吳振宇， 劉禹彤， 馮 林

(大連理工大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，遼寧 大連 116024)

機(jī)器人實踐教學(xué)體系改革探索

吳振宇， 劉禹彤， 馮 林

(大連理工大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，遼寧 大連 116024)

機(jī)器人實踐教學(xué)涉及電子、自動化、機(jī)械等多個學(xué)科，是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的有效平臺。以大連理工大學(xué)機(jī)器人創(chuàng)新實踐教學(xué)體系為例，探究機(jī)器人實踐教學(xué)模式對大學(xué)生創(chuàng)新能力的影響，針對高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的熱點，提出貼合實際的、可復(fù)制的機(jī)器人實踐教學(xué)改革模式。通過建立深度廣度結(jié)合、軟件硬件結(jié)合、科技創(chuàng)業(yè)結(jié)合的“三結(jié)合”科學(xué)化教學(xué)體系，構(gòu)造“實訓(xùn)型”集約化教學(xué)平臺和“產(chǎn)學(xué)研”一體化教學(xué)鏈條，形成較完整的高校機(jī)器人創(chuàng)新實踐教學(xué)體系的改革，進(jìn)而為大學(xué)生提供一個協(xié)同創(chuàng)新的發(fā)展平臺，達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才、服務(wù)社會發(fā)展的目的。實踐證明，改革后的機(jī)器人創(chuàng)新實踐教學(xué)方法可有效提升教學(xué)質(zhì)量和大學(xué)生的科技創(chuàng)新能力。

機(jī)器人教學(xué)； 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)； 教育改革； 教學(xué)研究

0 引 言

培養(yǎng)和提升大學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，是國家對高校的基本要求，有助于服務(wù)創(chuàng)新型社會，助推國家的創(chuàng)新發(fā)展。機(jī)器人教學(xué)實踐課程被現(xiàn)代教育學(xué)家認(rèn)為是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力和想象力的有效活動[1]，結(jié)合了電子、自動化、機(jī)械、計算機(jī)等前沿學(xué)科，覆蓋多學(xué)科知識交叉、技術(shù)融合的教學(xué)領(lǐng)域，能夠很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為此，加強(qiáng)高校機(jī)器人實踐教學(xué)體系建設(shè)，有利于培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)意思維、創(chuàng)新意識和創(chuàng)業(yè)能力，正逐步成為推進(jìn)高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革較為重要的切入口之一。

1 國內(nèi)外機(jī)器人教學(xué)現(xiàn)狀

機(jī)器人實踐教學(xué)在發(fā)達(dá)國家的高校中開展較為普遍。

美國高校普遍開設(shè)機(jī)器人課程，并鼓勵學(xué)生積極參加相關(guān)競賽。MIT開設(shè)《認(rèn)知機(jī)器人學(xué)》《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論》等課程，要求學(xué)生完成實驗設(shè)計，并組織學(xué)生參加自控機(jī)器人設(shè)計競賽、機(jī)器人編程競賽等活動[2]。

日本多數(shù)高校都設(shè)有高水平機(jī)器人研究會，通過定期舉辦機(jī)器人設(shè)計、制作競賽，鼓勵和促進(jìn)機(jī)器人教育、機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)品的不斷發(fā)展。

英國、新加坡等國也相繼出臺了一系列措施促進(jìn)本國機(jī)器人教育發(fā)展的政策，希望通過機(jī)器人實踐教學(xué)帶動機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展，進(jìn)而實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級，推動經(jīng)濟(jì)可持續(xù)增長[3]。

意大利特倫托大學(xué)理學(xué)院將樂高機(jī)器人引入計算機(jī)專業(yè)的研究生課程。學(xué)生利用嵌入式開發(fā)、模式識別等課程知識，實現(xiàn)模式識別或人工智能的相關(guān)算法及應(yīng)用，成為極受學(xué)生歡迎的課程[4]。

