肖珊　蘇發(fā)

摘? 要：基于當代大學生缺乏創(chuàng)新思維及創(chuàng)新所需的多元能力，且機器人作為教學輔助工具已逐漸被教育界所認可，將機器人應用于培養(yǎng)大學生創(chuàng)新方面的能力成為一個新的研究目標。本文以Tyran移動機器人為例，提出“學中思、用中學、賽中促創(chuàng)新”的模式，首先，簡單介紹機器人的相關結構、功能，并進一步了解涉及的知識面;其次，提出注重理論與實踐的平衡和保持對生活的思考;最后，采用小組合作共建創(chuàng)新氛圍，通過參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類的比賽促進學生進行創(chuàng)新。學生在此模式中，獲得學習的主動性，拓寬所學知識的深度與廣度，激發(fā)創(chuàng)新思維和提高相應的能力，成為新一代創(chuàng)新型人才。

關鍵詞：機器人 創(chuàng)新 大學生教育 學科交叉

中圖分類號：TP242;G717.38 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）06（c）-0155-04

Abstract： In view of the fact that contemporary college students lack innovative thinking and multiple abilities required for innovation， and robots have been gradually recognized by the educational circles as teaching aids. On this basis， the application of robots to cultivate college students' innovation ability has become a new research goal. Taking Tyran mobile robot as an example， this paper puts forward the mode of "thinking while learning， using middle school and promoting innovation during competition". Firstly， it briefly introduces the relevant structure and function of the robot， and further understands the knowledge involved; secondly， it puts forward that we should pay attention to the balance between theory and practice and keep thinking about life; finally， group cooperation is adopted to build an innovation atmosphere and promote students' innovation by participating in innovation and entrepreneurship competitions. In this mode， students gain the initiative of learning， broaden the depth and breadth of knowledge， stimulate innovative thinking and improve corresponding ability， and become a new generation of innovative talents.

Key Words： Robot; Innovation; College student education; Interdisciplinary

隨著科技迅速發(fā)展，社會處于日新月異的狀態(tài)，創(chuàng)新能力成為一個國家或個人發(fā)展綜合能力與提高核心競爭力的關鍵性要素。當今應試教育下任何問題都有參考答案，培養(yǎng)的青少年已然形成固態(tài)思維，缺乏創(chuàng)新思維與必備能力，從而無法掌握核心技術，創(chuàng)新型人才儲備不足。21世紀以來，新一代信息技術的出現(xiàn)并迅速發(fā)展應用，《全球人工智能產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)報告》通過采集到的數(shù)據(jù)表明，中國在人工智能企業(yè)的數(shù)量與融資規(guī)模上僅次于美國位居第二，《中國新一代人工智能發(fā)展報告2019》指出了中國已成為全球發(fā)表有關人工智能的論文數(shù)量最高的國家，機器人作為人工智能的一個重要載體，其在教育方面的部分潛力被挖掘并逐漸得到認可。因此，如何將機器人巧妙地與教育結合來培養(yǎng)創(chuàng)新型人才成為新的發(fā)展方向。

國內外對機器人進入教育領域持積極態(tài)度，根據(jù)各自的教育發(fā)展情況探索適合的教育方案，將有關人工智能的內容編入到大、中、小學生的課程中，我國的許多教育工作者響應國家號召，把一些簡單的機器人課程應用于中、小學階段。比如：張智軍[1]等人從中、小學生科技創(chuàng)新能力的需求出發(fā)，構建相應的培養(yǎng)模型并制定標準體系，通過技術體驗從而培養(yǎng)科學觀念態(tài)度、思維以及科學實踐能力;孫琪[2]則根據(jù)小學教育要求與小學生的心理發(fā)展趨勢，引導學生進行分工合作和簡單的操作，并對他們的成果給予評價與鼓勵;王晶京[3]針對課堂缺乏系統(tǒng)的理論研究等問題，采用提高課堂氛圍、參與度和鼓勵質疑三方面達到解決的效果。但利用機器人培養(yǎng)高校大學生創(chuàng)新方面能力的教育方案相對欠缺，因此如何高效利用機器人使大學生固化的思維得以轉變成為時代難題。

本文利用已有的機器人材料制訂相應的教育方案，不僅能夠滿足信息技術基礎教育建設和發(fā)展的需求，而且針對大學生的多學科知識學習構建“學中思”的模式，幫助學生進一步提高創(chuàng)新意識和培養(yǎng)創(chuàng)新思維，增強其發(fā)現(xiàn)問題、處理問題的能力。

1? 認識機器人

緊跟時代發(fā)展，高校于近幾年不斷地增設一些新興專業(yè)，其中與人工智能相關的專業(yè)不在少數(shù)。新增專業(yè)的人才培養(yǎng)方案還不完善，即使機器人具備一些仿生的功能，具有感知、規(guī)劃動作、協(xié)同作用從而實現(xiàn)高度靈活動作等功能，學生仍然無法真正了解機器人的結構與功能，從而只能機械地按照其說明書進行簡單操作，這對大學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)與創(chuàng)新能力的提升不利。本文將以學校機器人開放實驗室的Tyran移動機器人為例，簡單介紹機器人的基本結構與具有的功能。

