陳新兵， 龍曉莉， 陳 虹， 謝斌盛， 張方櫻

(廣州大學 實驗中心 ，廣東 廣州 510006)

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課賽結(jié)合的機器人創(chuàng)客平臺建設(shè)探索

陳新兵， 龍曉莉， 陳 虹， 謝斌盛， 張方櫻

(廣州大學 實驗中心 ，廣東 廣州 510006)

在國家實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的背景下，如何培養(yǎng)創(chuàng)客人才已成為高校的重要課題。論文首先闡述了創(chuàng)客對于高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的重要意義，討論了實習教學與課外創(chuàng)新的對接設(shè)計，然后結(jié)合廣州大學現(xiàn)狀，介紹了依托電子實習中心，整合智能車/機器人相關(guān)資源，構(gòu)建一體化機器人創(chuàng)客教育平臺的總體思路，并從創(chuàng)客平臺、電子實習、生產(chǎn)實習和課外創(chuàng)新等方面，對課賽結(jié)合的建設(shè)方式進行了積極的探索，立足普及機器人技術(shù)，引領(lǐng)學生以循跡智能車為基礎(chǔ)，進行創(chuàng)意機器人設(shè)計。實踐表明，一體化平臺的建設(shè)解決了機器人技術(shù)門檻較高的問題，有效提升了學生的工程能力和創(chuàng)新意識，促進了跨學科創(chuàng)客人才的培養(yǎng)。

電子實習； 創(chuàng)客教育； 人才培養(yǎng)； 教學設(shè)計； 機器人

0 引 言

國內(nèi)外興起的創(chuàng)客運動，強調(diào)實踐、創(chuàng)新與分享，改變著大學生的學習方式，成為高校提升學生實踐創(chuàng)新能力的新途徑[1-2]。2015年初國務院先后頒布《關(guān)于發(fā)展眾創(chuàng)空間推進大眾創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的指導意見》和《關(guān)于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》，提出了發(fā)展眾創(chuàng)空間平臺，降低創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)門檻，營造創(chuàng)新文化氛圍，激發(fā)大眾創(chuàng)造活力，創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展等舉措，把推進創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育作為高等教育綜合改革的突破口，順應了網(wǎng)絡時代萬眾創(chuàng)新的趨勢，對推動大學生實踐創(chuàng)新活動，從小眾過渡到大眾普及型，具有宏觀指導意義。

電子實習是培養(yǎng)大學生實踐創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。長期以來，實習教學側(cè)重于通用實踐技能的培養(yǎng)，在對接課外創(chuàng)新方面存在不足，加上學時少，年級低等因素，造成較多學生因門檻高，機會少等原因，未能如期走上課外創(chuàng)新之路，一些高校采用分層次教學、設(shè)置創(chuàng)新訓練內(nèi)容、實行自主開放等措施[3-4]，取得一定效果，卻未能從根本上解決實習和課外創(chuàng)新對接不足的問題。面向人人的眾創(chuàng)理念[5]，強調(diào)實踐的創(chuàng)客運動[6]和跨學科的機器人技術(shù)[7]，為構(gòu)建校級實踐創(chuàng)新一體化平臺帶來了新思路。

以推進創(chuàng)新教育綜合改革為目標，廣州大學依托校電子實習中心構(gòu)建了機器人創(chuàng)客基地(下稱“基地”)，整合資源建設(shè)了一體化創(chuàng)客教育平臺，采用課內(nèi)課外相結(jié)合的貫通式教學設(shè)計，建立了自主學習、自由探索的育人環(huán)境，營造了積極實踐、鼓勵創(chuàng)新的文化氛圍[8-9]，提升了創(chuàng)新人才培養(yǎng)水平，下面從平臺建設(shè)、實習改革和課外創(chuàng)新等方面進行介紹。