國內(nèi)高校中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、北京航天航空大學(xué)、北京理工大學(xué)等學(xué)校，都在機(jī)器人專業(yè)教學(xué)以及機(jī)器人創(chuàng)新教學(xué)上取得了一定的進(jìn)展[4]。南京郵電大學(xué)將機(jī)器人教學(xué)的相關(guān)研究引入本科畢業(yè)論文設(shè)計方向，吸引了很多畢業(yè)生在機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域開展研究[5]。西安科技大學(xué)構(gòu)建了“機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)基地”，在實踐過程中培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力與合作能力[6]。廣州大學(xué)為學(xué)生建立了以機(jī)器人技術(shù)為載體的創(chuàng)新實踐教育平臺，普及機(jī)器人技術(shù)知識，指導(dǎo)學(xué)生參加全國機(jī)器人大賽[7]。

隨之興起的各類機(jī)器人競賽通過逐年的發(fā)展，也達(dá)到了以賽促學(xué)的目的。近年來相繼舉辦的“全國大學(xué)生機(jī)器人大賽”“中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽”等一系列機(jī)器人實踐競賽，以及在競賽同期舉辦的機(jī)器人展覽、相關(guān)論壇等，為參賽學(xué)生及指導(dǎo)教師提供經(jīng)驗交流、互相學(xué)習(xí)的平臺。教材方面，已經(jīng)出版的《仿人機(jī)器人》《論機(jī)器人教育》《機(jī)器人教育:現(xiàn)狀、問題與推進(jìn)策略》等教材也反映了我國高校在機(jī)器人教育研究上取得的成果。

然而，我國高校的機(jī)器人實踐教學(xué)仍處于起步階段，仍然存在學(xué)科歸屬不清晰、教學(xué)體系不成熟等方面的問題，且大部分學(xué)校并沒有獨立開設(shè)機(jī)器人相關(guān)的學(xué)科專業(yè)[8]，與之相關(guān)的實踐教學(xué)平臺更是少之又少。為此，本研究將從實際教學(xué)工作中總結(jié)機(jī)器人實踐教學(xué)規(guī)律，提出對實踐教學(xué)體系較完善的建議，建立可復(fù)制的立體化機(jī)器人創(chuàng)新實踐教學(xué)體系，為兄弟院校機(jī)器人教育工作提供借鑒，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供思路和保障。

2 機(jī)器人創(chuàng)新實踐教學(xué)體系建設(shè)

鑒于機(jī)器人實踐教學(xué)對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的必要性和重要性，研究將針對機(jī)器人實踐教學(xué)過程中存在的問題提出有效方法，建立合理的機(jī)器人創(chuàng)新實踐教學(xué)體系，從而達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才、服務(wù)國家創(chuàng)新發(fā)展的重要目的[9]。

2.1 教育體系分層次 深度廣度相結(jié)合

機(jī)器人實踐教學(xué)工作是一項由淺入深、環(huán)環(huán)相扣的滲透過程，每一個階段的學(xué)習(xí)都尤為重要，每一項機(jī)器人實踐教學(xué)活動都離不開扎實的學(xué)習(xí)過程。因此，合理設(shè)計創(chuàng)新實踐教學(xué)體系，明確階段任務(wù)是機(jī)器人創(chuàng)新實踐教學(xué)工作中亟待解決的重要問題。

目前的機(jī)器人創(chuàng)新實踐教學(xué)體系存在學(xué)生基礎(chǔ)薄弱、競賽目的突出、專業(yè)要求苛刻等顯著問題。本研究將以實際教學(xué)工作為基礎(chǔ)，以研究深度、廣度相結(jié)合的立體化教學(xué)體系為目標(biāo)，以“零基礎(chǔ)”“有興趣”“肯鉆研”的大學(xué)生為對象，逐步實施研究的各項工作[10]。以我校機(jī)器人創(chuàng)新實踐教學(xué)開展情況為例，學(xué)校依托創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院開設(shè)機(jī)器人創(chuàng)新實踐班，學(xué)生入學(xué)后在實踐班開展為時3年的機(jī)器人相關(guān)知識學(xué)習(xí)。本文總結(jié)多年的創(chuàng)新實踐教學(xué)一線經(jīng)驗，將該3年的教學(xué)工作分為3個階段。

第一階段寬口徑基礎(chǔ)課程教學(xué)。學(xué)生主要學(xué)習(xí)“機(jī)電實踐基礎(chǔ)”“電路設(shè)計”“模擬電路”等必修課程，培養(yǎng)工科思維，初步掌握機(jī)器人設(shè)計的基礎(chǔ)知識；通過“Protel設(shè)計”“運(yùn)算放大器實踐”“功率放大器設(shè)計”等實踐課程，掌握電路設(shè)計及應(yīng)用的基本流程，并熟悉常規(guī)設(shè)備及測試儀器的使用流程。