1.1 基本結構

Tyran移動機器人平臺采用系統(tǒng)式控制方式，其中通過機載PC完成相關的數(shù)據(jù)采集與算法處理，然后交由控制系統(tǒng)實現(xiàn)機器人運動的控制并采用模塊化結構，使用者可根據(jù)自己的需求進行更換和添加其他模塊，使其擁有不同功能，能夠在一定程度上開發(fā)學生思維。

其中電機驅動模塊與輪轂電機能夠提供所需的動力，使機器人完成移動的動作和實現(xiàn)其他功能成為可能;WiFi通信模塊控制著機器人網(wǎng)絡部分以判斷是否可以正常工作;機載PC則對所得的信息進行處理，然后發(fā)出指令讓其他部分結構配合，保證機器人系統(tǒng)有序運行;所搭載的相機通過機器視覺實現(xiàn)對外界感知;激光雷達和超聲波模塊計算物體位置信息，實現(xiàn)物體感知;姿勢傳感模塊是運動時對自身姿勢進行分析發(fā)出相應信號保證機身穩(wěn)定。

1.2 涉及知識面廣泛，功能強大

機器人融合多個學科，涵蓋多方面知識，實現(xiàn)通過機器算法使機器人具有移動避障、軌跡規(guī)劃、位置標定、智能分類等功能。具體從機械部分、機器視覺和機器學習三方面進行介紹。

機械結構的設計需要考慮到承重情況、兩個自由節(jié)之間的連接方式、材料的選擇和美觀需求，包含了力學、工程材料學、經(jīng)濟學和美學等多個領域，即需要根據(jù)不同功能選擇合適的結構，對材料進行選擇以滿足使用的要求和適應所處的環(huán)境。且針對專用機器人對這些條件要求更為苛刻，從而需要涉及的知識面會更加廣泛以得到最佳的裝置配件，讓它們可處于復雜的環(huán)境，同時高效完成自己的任務。

機器視覺應用于生活的各個方面，可實現(xiàn)識別、追蹤和分類等功能。比如：圖像修復算法使破損的圖像通過偏微分方程、部分卷積[4]和對抗網(wǎng)絡等建立不同模型等進一步估計該區(qū)域的信息以達到修復效果;圖像增強算法采用自適應直方圖均衡化[5]、二值變換等算法對圖像進行處理，實現(xiàn)對比度增加、清晰度提高和圖像噪聲減少的目標，獲取有效的圖像信息。

機器學習是通過對自身已有的數(shù)據(jù)與知識進行學習實現(xiàn)知識交融與技能的補充。比如：Tyran機器人中通過統(tǒng)計梯度對某一特征點進行提取，可應用于圖像實現(xiàn)圖像的智能檢索與分類;通過神經(jīng)網(wǎng)絡等實現(xiàn)自身訓練，學習一些規(guī)律，得到接近期望的結果。

2? 機器人應用于教學

早期采用“教師講、學生記”的傳授式教學;“學習、記憶加以理解、做出判斷”的程序式教學;“教師做前期準備并總結，指導學生應用”的階段式教學。這些教學模式下，學生缺失主體性被動接受知識。后期采用的實用主義教學模式，忽視基礎知識的重要性，過于強調經(jīng)驗。參考以往教學特點，提出一種利用機器人形成“學中思、用中學、賽中促創(chuàng)新”的模式。

2.1 理論與創(chuàng)新實踐相結合

鐘柏昌[6]等人發(fā)現(xiàn)教育有側重的趨向，只針對學科本位教學，教學單一缺乏課程整合滿足不了學生發(fā)展的需求，且絕大多數(shù)高等學校缺乏包容性和跨學科性，側重培養(yǎng)應用型人才而非創(chuàng)新型人才。李克強總理在2021年全國兩會上對青少年說道：要注意加強基礎知識的學習，打牢基本功和培育創(chuàng)新能力是并行不悖的，把基礎打牢了，將來可以觸類旁通，行行都可以精彩。理論支撐創(chuàng)新實踐，理論證明實踐創(chuàng)新。

在課堂中，教師借助機器人將一些抽象復雜的技術原理具體生活化，通過七自由度實驗，學習控制機械臂的軌跡規(guī)劃、簡單運動、碼垛等動作，同時將正逆運動學和三次樣條等知識點融入實驗中，在一定程度為學生更好地理解技術提供良好的平臺。每個學生均可結合自身特點利用機器人[7]的某個特定部件或功能激發(fā)自己學習興趣，如Tyran機器人還能實現(xiàn)什么功能？通過組裝所需要的創(chuàng)新模塊創(chuàng)新意識，增強動手能力。同時，在使用過程中，可以通過互聯(lián)網(wǎng)獲取相關機器人部件等的資料并利用，比較不同的機器人，并針對現(xiàn)有機器人，通過類比、組合思維等進行新一輪的創(chuàng)新，獲得自主創(chuàng)新能力[8]。