1 一體化創(chuàng)客平臺

電子實習中心負責全校硬件工程實訓，根據(jù)跨學科創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要，以機器人技術(shù)為主題，整合了現(xiàn)有的“電工電子實習”“電類生產(chǎn)實習”、科普活動、相關(guān)賽事及其選修課(圖1)，構(gòu)建了“一體化、分階段”的校級創(chuàng)客教育平臺，工程教育回歸工程應用，立足普及機器人技術(shù)，探索以課賽結(jié)合方式引領(lǐng)機器人創(chuàng)新工程，使學生得到系統(tǒng)的工程歷練，培養(yǎng)創(chuàng)新型工程人才。

圖1 校級機器人創(chuàng)客教育平臺

機器人作為《中國制造2025》計劃的重要內(nèi)容，對我國智能制造和產(chǎn)業(yè)升級至關(guān)重要，也對高校傳統(tǒng)的專業(yè)人才培養(yǎng)模式提出了挑戰(zhàn)。機器人技術(shù)綜合性強，涉及學科多，入門門檻高，投入精力大，基地根據(jù)智能車是機器人技術(shù)基礎(chǔ)的特點，制訂了先智能車后機器人的分階段漸進式培養(yǎng)計劃，施行課內(nèi)外對接的貫通式教學設(shè)計，具體如下。

1.1 電工電子實習

電工電子實習又稱電子工藝實訓，是面向理工科專業(yè)開設(shè)的工程訓練課程，包含安全用電、電工技能和電子制作等內(nèi)容，培養(yǎng)大學生的實踐動手能力[10]，教學改革須解決與后續(xù)課外創(chuàng)新關(guān)聯(lián)不夠的問題。

為系統(tǒng)性地提升學生的工程能力，基地把該課程納入了機器人創(chuàng)客教育整體規(guī)劃，采用了機器人的基礎(chǔ)原型—智能車，進行機器人入門教育，降低了普及難度，以焊接、調(diào)試訓練為重點簡化了智能車設(shè)計，將整車分解為電源模塊、尋跡模塊、驅(qū)動模塊、車燈模塊和核心模塊，課堂教學側(cè)重單片機外圍電路，明晰了各模塊教學內(nèi)容和培養(yǎng)目標(見表1)，采用模塊化設(shè)計滿足了各學科需求，工程教育回歸工程應用，學生在動手實踐基礎(chǔ)上，對智能車有一個整體系統(tǒng)概念，初步具備解決硬件領(lǐng)域電類問題的工程實踐能力。

表1 電工電子實習教學設(shè)計

實習設(shè)置了課外自學進階模塊，基于“做中學”理念制作了教學課件，科普單片機應用編程，共享了智能車軟件源碼，學生課外自主完成整機的軟硬件聯(lián)調(diào)，解決了課內(nèi)學時少的問題，實現(xiàn)了課內(nèi)課外的無縫對接，保障了工程的完整性和實踐的連續(xù)性，激發(fā)了學生深入學習的興趣，實現(xiàn)了普及目標。此外，核心模塊預留了硬件擴展接口，方便學生以此為硬件平臺，改進智能車設(shè)計，進行擴展應用，把智能車設(shè)計為學生未來工程實踐的創(chuàng)新起點，提升了學生的工程實踐能力和自主學習能力。

1.2 電類生產(chǎn)實習

電類生產(chǎn)實習是學生體驗生產(chǎn)實際，了解專業(yè)知識行業(yè)應用，準備就業(yè)創(chuàng)業(yè)的實訓環(huán)節(jié)。由于企業(yè)不提供短期硬件開發(fā)類崗位，生產(chǎn)實習普遍存在參與深度不夠的問題[11]。

基地以硬件工程師為培養(yǎng)目標，結(jié)合機器人創(chuàng)客教育整體規(guī)劃，改革了生產(chǎn)實習教學內(nèi)容和實訓模式，采用項目驅(qū)動教學法(見圖2)，重點提升學生的產(chǎn)品開發(fā)能力。與企業(yè)合作建立了校內(nèi)生產(chǎn)實習基地，逐步配套了產(chǎn)品設(shè)計環(huán)境、雙面板快速制作系統(tǒng)、自動貼片生產(chǎn)線和調(diào)試裝配區(qū)。學生在產(chǎn)品分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合逆向工程，重點掌握行業(yè)主流設(shè)計軟件Altium Designer，進行電子產(chǎn)品開發(fā)的全過程。