第二階段針對性專業(yè)知識教學(xué)。學(xué)生學(xué)習(xí)“機(jī)電設(shè)計與應(yīng)用”“C語言程序范例設(shè)計”“單片機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)”等具有較強(qiáng)專業(yè)性的課程，并參加“LED炫彩光立方”“電機(jī)調(diào)速實踐”“簡易循跡小車”等實踐課的學(xué)習(xí)，熟悉傳感器、系統(tǒng)接口及驅(qū)動模塊等，熟練掌握機(jī)器人設(shè)計的基本技能。

第三階段個性化專項系統(tǒng)教學(xué)。學(xué)生根據(jù)自身興趣，選擇智能車、仿生機(jī)器人、六足機(jī)器人等方向進(jìn)行個性化學(xué)習(xí)，教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)學(xué)生完成精細(xì)化的系統(tǒng)研究工作和實踐內(nèi)容，使學(xué)生可以獨立解決實際問題，參與機(jī)器人設(shè)計項目。

整個課程安排體現(xiàn)CDIO工程理念，以實踐為主，精選與機(jī)器人設(shè)計各階段相關(guān)的應(yīng)用知識點構(gòu)建理論課，每個知識點都有相應(yīng)的多個設(shè)計及實踐環(huán)節(jié)支撐，理論與實踐緊密結(jié)合，保證學(xué)以致用、融會貫通。這種軟件與硬件結(jié)合、理論與實踐結(jié)合、深度與廣度相結(jié)合的教學(xué)方式能夠在尊重學(xué)生興趣的基礎(chǔ)上，為學(xué)生更深入的學(xué)習(xí)奠定堅實基礎(chǔ)。圖1為機(jī)器人教學(xué)體系的架構(gòu)框圖。

圖1 機(jī)器人教學(xué)體系架構(gòu)

2.2 課程建設(shè)抓基礎(chǔ) 軟件硬件相結(jié)合

機(jī)器人創(chuàng)新實踐教學(xué)體系是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，既要求學(xué)生具備強(qiáng)大的理論功底，又要求學(xué)生具有一定程度的實踐能力。因此，軟件、硬件相結(jié)合的創(chuàng)新實踐教學(xué)工作在機(jī)器人教學(xué)體系中的地位至關(guān)重要[11]。

軟件硬件相結(jié)合的課程基礎(chǔ)建設(shè)主要集中在第一階段，即入學(xué)教育階段。此時學(xué)生基礎(chǔ)薄、動手能力弱、可塑性強(qiáng)，最適合打基礎(chǔ)、學(xué)本領(lǐng)。這個階段的實踐教學(xué)任務(wù)主要為開展能夠吸引學(xué)生興趣的、具有較強(qiáng)參與度的課程，而軟、硬件結(jié)合的教學(xué)模式能夠很好解決這一問題[12]。例如，學(xué)生通過參與單片機(jī)課程設(shè)計，對電路板的焊接原理有所掌握，參與程序調(diào)試過程強(qiáng)化軟件基礎(chǔ)，通過基礎(chǔ)課程中簡單、有趣的課程設(shè)計，感受機(jī)器人教學(xué)的魅力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，幫助其度過跨學(xué)科學(xué)習(xí)枯燥、艱難的入門過程[13]。

2.3 校企合作添活力 科技創(chuàng)業(yè)相結(jié)合

通過上述兩項“結(jié)合”的共同教學(xué)，學(xué)生具備一定理論功底和實踐能力，以此為基礎(chǔ)，可以更好地將“產(chǎn)學(xué)研”工作進(jìn)行結(jié)合。通過校企聯(lián)合的創(chuàng)新實踐平臺，學(xué)生可將所學(xué)的理論基礎(chǔ)與實踐經(jīng)驗應(yīng)用到實際的企業(yè)項目中，通過實踐檢驗學(xué)習(xí)成效，實踐創(chuàng)新想法，從而達(dá)到提升學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)創(chuàng)新思維的目的。

