王成軍，沈豫浙

安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001

開展機器人教育 培養(yǎng)創(chuàng)新能力

王成軍，沈豫浙

安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001

機器人教育是學校培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的綜合平臺，是高校教育教學改革的一個切入點，也是學校創(chuàng)新教育的一種重要形式。筆者結(jié)合多年學習、研究機器人以及從事機器人教學的實踐經(jīng)驗，探索了我國高等院校開展機器人教育活動的有效途徑和方法，并介紹了安徽理工大學機器人教育的具體實踐和效果。

機器人教育；創(chuàng)新教育；創(chuàng)新能力；工程素質(zhì)

一、機器人教育

狹義的機器人教育是指以機器人相關(guān)知識和制作技能為對象的教育，包括專業(yè)理論知識教育、機器人實踐教育和機器人科技競賽等；而廣義的機器人教育概念則是指所有學習、利用機器人的相關(guān)知識和技術(shù)，進行教育效果和師生勞動方式優(yōu)化的理論與實踐活動。

機器人教育是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的綜合平臺，開展機器人教育是高校教育教學改革的一個切入點，也是學校創(chuàng)新教育的一種重要形式。它能以較少的投入（包括人力、物力、財力、時間等)取得較大的教育效果（主要指學生的知識獲得、技能形成、情感培養(yǎng)等），從而優(yōu)化教與學的效果；同時，采用機器人這種教學工具，能改善教學方式與方法，減輕師生的工作強度，縮短工作時間，提高工作效率[1]。

機器人的出現(xiàn)為學校創(chuàng)新教育提供了一個嶄新的平臺，幾乎沒有一種技術(shù)平臺比智能機器人更適合創(chuàng)新素質(zhì)教育。學校不僅可以把機器人作為一種科學教育的工具，用于提高學生的科學素養(yǎng)，還可以根據(jù)自己的實際情況開設(shè)機器人相關(guān)課程，開展各種機器人教育，普及機器人知識，以各種機器人活動來推動機器人教育的開展，培養(yǎng)滿足社會和科技發(fā)展需要的機器人相關(guān)人才。

二、開展機器人教育的有效途徑和方法

1.開設(shè)機器人相關(guān)課程，補充機器人專業(yè)知識

機器人課程可以選修課、必修課和實驗課等多種形式開設(shè)，為學生補充有關(guān)機器人的專業(yè)知識。機器人課程的難度從低到高設(shè)置，為不同年級、興趣和特長的學生提供相應(yīng)的選擇空間和學習平臺。課程內(nèi)容應(yīng)包括機器人的發(fā)展歷史、機器人基本理論、機器人術(shù)語、機器人傳感技術(shù)、機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、機器人控制和機器人數(shù)學基礎(chǔ)等內(nèi)容，同時，所開設(shè)的理論課程必須輔助以相應(yīng)的實驗課程來補充，增加學生動手操作的機會。

2.制定合理的課程評價和考核辦法

機器人課程不同于其他傳統(tǒng)課程，它是一門跨專業(yè)、高度綜合的新興技術(shù)課程，具有明顯的學科交叉性和實踐性。所以其課程評價和考核辦法也應(yīng)該和其他傳統(tǒng)課程有所區(qū)別。機器人課程的評價要注重學生在活動過程中的自我反思，多樣化的評價方式有助于全面反映學生在課程中所獲得的知識以及知識的靈活運用情況。評價可以根據(jù)學生的課程學習、實驗與設(shè)計項目的完成情況，也可根據(jù)學生的實質(zhì)性成果來進行[2]。

除了一些基于基本理論知識的常規(guī)考核外，還應(yīng)該側(cè)重于實際動手操作和創(chuàng)新制作方面的考核。如基本器件和模塊的組裝、測試、調(diào)試、策略規(guī)劃、程序編寫和測量，以及根據(jù)某些設(shè)想完成的機器人系統(tǒng)構(gòu)建和創(chuàng)新制作實踐環(huán)節(jié)的考核等。概括起來，機器人課程考核主要包括專業(yè)知識、程序編寫、調(diào)試與測量、創(chuàng)新制作四個部分，其中專業(yè)知識考核采用傳統(tǒng)的試卷考核的辦法，程序編寫、調(diào)試與測量需要在機器人實驗室選擇相應(yīng)的機器人實驗平臺完成，而創(chuàng)新制作需要學生自己動手搭建機器人系統(tǒng)，完成結(jié)構(gòu)件的設(shè)計與制作，最終成績和效果以一個實質(zhì)性的成果形式體現(xiàn)。