實習過程中，每組學生分工合作，開發(fā)一臺產(chǎn)品級的智能車/機器人，根據(jù)實際需求設(shè)計電源管理模塊、傳感及信號調(diào)理模塊、紅外測距模塊和電機驅(qū)動模塊，通過修改程序完成軟硬件聯(lián)調(diào)，測試實際性能指標是

圖2 生產(chǎn)實習教學設(shè)計

否滿足設(shè)計需求，掌握電子產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)、調(diào)試到裝配的整個流程，通過研發(fā)、采購、生產(chǎn)、管理與銷售等環(huán)節(jié)了解企業(yè)運作，了解產(chǎn)品開發(fā)須注意的實際問題，學會運用專業(yè)知識解決應用問題，具備工程師的綜合素養(yǎng)，為從事創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，和相關(guān)領(lǐng)域的生產(chǎn)科研工作積累工程經(jīng)驗。實習教學進行的小批量生產(chǎn)，為智能車/機器人校內(nèi)選拔賽和科普活動，提供硬件支持，并根據(jù)使用反饋不斷改進電路設(shè)計，提升了學生的設(shè)計開發(fā)能力、工程能力和團隊合作意識。

1.3 課外創(chuàng)新

基地設(shè)立了智能車、機器人和無人機三類創(chuàng)客主題，提供環(huán)境、設(shè)備、工具與創(chuàng)客資源，課賽結(jié)合引領(lǐng)課外創(chuàng)新[12]，其中智能車大賽和機器人大賽是全國有較大影響力的跨學科綜合賽事，以新興的的汽車電子/機器人技術(shù)為背景，涵蓋機械、電子、傳感、控制和計算機等多學科內(nèi)容，融科學性、趣味性和觀賞性為一體，包括硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、機械設(shè)計、控制算法、整車調(diào)試等環(huán)節(jié)，學生組建跨學科團隊，通力合作完成一個工程項目的設(shè)計、制作、調(diào)試和優(yōu)化，通過現(xiàn)場競技檢驗整機的綜合性能，成為廣受歡迎的跨學科實踐創(chuàng)新平臺[13-14]。

課外環(huán)節(jié)是課賽結(jié)合教學設(shè)計的重點，根據(jù)光機電算一體化，跨學科提升STEAM綜合素養(yǎng)的育人需求，基地組建了包括企業(yè)工程師、資深指導老師和高年級學生的創(chuàng)客導師團隊[15]，定期交流經(jīng)驗、根據(jù)實際情況制定下一步方案。每個導師負責若干個項目組，跟蹤項目進展，提供個性化科研指導，和一站式咨詢服務，協(xié)助制定符合專業(yè)和個性發(fā)展的漸進式成長計劃，具體如下：

(1) 電工電子實習一結(jié)束，學生簽訂自主管理承諾書，即可入駐創(chuàng)客基地，繼續(xù)完成預留的智能車軟件編程任務，通過軟硬件聯(lián)調(diào)實現(xiàn)簡單循跡功能，達到快速入門和普及目標。

(2) 通過創(chuàng)客資源庫，共享了飛思卡爾智能車光電組、電磁組和攝像頭組初級方案，以賽事引領(lǐng)課外實踐，學生組成若干跨學科項目組，在實踐中分工合作，群策群力完成工程項目及其整體優(yōu)化工作，積累工程經(jīng)驗，初具創(chuàng)新基礎(chǔ)。

(3) 設(shè)置工業(yè)、救災、農(nóng)業(yè)、健康、科普等機器人興趣小組，開源了部分軟硬件資源，舉辦專題講座和科普活動，開闊學生視野，不同專業(yè)學生組建跨學科協(xié)同創(chuàng)新團隊，共同完成一個機器人科研項目，各展其長，自由探索，玩出創(chuàng)新，組織學生申請創(chuàng)新實驗、挑戰(zhàn)杯或科普項目資助，通過實踐將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為作品，掌握從規(guī)劃、設(shè)計、制作到調(diào)試的全過程。