以我院機(jī)器人實驗室為例，在校企聯(lián)合建立的“3E Research Robot Lab”中，學(xué)生利用所學(xué)自主研究了創(chuàng)新實踐產(chǎn)品——隧道巡檢機(jī)器人。在研發(fā)過程中，教師通過實踐教學(xué)指導(dǎo)學(xué)生完成創(chuàng)新產(chǎn)品的制作，企業(yè)通過創(chuàng)新實踐平臺研發(fā)適應(yīng)市場需求的創(chuàng)新產(chǎn)品，學(xué)生通過實踐提升創(chuàng)新能力，實現(xiàn)個性化創(chuàng)新設(shè)計，將所學(xué)技能應(yīng)用于自主創(chuàng)業(yè)。

3 實施方案

3.1 建立“三結(jié)合”科學(xué)化教學(xué)體系，提升學(xué)生科研能力

(1) 梳理體系內(nèi)容。以機(jī)器人創(chuàng)新實踐教學(xué)的三個階段為載體，逐層梳理課程之間的邏輯關(guān)系。建立由淺入深的教學(xué)體系，盡量使學(xué)生能夠接受所學(xué)課程，避免由于學(xué)科交叉導(dǎo)致的概念缺失問題。

(2) 設(shè)計體系層次。針對三個不同階段，分別設(shè)置不同層次的創(chuàng)新實踐教學(xué)內(nèi)容。對于第一階段的基礎(chǔ)課，明確學(xué)生必須掌握的教學(xué)內(nèi)容，關(guān)閉與學(xué)生未來學(xué)習(xí)階段掛鉤并不緊密的課程，增加實踐課時，培養(yǎng)學(xué)生興趣。對于第二階段的專業(yè)課，明確不同研究方向所需的專業(yè)知識，避免學(xué)無所用的現(xiàn)象。對于第三階段，加強(qiáng)針對性教學(xué)，指導(dǎo)學(xué)生完成從入門到精通的蛻變，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

(3) 嘗試體系教學(xué)。對學(xué)生進(jìn)行試點教學(xué)。運(yùn)用改革后的教學(xué)體系指導(dǎo)學(xué)生完成學(xué)業(yè)，及時觀察各環(huán)節(jié)實施過程中存在的問題。

(4) 修正體系缺陷。對實施中遇到的問題及時總結(jié)，形成“發(fā)現(xiàn)問題及時修正-重新梳理內(nèi)容體系-重新設(shè)計體系層次-重新投入教學(xué)實踐-再修正”的循環(huán)過程，最終達(dá)成符合實際情況、育人效果明顯的機(jī)器人教學(xué)體系。

3.2 完善“實訓(xùn)型”集約化教學(xué)平臺，培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才

(1) 整合平臺資源。整合機(jī)器人實驗室資源，對功能重復(fù)的實驗室進(jìn)行細(xì)分和重組，強(qiáng)化不同實驗室的特色，通過分層的方法對參與實驗的學(xué)生進(jìn)行分流，實現(xiàn)各個實驗室平臺間的聯(lián)動。

(2) 建立管理機(jī)制。為保障機(jī)器人教學(xué)平臺的集約化工作，建立管理機(jī)制，對平臺的設(shè)備管理制度、人員管理制度、獎懲制度、安全制度等進(jìn)行明確規(guī)定，保障平臺建設(shè)有序推進(jìn)。

(3) 加強(qiáng)實訓(xùn)功能。引進(jìn)國內(nèi)外先進(jìn)教學(xué)理念和教學(xué)設(shè)備，增加學(xué)生在教學(xué)平臺中的實踐課時，培養(yǎng)動手能力，使學(xué)生能夠感受科技的魅力，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，通過逐步深入的實訓(xùn)課程，加深對機(jī)器人課程的理解和掌握[14]。

3.3 實現(xiàn)“產(chǎn)學(xué)研”一體化教學(xué)鏈條，促進(jìn)學(xué)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)

建立“產(chǎn)學(xué)研”一體化宏觀局面，培養(yǎng)教師全局意識，明確三個學(xué)習(xí)階段的培養(yǎng)目標(biāo)，服務(wù)“產(chǎn)學(xué)研”一體化鏈條。向教師明確培養(yǎng)目標(biāo)，即以市場需求為導(dǎo)向，在機(jī)器人教學(xué)過程中培養(yǎng)適應(yīng)社會需求、具備學(xué)習(xí)能力、擁有競爭優(yōu)勢的學(xué)生，為學(xué)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)的夢想鋪平道路[15]。

