基于機器人活動的交通設備與控制工程專業大學生創新能力培養模式

劉 峰魏 明 馬愛民

（1.南通大學交通學院，江蘇 南通 226019；2.南通大學體育科學學院，江蘇 南通 226019）

0 引言

黨的十八大提出實施創新驅動發展戰略，并強調科技創新是提高社會生產力和綜合國力的戰略支撐，必須擺在國家發展全局的核心位置，通過科技創新推動改革。高校是科技創新的主陣地，大學生創新意識和創新能力的培養已成為各高校教育教學的主要抓手。

機器人活動是典型的機電一體化技術，囊括了機械、電子、計算機、自動控制、傳感器、通信、人工智能等學科的尖端技術，是一門跨專業、多學科交叉且高度綜合的新興事物。它具有創造性、趣味性、觀賞性和對抗性等特點，是在學生具備基礎能力的前提下，綜合運用多學科知識，給學生廣闊的發揮空間，提高學生的創新能力。機器人研究正處于不斷完善、不斷出新、不斷深入的動態研究之中，這些未知領域也恰恰是大學生們的興趣點所在。

筆者于2008年開始管理、指導學校機器人實踐創新團隊，從08年開始，連續7年參加了中國機器人大賽暨RoboCup公開賽。該項賽事是中國最具影響力、最權威的機器人技術大賽、學術大會和博覽盛會。7年來，我校代表隊一共獲得冠軍15項、亞軍12項、季軍7項。本文以實際指導與參賽的經驗，就我校新設的交通設備與控制工程專業大學生創新能力培養進行探討。

1 交通設備與控制工程專業情況

交通設備與控制工程專業為工科學科特設專業，主要培養適應國家交通運輸設備現代化、智能交通工程建設的需要，具備交通設備、信息及控制工程方面專業知識與應用能力，能從事交通領域設備研發、設計、制造、智能交通系統集成、維護、運行管理的應用性高級工程技術人才。目前全國僅有10所左右的高校開設了此專業。我校交通設備與控制工程專業于2011年開始招生，目前有在校生191人。作為工科專業，學院十分重視學生創新能力、動手實踐能力的培養，并將機器人活動作為抓手，促進學生素質全面提升。

2 機器人活動培養學生創新能力的優勢

2.1 機器人活動營造良好的校園科技創新氛圍

機器人活動豐富了同學們的課余文化生活，培養了同學們科技創新的濃厚興趣，它作為一種參與面極廣的大學生課外科技創新活動，能讓同學們將平時所學的課本理論知識應用于實踐活動，同時又擴大了知識面。特別是校團委每年一度的大學生科技節開幕式上的展演，把每年參加全國賽、省賽的獲獎作品予以宣傳展示，邀請相關指導教師開展機器人制作系列講座，邀請獲獎學生代表分享參賽心得等，營造良好的校園科技學術氛圍，使得機器人活動被廣大同學所了解、喜愛。

2.2 機器人活動激發學生的學習興趣

在對交通設備與控制工程專業學生專業學習情況的調研中發現，學生對于自己所學的專業認識迷茫，方向不清楚，自然學習的興趣不濃、動力不足。對于開設的很多專業課程，他們并不清楚課程的重要性，更談不上靈活運用。有些十分重要的課程同學們感覺比較枯燥無味，難以理解，無的放矢。課堂教學和固定模式的試驗并不能激發他們的學習興趣，教學效果也不是很好。機器人團隊的學生普遍反映，通過機器人活動，他們不僅鞏固了學習過的課程，而且能將所學的課程與實際運用相結合，有助于他們理解知識點、掌握知識點。同時還具備了圍繞具體的制作項目，搜集資料、自學新知識的技能。