(4) 每年4月份舉辦智能車/機器人校內(nèi)選拔賽，設(shè)置光電、電磁、攝像頭和創(chuàng)意四個組別，通過現(xiàn)場競技檢驗師生創(chuàng)新成果，發(fā)掘有熱情、肯努力、能鉆研、有創(chuàng)新潛質(zhì)的學生組隊參加全國全國智能車大賽、中國機器人大賽、電子設(shè)計大賽和挑戰(zhàn)杯等賽事，組織具備條件的學生參加生產(chǎn)實習培訓，準備挑戰(zhàn)杯創(chuàng)業(yè)大賽或創(chuàng)業(yè)就業(yè)，形成了“自主學習、積極實踐、追求卓越、玩出創(chuàng)新、樂于分享”的創(chuàng)客文化，提升了學生的學習熱情、合作意識和實踐創(chuàng)新能力。

為解決實踐創(chuàng)新過程中的共性問題，基地與企業(yè)合作開設(shè)了系列選修課，授予創(chuàng)新學分，主講硬件設(shè)計、算法設(shè)計、機械設(shè)計和跨學科創(chuàng)新思維，基于創(chuàng)造的學習理念和問題驅(qū)動法進行教學設(shè)計，建立了學生助教制度增進教學互動，引領(lǐng)學生以循跡智能車為基礎(chǔ)，進行跨學科機器人創(chuàng)新，實現(xiàn)了實習與機器人課外創(chuàng)新的無縫對接，達到了以賽促學、學以致用的效果，課程如下：

(1) 選修課“智能車硬件設(shè)計”進行普及教育。主講硬件設(shè)計，重點介紹使用軟件ALTIUM DESIGN設(shè)計硬件及制作印刷電路板的流程，采用項目驅(qū)動教學法，通過智能車工程實踐普及電源技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、傳感技術(shù)、信號傳遞電路、接口技術(shù)和復雜電路調(diào)試，了解PCB結(jié)構(gòu)設(shè)計、載流設(shè)計和散熱設(shè)計，了解常見技術(shù)性能指標的測定，通過入門和典型兩個實例講解MCU編程及軟硬件聯(lián)調(diào)，提高電路設(shè)計能力和應用創(chuàng)新能力。

(2) 選修課“智能車/機器人軟件設(shè)計”進行普及教育。主講算法設(shè)計，重點是智能車導航和機器人姿態(tài)控制，普及通用控制算法和控制策略，例如Bang-Bang控制、PID算法、模糊控制、濾波算法和聚類算法，結(jié)合實際應用，介紹圖像處理流程和信號處理工具，了解路徑識別、學習、記憶、預測與規(guī)劃，提高算法設(shè)計與優(yōu)化能力，準備智能車/機器人校內(nèi)選拔賽。

(3) 選修課“機器人DIY”進行創(chuàng)新教育。主講機械設(shè)計，介紹使用軟件Pro/Engineer設(shè)計機械手臂、支架、連桿和底盤等機械零部件，及其3D打印制作流程，通過機器人DIY工程實踐，體會設(shè)計對重心和整機性能的影響，講解STM32應用編程，結(jié)合機器人產(chǎn)業(yè)及其國內(nèi)外創(chuàng)客活動，啟迪創(chuàng)造性思維和跨學科多視角創(chuàng)新，引領(lǐng)機器人創(chuàng)新工程實踐，組織申報各類科研項目，為學科賽事和挑戰(zhàn)杯創(chuàng)業(yè)大賽做準備。