(1) 強(qiáng)化優(yōu)質(zhì)生源工程——學(xué)。通過機(jī)器人夏令營、舉辦機(jī)器人競賽、路演展示等活動形式設(shè)計，擴(kuò)大機(jī)器人教學(xué)工作的認(rèn)可度和關(guān)注度，挖掘優(yōu)質(zhì)生源的同時注重學(xué)生的梯隊建設(shè)和興趣培養(yǎng)；面向全校開設(shè)《走近機(jī)器人》選修課，吸引優(yōu)秀學(xué)生加入機(jī)器人創(chuàng)新實踐班。

(2) 加強(qiáng)師資隊伍建設(shè)——研。培養(yǎng)師資隊伍的宏觀意識，鼓勵教師參加機(jī)器人相關(guān)競賽、論壇、活動，開拓教師專業(yè)思維。同時優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)教師專長，爭取在機(jī)器人教學(xué)的不同方向都能培養(yǎng)出基礎(chǔ)牢固、素質(zhì)過硬、能力突出的授課教師，指導(dǎo)學(xué)生研究。

(3) 開辟聯(lián)合培養(yǎng)模式——產(chǎn)。以機(jī)器人相關(guān)企業(yè)為切入點，加強(qiáng)校企合作[16]，與企業(yè)簽訂聯(lián)合培養(yǎng)協(xié)議，將優(yōu)秀學(xué)生推薦到相關(guān)企業(yè)實習(xí)、工作，同時針對企業(yè)需求，鼓勵學(xué)生自行組隊，在老師的指導(dǎo)下形成解決方案，從而解決實際問題，積累項目經(jīng)驗[17]。

4 結(jié) 語

本文論述了國內(nèi)外機(jī)器人創(chuàng)新實踐教學(xué)工作的現(xiàn)狀及特點，對我國機(jī)器人創(chuàng)新實踐教學(xué)體系建設(shè)提出了基于實踐經(jīng)驗的思考，為深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革提供了切實可行的實施方案。未來，研究將以此為基礎(chǔ)，在大連理工大學(xué)推進(jìn)機(jī)器人創(chuàng)新實踐教學(xué)工作進(jìn)行改革，培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才，推動“大眾創(chuàng)業(yè) 萬眾創(chuàng)新”局面的形成。

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Exploration on the Reform of the Teaching System of Robot in Colleges and Universities

WUZhenyu,LIUYutong，F(xiàn)ENGLin

(School of Innovation and Entrepreneurship, Dalian University of Technology，Dalian 116024， Liaoning, China)

Robot practice teaching which is related to electronics, automation, mechanics and other relevant subjects is an effective platform for cultivating college students' innovative practice ability. Taking robot innovation and practice teaching system of Dalian University of Technology as example, we explore the robot teaching pattern’s influence on students’ innovation capability. Based on the reformation hot points of colleges and universities’ innovation and entrepreneurship education, we propose actual and repeatable reformation model of robot practice teaching. By building up the depth and breadth combination, software and hardware combination, technological and innovation combination, this three-in-one combination scientific teaching system, practical intensification teaching platform and industry-university-research cooperation teaching, we complete the reform of teaching system of college robot innovation practice, offer students a co-innovation developing platform. Based on this platform, we achieve the purpose of train creative students and service the society. Practice has proved that this method can effectively improve the teaching quality and students' innovation ability.

robot education; innovation and entrepreneurship; education reform; teaching research

2016-06-13

以機(jī)器人教學(xué)體系為基礎(chǔ)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育平臺建設(shè)研究(遼寧省2016教改專項)，大連理工大學(xué)國家級協(xié)同中心支持項目；以機(jī)器人教學(xué)體系為基礎(chǔ)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育平臺建設(shè)研究(遼寧省2016教改專項)；遼寧重大協(xié)同創(chuàng)新任務(wù)支持項目

吳振宇(1971-) ，男，甘肅定西人，博士，副教授，大連理工大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院副院長，主要從事機(jī)器人及嵌入式技術(shù)應(yīng)用等方面的教學(xué)與科研工作。

Tel.：13942650532；E-mail:zhenyuwu@dlut.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)06-0192-04