機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的訓(xùn)練，學(xué)生已經(jīng)具備研究與開發(fā)項(xiàng)目的基本技能，可以在老師的指導(dǎo)下，申請(qǐng)學(xué)生科技項(xiàng)目或者準(zhǔn)備高端科技競(jìng)賽甚至參與教師科研課題，將研究與創(chuàng)新相結(jié)合，項(xiàng)目中的研究方法可以轉(zhuǎn)化為論文、專利、著作等供他人學(xué)習(xí)，項(xiàng)目中的新發(fā)現(xiàn)可以轉(zhuǎn)化為新產(chǎn)品、新技術(shù)等供社會(huì)使用。

3多層次實(shí)驗(yàn)體系的建立

智能機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)融合了機(jī)械制造、自動(dòng)化控制、傳感器技術(shù)、電子信息、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，能夠讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的完成，了解和掌握相關(guān)學(xué)科的知識(shí)。

1)能力風(fēng)暴感知實(shí)驗(yàn)：以典型問題和工程對(duì)象為載體，通過“能力風(fēng)暴”學(xué)習(xí)套件進(jìn)行模塊化感知實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)各結(jié)構(gòu)零件、傳感器件、電子元器件。

2)圖形化編程實(shí)驗(yàn)：智能機(jī)器人的使用效果在很大程度上取決于軟件程序的編制水平，特采用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的手段設(shè)立編程實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生利用理論課所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行編程，該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生能預(yù)先看到機(jī)器人的執(zhí)行動(dòng)作，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中的不足，有效預(yù)測(cè)創(chuàng)作過程的可靠性。

3)模型搭建實(shí)驗(yàn)：能力風(fēng)暴機(jī)器人實(shí)驗(yàn)套件按照工程使用要求設(shè)計(jì)，模擬實(shí)際對(duì)象的功能，選擇適合的外接部件，可完成各種程度的模型搭建。在進(jìn)行模型搭建實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生需掌握機(jī)器人的工藝原理、硬件模型、搭建以及后處理等重要環(huán)節(jié)的操作，該實(shí)驗(yàn)可為學(xué)生提供從理論分析到模型的實(shí)踐訓(xùn)練。將設(shè)計(jì)好的模型接上電源，一系列參數(shù)復(fù)位設(shè)定完畢，模型準(zhǔn)備就緒。

4)綜合研究實(shí)驗(yàn)：智能機(jī)器人是一種比較復(fù)雜的創(chuàng)作對(duì)象，其包括硬件的模型搭建和內(nèi)部的軟件編寫，該實(shí)驗(yàn)必須要將兩者合二為一。在進(jìn)行綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)時(shí)，訓(xùn)練學(xué)生的綜合認(rèn)知和動(dòng)手實(shí)踐能力，能夠?qū)⒎至⒌墓δ芫C合，在這一過程中，訓(xùn)練學(xué)生提出并分析問題能力，提高學(xué)生解決問題的能力。經(jīng)過設(shè)計(jì)創(chuàng)作、部件選用、模型搭建、編程及綜合創(chuàng)新等相應(yīng)環(huán)節(jié)后，最終完成機(jī)器人作品，對(duì)機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等進(jìn)行檢驗(yàn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步提高。

5)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：智能機(jī)器人套件可以為學(xué)生提供包括步進(jìn)電機(jī)控制、機(jī)器人結(jié)構(gòu)、軟件編程、藝術(shù)創(chuàng)作在內(nèi)的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。在學(xué)習(xí)完智能機(jī)器人實(shí)踐課程之后，學(xué)生已經(jīng)具備了開發(fā)設(shè)計(jì)機(jī)器人的基本能力，利用課余時(shí)間組成學(xué)生團(tuán)隊(duì)，以該套件為資源，加入專業(yè)指導(dǎo)教師，即可申請(qǐng)關(guān)于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的學(xué)生科技項(xiàng)目，或者參與教師的科研項(xiàng)目，同時(shí)，這些科技活動(dòng)所取得的成果可以參加“挑戰(zhàn)杯”科技大賽、電子設(shè)計(jì)大賽、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、節(jié)能減排大賽等比賽。

