李修寒，朱松盛，段 磊，王 偉

（南京醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程與信息學院 江蘇 南京 211166）

當今世界，新一輪科技創(chuàng)新進入空前密集活躍的時期，學科之間、科學和技術之間、技術之間、自然科學和人文社會科學之間日益呈現(xiàn)交叉融合趨勢，促使高等教育方式方法發(fā)生深刻變革。在新工科背景下，生物醫(yī)學工程專業(yè)作為多學科交叉融合的典型代表，在豐富創(chuàng)新人才培養(yǎng)方式、拓展理論向?qū)嵺`轉(zhuǎn)化途徑等方面具有先天優(yōu)勢。自南京醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程專業(yè)成立至今，在學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)方面，構建并探索實施了“多元認知，貫通實踐，深度拓展”三維模塊化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)體系。該專業(yè)依托大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐教育中心平臺，引導學生參與各類科技競賽。在各類科技競賽中，機器人競賽因具有各種層次難度級別，為不同學校、學生提供了更多選擇的機會。立足不同專業(yè)、年級，選擇適合的機器人項目，既激發(fā)了學生的主觀能動性和學習熱情，又推動學生創(chuàng)新能力的提高。本文針對近年來機器人競賽組織、培訓等經(jīng)驗進行總結(jié)，探索如何通過機器人競賽促進知識融合、進行創(chuàng)新能力培養(yǎng)實踐研究。

1 結(jié)合機器人競賽，促進知識融合，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

傳統(tǒng)重理論、輕實踐的教學模式，造成了學生所學課程知識相互割裂，知識相互難融合，從而抑制了學生創(chuàng)新能力的提升。在新工科交叉融合創(chuàng)新的背景下，如何根據(jù)生物醫(yī)學工程人才培養(yǎng)方案、課程體系，培養(yǎng)學生的動手實踐能力、創(chuàng)新能力成為當前教學研究的一個重要課題。機器人競賽由于涉及學科知識、能力、素質(zhì)較多，需要多學科、跨專業(yè)的學習以及良好的專業(yè)素質(zhì)和心理素質(zhì)支撐。扎實的理論知識和實踐知識積累以及個人能力和團隊合作能力的搭配，使得機器人競賽成為促進學生知識融合、培養(yǎng)創(chuàng)新能力的載體，如圖1 所示。

1.1 促進多學科知識融合和跨專業(yè)能力培養(yǎng)

機器人競賽包含較多類別和項目，以江蘇省大學生機器人大賽為例，其涵蓋?？疹?、對抗類、工程類、健康服務與智慧城市類、競技運動類和其他類型6 個大類共34 個項目。每個項目考察領域各有側(cè)重點，除了涉及數(shù)學、物理、機械、計算機等常規(guī)課程知識，往往還涉及人工智能、電子技術、傳感器、自動控制與規(guī)劃、圖像識別與處理、無線通信等一系列新技術。學校以機器人競賽為平臺，立足具體賽項，以互動交流、個人自學、教師培訓指導等與具體實踐相結(jié)合，幫助學生獲得多學科知識的融合和跨專業(yè)能力的提升，從而進一步提升學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

1.2 促進專業(yè)素質(zhì)和心理素質(zhì)的提升

機器人競賽不單對學生的專業(yè)素質(zhì)有著很高的要求，還考驗著學生的心理素質(zhì)。在機器人競賽培訓期間，學生需要通過學習比賽項目所需的各項專業(yè)理論知識提高自身的專業(yè)素質(zhì)，只有具備了相關專業(yè)素質(zhì)，才能在機器人構建過程中具備正確認識問題、解決問題的能力，才能不斷完善機器人的功能。由于機器人競賽培訓周期長，在培訓期間除了需要克服在解決專業(yè)問題期間的心理浮動，還要克服外界因素的影響，這使學生心理素質(zhì)得到較好的鍛煉。此外，在機器人比賽期間，比賽現(xiàn)場機具緊張性，學生只有具備了專業(yè)素質(zhì)和心理素質(zhì)才能在現(xiàn)場靈活處理各種問題，通過對比多屆學生發(fā)現(xiàn)，參加過機器人競賽的學生的專業(yè)素質(zhì)和心理素質(zhì)均得到了很大的提升。

1.3 促進理論知識與實踐知識的融合

理論知識的掌握需要實踐來驗證，而實踐的開展則以理論知識為依托，兩者相輔相成，缺一不可。由于傳統(tǒng)教育中實踐知識的缺乏，學生在處理實際問題時無從下手、猶豫不決，失去解決問題的自信心。機器人競賽作為既需要理論知識又需要實踐知識的競賽活動，對促進學生理論知識與實踐知識的相互融合起到了極大的幫助。學生全程參與其中，不只學會了查閱資料、自主學習，提高了分析問題、解決問題的能力，還學會了綜合設計、系統(tǒng)優(yōu)化，使得理論知識、實踐知識和理論聯(lián)系實踐的能力得到了進一步提升，做到了從單一學習方法到思維方式的轉(zhuǎn)變，對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起著決定性作用。