2 建設(shè)成效

近3年的持續(xù)建設(shè)，廣州大學電子實習中心向機器人創(chuàng)客基地的升級轉(zhuǎn)型取得了階段成果，依托省電工電子實驗教學示范中心，每年12個專業(yè)參與實習，年人機時數(shù)超過5萬，根據(jù)創(chuàng)客成長的需要，逐步新增了機械加工區(qū)、貼片流水線、創(chuàng)客資源庫、智能車工作坊和機器人工作坊，擴建了自主學習區(qū)，入駐了學生創(chuàng)客社團協(xié)助活動組織和開放管理工作，通過一體化創(chuàng)客教育平臺，實現(xiàn)了分階段漸進式人才培養(yǎng)。學生在大一通過電工電子實習或類似培訓，具備焊接、調(diào)試等動手實踐能力，根據(jù)實習預留任務進行課外實踐；大二上學期通過智能車選修課提升學生的軟硬件設(shè)計能力，組隊參加智能車/機器人校內(nèi)選拔賽，備戰(zhàn)全國智能車大賽和機器人大賽；大二下學期通過選修“機器人DIY”引領(lǐng)跨學科機器人創(chuàng)新工程實踐，組織學生積極備戰(zhàn)機器人賽事、電子設(shè)計大賽和挑戰(zhàn)杯賽事，提高實踐創(chuàng)新水平；大三開設(shè)“電類生產(chǎn)實習”，熟悉產(chǎn)品開發(fā)和企業(yè)運作，為就業(yè)創(chuàng)業(yè)奠定基礎(chǔ)。

基地不斷擴展項目渠道，支持更多學生實現(xiàn)創(chuàng)意，在創(chuàng)新中成長，建成全校各學科人才匯聚、創(chuàng)新與分享的創(chuàng)客平臺，發(fā)揮示范作用。通過組織系列青少年科普活動展示學生作品，如搜救機器人、腦電波機器人、掃地機器人、外骨骼機器人、旅行家平衡車、武術(shù)機器人、垃圾分類機器人、巡天無人機等，充實學生經(jīng)費，服務社會[16]?；噩F(xiàn)已建設(shè)成為“機器人技術(shù)跨學科應用型人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實驗區(qū)”，出版教材兩本，發(fā)表論文51篇，專利申請及授權(quán)17項，競賽獲獎43項，并被學校推薦為省教學成果獎重點培育項目。

3 結(jié) 語

機器人創(chuàng)客基地及其一體化育人平臺的建設(shè)，打通了電子實習與課外實踐，普及了機器人技術(shù)及創(chuàng)客文化，促進了跨學科創(chuàng)新型工程人才的培養(yǎng)，為其他高校建設(shè)創(chuàng)客基地提供了借鑒。創(chuàng)客人才培養(yǎng)是一項系統(tǒng)工程，如何進一步優(yōu)化育人環(huán)境，支持更多自選主題，以及將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為有競爭力的產(chǎn)品，將是下一階段的重要任務。

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Construction of Robotic Maker Platform by Course Contest Combining

CHENXin-bing,LONGXiao-li,CHENHong,XIEBin-sheng,ZHANGFang-ying

(Lab Center, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

To implement the strategy of innovation-driven development, how to cultivate maker talents becomes an important subject for universities and colleges. Taking Guangzhou University as an example, the role of maker concepts in innovation and entrepreneurship education is expounded. Started with electronic practice teaching designs related to extracurricular innovation, how to integrate resources and build an integrated robotic maker platform is presented in this paper. Furthermore, measures for course contest combining are introduced in the aspect of platform construction, electronic practice, production practice and extracurricular innovation, which make robots popular and lead to innovative robots design based on traced cars. As a result, entry and universal problem is solved，and students’ engineering ability and creative ability promoted, so more and more interdisciplinary innovative talents are cultivated.

electronic practice; maker education; talents cultivating; teaching designs; robots

2015-10-12

廣東省教育教學成果獎(高等教育)培育項目(粵教高函[2015]72號,30)；廣州市高等學校第六批教育教學改革項目(穗教高教[2014]34號,17) ；廣州市教育科學“十二五”規(guī)劃項目(2013A051，2013A038)

陳新兵(1978-)，男，河南遂平人，碩士，實驗師，電子信息實驗室副主任，研究方向：電類實踐課程的教學、建設(shè)與管理工作。

Tel.：18922168183； E-mail：chenapple@gzhu.edu.cn

G 642.0

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1006-7167(2016)09-0181-04