2.3 機器人活動的各項賽事有完整的比賽規則

中國機器人大賽暨RoboCup公開賽已成功舉辦了15屆，比賽規則完備，自始至終均保持著公平、公正的競賽原則，除個別項目是通過評委打分來評判成績之外，絕大多數項目是通過計時、計分等方式公正客觀的來分出勝負，對于結果令人信服。在這樣一個公平公正的全國大賽的競技場上，參賽學生不受任何不良因素的干擾，不存在任何找關系、開后門等社會不良風氣，只需關注自身機器人的穩定性，展現自己的設計成果和創新做法。

3 機器人活動促進學生多方面能力的提高

3.1 機器人活動提高學生的工程實踐能力

每個機器人都是一個復雜的機電產品，它既是設計出來的，更是制造出來的，好的設計不見得就是好的產品，一個好的產品既依賴于好的設計、制造，也依賴于好的項目管理、質量控制等，這一切都依賴于對于過程的實踐，它需要經驗的積累，時間的考驗。[1]同學們在機器人作品的設計制作過程中，通過反復觀察、實踐、總結來掌握核心技術、解決棘手問題，為解決工程實際問題打下基礎。

在2013年的比賽中，我們進入決賽的一臺旅游機器人在賽前適應場地的時候出現了問題，整臺車處于不工作的狀態，經過隊員反復檢測，發現主控板被燒掉，更換主控板需要把整臺車全部拆掉，此時距離決賽開始還有20分鐘，除了要將另外一臺車上的主控板拆下換掉燒壞的主控板之外，還要留有時間適應場地。同學們齊心協力，拆車的拆車，焊接的焊接，編程的編程，緊張的15分鐘之后，整車裝備完畢，開始調試，最終我們獲得冠軍，同學們欣喜若狂。這與同學們在日常實際訓練時，主動將所學課程知識融會貫通，綜合運用，具備了一定的工程意識和工程實踐能力分不開。

3.2 機器人活動培養學生團隊協作的精神

團隊協作精神是當今社會衡量大學生個人素質的重要因素，作為一個機器人活動小組成員，他們來自不同的年級、不同的專業，各自的特長也不盡相同，有的擅長硬件制作，有的擅長軟件編程，在日常的訓練比賽中，難免會出現意見不統一，方法不一致的情況，這就更需要團隊的相互協作、各司其職。有時我們也會發現，出現問題之后，隊員間相互埋怨，缺乏理解、溝通，嚴重影響了機器人的創作進程。經過指導教師的勸解、調節，促使他們走到相互協作的軌道上來，讓同學們意識到只有團隊合作才能順利完成設計、制作、訓練、參賽的任務。

3.3 機器人活動培養學生全面發展的個人品質

機器人活動綜合了多學科的知識，在選題、策略分析、制作方案、設計加工、軟硬件設計以及穩定性方面的工作量很大。同學們圍繞核心主題各抒己見的時候，促進了自己的語言表達能力的提高。

在前期驗證、中期制作、后期調試等過程中，促進了同學們思考問題、分析問題和解決問題的能力提高。

機器人調試時一個不斷完善、追求完美的過程，它與普通的課程設計不同，需要實踐的檢驗。所以同學們在運行調試過程中，通過反復多次的檢測、修改，努力提高機器人的性能，潛移默化地培養了同學們對待工作追求完美、精益求精的品質。

機器人活動作為一項實踐性很強的活動，對于學生的動手能力要求很高，在制作調試的過程中，一些純手工的活兒給同學們帶來了極大的挑戰。不論男生女生，熟練使用鋸子、手電鉆、烙鐵、鉗子等工具都是必須的，這對大多數獨生子女都是一個難得的生活體驗。在此過程中，加班加點也并不稀奇，熬夜通宵更是家常便飯。調試累了，趁給機器人充電的時候，抓緊時間休息一會兒。在比賽過程中，為了了解競爭對手的機器人，同學們不停地觀摩、拍攝、討論，甚至通宵改進策略。整個過程無形中培養了學生不畏艱難、吃苦耐勞的優秀品質。