在生活中，做一個關注時事以觀外界變化的人，了解當今或未來的社會需求，不放過任何一個能夠培養(yǎng)自己創(chuàng)新思維的機會;多觀察身邊的事物，將平時常見的事物通過聯(lián)想、仿生、運用、延伸等思維，并利用機器人的包容性嘗試創(chuàng)造新的事物。

2.2 營造小組合作創(chuàng)新氛圍

僅限少部分學機械、機器人、人工智能等專業(yè)的學生才可接觸機器人設備是一種資源浪費，機器人作為學科交叉的產(chǎn)物，其他專業(yè)的學生的加入可以起到激發(fā)學生的發(fā)散性思維的作用，學生與和自己學習方向相同的同學一起學習討論，并與其他學習方向的同學進行合作，能更好地實現(xiàn)教學相長，當萌生想法時，與其他學生進行合作交流，同時又各司其職。如此一來，可以提高學生創(chuàng)新所需要的團隊合作精神、交流能力和實際操作能力等。

2.3 提供創(chuàng)新平臺，總結創(chuàng)新成果

國家、省份和學校組織的專項創(chuàng)新比賽[9]，教師提供相關比賽資訊，如互聯(lián)網(wǎng)+、挑戰(zhàn)杯等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽，且秉持多學科融合、由點及面的原則，組織多元化、開放性競賽吸引學生參加[10]。學生在備賽過程，培養(yǎng)清晰的思路并考慮多方面因素以確保自己的創(chuàng)新點能夠得以更好的體現(xiàn)，加上指導教師所提出的參考建議，從而進一步提升學生的綜合設計能力以作好充足的準備;在競賽過程，進行可行度分析并共同研究所提問題的解決方案。全面提高創(chuàng)新能力、增強自信心和強化團隊協(xié)作精神，實現(xiàn)大學生的能力全方位發(fā)展。

總結創(chuàng)新成果也是非常重要的，查閱資料[11]并吸收更多理論知識幫助創(chuàng)新活動正常進行;且創(chuàng)新完成后，及時總結整理以形成自己的論文或專利等成果。

3? 結語

本文主要是針對即將踏入社會的主力軍——大學生缺乏創(chuàng)新思維與創(chuàng)新所需要的多元能力的問題，結合機器人的優(yōu)勢提出打破傳統(tǒng)的教學模式的“學中思、用中學、賽中促創(chuàng)新”的新模式。

該模式下，首先介紹機器人系統(tǒng)組件的基本結構與功能，使學生對機器人有個初步的認識，增強學生的興趣;其次，以機器人為媒介，物化一些抽象的知識點以使之更容易融入課堂與生活中，加上機器人本身所涉及面廣泛，對打牢與拓寬學生的基礎知識很有幫助，小組制進行學習合作體現(xiàn)了教學相長的優(yōu)勢，能夠全面提高多元能力;最后，通過比賽等方式讓學生對創(chuàng)新有信心，不斷進行創(chuàng)新并實現(xiàn)自主創(chuàng)新。

參考文獻

[1] 張智軍，朱海洋.人工智能背景下青少年科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究與實踐[J].創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實踐，2020，3（5）：71-72.

[2] 孫琪.小學機器人教育中培養(yǎng)創(chuàng)新能力的教學策略研究[D].濟南：山東師范大學，2020.

[3] 王晶京.基于教育機器人的小學生創(chuàng)造性思維培養(yǎng)策略研究[D].沈陽：沈陽師范大學，2020.

[4] Liu G，Reda F A，Shih K J，et al.Image Inpainting for Irregular Holes Using Partial Convolutions[C]// European Conference on Computer Vision.Springer，Cham，2018.

[5] Huang Z，Tang C，Xu M，et al.Both Speckle Reduction and Contrast Enhancement for Optical Coherence Tomography via Sequential Optimization in the Logarithmic Domain Based on a Refined Retinex model[J].Applied Optics，2020，59（35）：11087.

[6] 鐘柏昌，夏莉穎.“人工智能+教育”背景下機器人支持數(shù)學學習的國際案例研究[J].電化教育研究，2020，41（12）：113-121.

[7] 黃霞，白明明，謝彩云.教育機器人在新工科類大學生實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的應用[J].中國高新科技，2020（17）：138-139.

[8] 田恬.引領傳統(tǒng)材料邁向復合化創(chuàng)新研發(fā)——訪中國復合材料學會秘書長張博明[J].科技導報，2016，34（8）：96-99.

[9] 解春鳳.高校以賽促學的教學實踐研究——以視覺傳達專業(yè)為例[J].科技創(chuàng)新導報，2020，17（20）：217-218，221.

[10]劉偉.談憑借機器人競賽構建大學生創(chuàng)新實踐教育平臺[J].科技創(chuàng)新導報，2020，17（16）：212-213.

[11]袁峰.民辦本科高校大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的思考與對策——以第十屆江蘇省大學生機器人大賽為例[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2020（14）：212-213.