3.開設(shè)機器人實驗，為學生創(chuàng)設(shè)自主發(fā)揮空間

機器人實驗是對機器人專業(yè)知識理論學習的最好的補充，還可以增強專業(yè)課程學習的目的性、針對性和學習熱情，也一直深受學生的歡迎。開展機器人教育，就必須開設(shè)多種形式的機器人實驗，為學生提供機器人系統(tǒng)模塊配置、模塊設(shè)計、程序編寫、系統(tǒng)調(diào)試和創(chuàng)新制作等實踐平臺和環(huán)境，特別是那些難度系數(shù)比較高的開放性和創(chuàng)新性實驗，可以以項目的形式開展，由于每一個項目都沒有標準的和唯一的答案，學生們需要不斷的探索和研究，因而也有一個可以任其自由發(fā)揮的空間，這對培養(yǎng)學生解決工程實際問題所必需的工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力和實踐能力是一個最佳的鍛煉途徑和方法。

4.開展機器人競賽活動

開展各種機器人展示和競賽活動是一項很好的科技創(chuàng)新活動，也是普及機器人教育的一個重要途徑。它不但能夠有效地激發(fā)學生的學習和研究的興趣，而且還是一項綜合了機械、電氣、計算機、自動控制和數(shù)學等多學科的知識的綜合性訓練。對提高學生的語言表達能力、獨立分析問題和解決問題的能力、綜合運用專業(yè)知識的能力、自學能力以及團隊協(xié)作能力等都是一個比較理想的途徑。

不僅可以組織學生參加各省的機器人科技競賽，還可以參加全國性的機器人競賽，如機器人足球世界杯（RoboCup）、FIRA機器人足球賽、機器人滅火比賽、CCTV全國機器人電視設(shè)計大賽和一年一度的“廣茂達杯”中國智能機器人大賽，以及國際級別的亞太大學生機器人大賽等機器人科技競賽。更為重要的是要定期開展學校和學院級別的機器人科技競賽，吸引更多的學生參與，才能為更高級別的比賽以及機器人研究和開發(fā)培養(yǎng)和選拔更多的后備人才。

5.加強校企合作，構(gòu)建機器人產(chǎn)學研平臺

機器人生產(chǎn)商是機器人教育的一個隱性推動者，在國內(nèi)外，部分機器人課程的順利實施都得益于機器人生產(chǎn)商，特別是教育機器人和競賽機器人生產(chǎn)商的支持。機器人生產(chǎn)商為學校免費或有償提供機器人產(chǎn)品；協(xié)助學校建立機器人實驗室，開展機器人教學、研究，合作申請科研項目，合作開展相關(guān)技術(shù)研究和開發(fā)；為學校培養(yǎng)師資和學生；協(xié)助學校參加各種級別的機器人競賽。正是因為他們的積極參與，和學校建立了很好的產(chǎn)學研關(guān)系，推動著機器人教育的不斷發(fā)展。同時，由于高校的參與，也促進了企業(yè)產(chǎn)品的不斷完善和升級，使得機器人產(chǎn)品在學校和企業(yè)得到更好的推廣和應(yīng)用，形成了一種比較理想的產(chǎn)學研合作方式。

三、我校開展機器人教育的做法和實踐

智能機器人是一門跨專業(yè)和高度綜合的新型學科，是典型的光機電一體化高度集成的產(chǎn)品，它綜合應(yīng)用了數(shù)學、力學、機械、電子、計算機、自動控制、數(shù)據(jù)通訊、人工智能、工程材料和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等學科的最新技術(shù)和成果。由于它的先進性、知識密集性、技術(shù)集成、高度智能化和神秘感而倍受廣大師生的青睞。2002年機器人引進我校時，立即引起學生的濃厚興趣和廣泛參與。首批引進的機器人系統(tǒng)成為激發(fā)學生創(chuàng)新熱情和求知欲、培養(yǎng)創(chuàng)新能力和實踐動手能力的最佳教學平臺。我校機器人實驗室也成為最受學生歡迎的實驗室。