4 基于機器人活動的學生創新能力培養方法實施

4.1 創建專門的機器人創新實驗室

高校想要在科技竟賽中取得好成績，就必須注重人才梯隊的培養。而依托開放性實驗室不失為一種行之有效的方法[2]。目前，由于學校學生人數較多，大部分學校的實驗室都在安排正常的實驗教學，有的甚至從早安排到晚，無法滿足學有余力的同學開展各類科技創新活動。為此，學院專門為機器人活動創建了創新實驗室，該實驗室不承擔普通實驗教學，全天候為機器人團隊成員開放。實驗室既是創新型人才的培養及選拔的基地，同時也為指導教師與學生之間的溝通提供了穩定的場所和條件。

我們將實驗室劃分為制作區、訓練區和展示區。在制作區和訓練區內，同學們可以放開手腳、充分發揮自身和團隊的聰明才智，緊密圍繞中心任務動手實踐。展示區就是機器人創新團隊的成長足跡，我們將同學們自己設計研發的機器人作品和歷年比賽的獎狀、獎杯、照片等按照時間順序進行擺放展示，記錄整個團隊成長的點滴。我們還將實驗室作為新生入學教育的陣地，盡早在他們心中點燃科技創新的火種。

4.2 組建機器人實踐創新團隊

在組建機器人實踐創新團隊的時候，我們實行“大手拉小手、左手拉右手”的管理模式，也就是整個團隊的梯隊式培養。高年級的老隊員在知識儲備、動手能力、比賽經驗等方面有一定的積累，低年級的同學加入后，由老隊員對他們進行相關內容的培訓和指導，分享自己在機器人活動過程中所積累的豐富經驗。即使今后老隊員們面臨著實習、就業、升學等問題，也不會影響整個團隊的繼續發展。此外我們還根據每個隊員的特長進行合理組隊，盡量做到每個隊中都有一名有經驗的高年級隊員，并擔任組長，帶領小隊員們進行理論學習、技術攻關、參加比賽。

4.3 充分給予學生發揮的空間

學生的創造力是無窮無盡的，在機器人的設計制作或優化改進的過程中，指導教師給予學生充分的信任，放開手腳讓同學們自行設計、改進。指導教師僅在方案制定、測試調試、策略運用上給予指導和幫助，出現問題時鼓勵學生堅持克服、樹立自信，鼓勵學生永不放棄、重整方案。使學生在機器人活動中真正成為一名設計者、而不僅僅是一名操作者。

4.4 教師的指導要把握好

總的來說，教師的指導原則是“到位不越位”，做好學生的參謀，審核設計的方案，督促制作的過程，協調團隊的管理。教師應當常去創新實驗室，抓住重點環節，給予具體建議。由于學生在實際工程設計經驗等方面不足，有的學生甚至還不會繪圖。在這種情況下，指導教師應把機器人關鍵零部件的制作和結構設計放在首位，把好重點關，使重點零部件和結構可靠、穩定、實用。指導教師還要和學生分享自己豐富的經驗，盡量爭取時間，少走彎路，提高效率。此外，指導教師還要深入研讀比賽規則，根據實際情況選擇機器人的制作、策略等，這個過程要給予足夠的重視。

5 總結

機器人活動有效的激發了學生參與科技創新活動的熱情，有利于學生將理論與實踐相結合，促進學生實際分析問題、解決問題能力的提升，是大學生創新能力、實踐能力培養的很好的切入點，為全面提升我校交通設備與控制工程專業創新人才培養的空間提供了很好載體和平臺。

［1］張東泉,等.以機器人大賽為載體 構建大學生科技創新訓練體系[J].創新與創業教育.2011,2(4).

［2］湯兆平.依托實驗室加強大學生科技競賽人才的培養[J].華東交通大學學報,2007(24).

［3］張云洲,等.基于機器人競賽的大學生創新素質培養與實踐[J].電氣電子教學學報,2007,2,29(1).

［4］胡發煥,等.以機器人大賽為契機探索大學生創新能力培養模式[J].中國電力教育,2013(28).