1.4 促進個人能力和團隊合作能力的同步提升

由于機器人競賽項目的復雜性，即便個人能力很強的學生往往也無法完成全部的工作及任務，因此機器人競賽基本以團隊形式參賽。在機器人競賽參賽過程中，個人需要全身心投入其中，通過學習機械構造、傳動、無線通信、傳感器、編程等知識補足短板。對于多種多樣的知識，不同學生學習各有側(cè)重，從大方向上可分為硬件和軟件兩個類別，為了團隊之間合作的通暢，負責硬件部分的學生除了要對硬件了如指掌，還要對軟件有初步的掌握，負責軟件部分的學生亦然。只有這樣，才能在知識體系中架起溝通的橋梁，才能順暢實施方案，完成整體的架構。團隊合作不單體現(xiàn)在知識、能力層面，保持輕松愉快的團隊氛圍，也體現(xiàn)在人與人溝通交流、情商層面。通過機器人競賽，學生個人能力和團隊合作能力在競賽期間得到了極大的提升。

圖1 機器人競賽促進知識融合、培養(yǎng)創(chuàng)新能力

2 結(jié)合機器人競賽，構建穩(wěn)定的組織體系

在醫(yī)學院校中，生物醫(yī)學工程作為其中極少數(shù)的工科專業(yè)，在組織機器人競賽過程中會遇到更多的問題和困難，表現(xiàn)為學校的重視程度相對不夠、可選拔參賽的學生人數(shù)和學生能力水平有限。學校的重視程度直接影響著經(jīng)費的支持力度，機器人競賽同其他科技競賽相比，對經(jīng)費的支持保障力度要求更高，因此，學校教務部門的支持對順利開展機器人競賽至關重要。

機器人競賽組織過程涉及比賽項目的選擇、人員選拔安排、培訓等環(huán)節(jié)。機器人競賽項目的選擇應充分考慮參賽學生的潛在最大能力范圍以及學生各項能力是否全面。除此以外，專業(yè)涉及課程知識和相關費用預算也要綜合考慮。南京醫(yī)科大學在前幾屆組織學生參賽的過程中，充分考慮經(jīng)費預算的不足和學生、指導教師參賽經(jīng)驗的匱乏，在學生組隊安排上，以一位研究生為隊長，三、四年級本科學生為隊員，組成5 人的隊伍。隨著比賽項目經(jīng)驗的累積以及學校、學院經(jīng)費支持力度的增加，隊員逐漸變?yōu)橐远昙壉究粕鸀橹黧w，輔以個別一年級或其他非工科專業(yè)，一年級本科生雖在第一次參賽過程中為輔助角色，但可以在第二年參賽中憑借其擁有的經(jīng)歷和經(jīng)驗，充當主力或隊長角色，從而實現(xiàn)承接作用。現(xiàn)如今，經(jīng)過多年的累積，不斷弱化指導教師在競賽中的角色，實現(xiàn)以參賽隊員為主體，通過相關能力、素質(zhì)的提高，充分主導競賽進程，指導教師只在學生選拔、培訓前期以及經(jīng)費保障上提供支持。

機器人競賽的規(guī)則每年會有不同程度的調(diào)整，但不管調(diào)整幅度大小，都本著培養(yǎng)學生、鍛煉學生的目的。往屆機器人所有硬件結(jié)構都將拆散到最小單元，所有軟件程序都將重新編寫。在拆散硬件結(jié)構過程中，學生可以學習借鑒往屆比賽中優(yōu)秀的結(jié)構構件，后期在此基礎上繼續(xù)優(yōu)化。只有這樣，才能既實現(xiàn)比賽經(jīng)驗的傳承，又實現(xiàn)學生能力的培養(yǎng)。

隨著參賽經(jīng)驗的累積和機器人項目的不斷發(fā)展，在比賽項目的選擇上由一個項目向多個項目參賽的轉(zhuǎn)變，以江蘇省大學生機器人大賽為例，參賽項目由單獨對抗類項目向?qū)诡惣痈偧歼\動類項目轉(zhuǎn)變。

3 結(jié)語

自2015 年首次參加江蘇省大學生機器人大賽以來，南京醫(yī)科大學陸續(xù)組織學生參加了中國機器人技能大賽、中國教育機器人大賽。截至2021 年底，學校共組織27 支學生團隊參加機器人競賽，獲得一等獎9 項，二等獎11 項，三等獎7 項，并有兩位指導教師獲得優(yōu)秀指導教師的榮譽稱號。通過機器人競賽，學生理論聯(lián)系實際的能力得到了提高，促進了知識相互融合，提高了學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。在培養(yǎng)學生的過程中，教師的專業(yè)技術能力也得到了很大程度的提高，實現(xiàn)了師生的共同進步。