圖1 機器人教育過程模型示意圖

近年來，我校高度重視機器人教育，不斷加大機器人教學和研究方面的投入，在機器人教育與科研方面已經(jīng)形成了自己的特色，圖1為我校的機器人教育過程模型的示意圖。2004年，在借鑒國內(nèi)外高校先進經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，我校機械學院建立了智能機械與機器人實驗室，開展移動機器人、仿人形機器人、蛇形機器人、管道機器人和小型競賽機器人的教學與研究。我們在2001，2002，2003，2004，2005級本科生的畢業(yè)設(shè)計等教學改革中進行機器人教育改革試點，在畢業(yè)設(shè)計題目中和先進制造技術(shù)等相關(guān)專業(yè)課程考核中增加機器人設(shè)計與創(chuàng)新制作方面的選題。在智能機械與機器人研究所老師們的指導下，這些同學相繼完成了“24自由度仿人形機器人的設(shè)計”、“果樹采摘機器人的設(shè)計”、“液壓支架專用焊接機器人”、“仿生蜘蛛的設(shè)計與制作”、“管道除垢機器人”、“管外自動噴涂機器人的設(shè)計”等30多個課題。其中部分設(shè)計作品參加了全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽和全國大學生過程裝備實踐與創(chuàng)新大賽，獲得全國一、二、三等獎各1項，省級獎勵10余項，申請專利3項。

學校采用了以研究促進教育的方式開展機器人教育，機器人研究所的研究人員共參與國家863計劃項目和國家自然科學基金項目等有關(guān)機器人的項目10余項，發(fā)表了近20篇研究論文，取得了一批研究成果。這有效促進了我校機器人教育工作的開展。如今，我校已經(jīng)把“智能機械與機器人”、“人工智能”和“機器人創(chuàng)新制作”等課程列入本科教學計劃中。

目前，我校智能機械與機器人實驗室除了可開展上述仿人形等機器人的教學、研究和實驗外，還可以開展機器人滅火比賽、機器人足球比賽和趣味機器人比賽等機器人競賽活動。我們每年都舉辦學院和學校級別的機器人大賽，每次都吸引機械、化工、計算機、地質(zhì)和材料等多個專業(yè)的數(shù)百名選手參加。由于機器人教育的開展，學生對機器人創(chuàng)新制作和機器人競賽興趣非常高，這廣泛激發(fā)了學生的學習熱情和創(chuàng)新的動力，這不僅強化了他們對所學專業(yè)知識的理解，還拓寬了專業(yè)知識面，培養(yǎng)了創(chuàng)新設(shè)計能力和對跨專業(yè)知識的綜合運用能力，從而使機器人教育成為學校開展創(chuàng)新教育的重要方法。2008年，筆者主持完成的教研項目“工科學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)機制研究”獲得了安徽省教學成果一等獎。

[1]萬佑紅，蔣國平.機器人教育與大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索[J].電氣電子教學學報，2005，(8)：7-8.

[2]王益，張劍平.美國機器人教育的特點及其啟示[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2007，(11)：108-112.

[3]王成軍.創(chuàng)造學[M].北京：人民軍醫(yī)出版社，2005.

Carrying out Robot Education and Cultivating Creative Ability

WANG Cheng-jun, SHEN Yu-zhe
Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China

Robot education is an integrated platform for university to cultivate students’ creative ability, a starting point of college teaching reform and a important form of university creative education. Combined with the experience of researching robot and robot teaching of the authors, this paper introduced the robot education concrete practice and effects of Anhui University of science and technology.

robot education; creative education; creative ability; engineering quality

G642

A

1006-9372 （2010）01-0109-03

2009-11-10。

王成軍，男，講師，主要從事創(chuàng)造學、智能機械與機器人等方面的教學和研究工作。