4考核與評(píng)價(jià)體系

隨著各種教學(xué)模式的改革，以考試作為學(xué)業(yè)成績(jī)的評(píng)價(jià)方法已經(jīng)不能準(zhǔn)確的衡量學(xué)生的學(xué)習(xí)能力[9]。彈性化、多層次的課程考核與評(píng)價(jià)體系能夠充分發(fā)展學(xué)生的個(gè)性，挖掘?qū)W生的生命潛能[10]。在國(guó)外，學(xué)業(yè)成績(jī)一般由平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)兩部分組成，而平時(shí)成績(jī)又細(xì)分為平時(shí)表現(xiàn)、平時(shí)個(gè)人成績(jī)和小組成績(jī)?nèi)N評(píng)價(jià)指標(biāo)。參照國(guó)外的先進(jìn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，該課程綜合考慮“平時(shí)表現(xiàn)+學(xué)習(xí)匯報(bào)+作品成績(jī)+實(shí)驗(yàn)報(bào)告”各方面因素得出最終成績(jī)。其中平時(shí)表現(xiàn)包括出勤率、紀(jì)律性、協(xié)作精神等，學(xué)習(xí)匯報(bào)包括現(xiàn)場(chǎng)匯報(bào)學(xué)習(xí)情況和提交學(xué)習(xí)報(bào)告，作品成績(jī)則是指每個(gè)小組最終設(shè)計(jì)制作的作品，包括作品的演示、講解、創(chuàng)新性、難易度等因素，實(shí)驗(yàn)報(bào)告是課程結(jié)束之后提交的關(guān)于課程內(nèi)容的一個(gè)總結(jié)，包括內(nèi)容的完整性、書寫的規(guī)范性等。這種新的評(píng)價(jià)體系兼顧了過程性與終結(jié)性，要求學(xué)生將課內(nèi)知識(shí)與課外實(shí)踐相結(jié)合，積極開展研究與探討。

5結(jié)束語

經(jīng)過兩年的改革與實(shí)踐，將智能機(jī)器人融入創(chuàng)新實(shí)踐課程體系中，搭建了開放式立體化綜合型的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)；豐富了創(chuàng)新實(shí)踐課程的教學(xué)內(nèi)容；形成了夯實(shí)理論基礎(chǔ)，加強(qiáng)實(shí)踐能力的教學(xué)方法；構(gòu)建了彈性的、多層次的考核與評(píng)價(jià)體系。學(xué)生通過該實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的系統(tǒng)培養(yǎng)，完成了從興趣引入階段到基礎(chǔ)理論訓(xùn)練階段的轉(zhuǎn)變，再向綜合研究階段發(fā)展，最終能夠進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，有效地提高了工程能力和創(chuàng)新能力。

參 考 文 獻(xiàn)

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收稿日期:2015-04-13

基金項(xiàng)目：西南科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)資助項(xiàng)目(14syjs-10)。

作者簡(jiǎn)介：潘小琴(1986-)，女，碩士，助教，主要從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、創(chuàng)新教育方面的工作。

中圖分類號(hào)G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.065

Integration Construction of Intelligent Robots and Innovation and Practice Course

PAN Xiaoqin，XU Hailong

(1.Center of Engineering and Technology，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621000，China；2.Chinese Civil Air Defense of Miaoyang,Mianyang 621000，China)

AbstractBased on the science and engineering background and the effect of innovation and practice course implementation，how to develop students’ innovation and practice ability has been researched.One proposed the integration of intelligent robots and innovation and practice course.The program to build the “Interest is introduced，basic training，comprehensive research，innovation design” open three-dimensional integrated practice teaching platform in four stages.And “ability storm”robot as the carrier，design a multi-level pilot projects detailed，with flexible assessment and evaluation system.The implementation shows that the platform by training students to effectively improve the ability of practical and engineering and creativity，it achieves the desired effect.

Key wordsinnovation practice;practice teaching;assessment mode;intelligent robots