[摘" 要]機器人是人工智能實現(xiàn)的重要載體。隨著國家對機器人產(chǎn)業(yè)的重視，對掌握機器人技術(shù)人才的渴求，催生了機器人教育研究的進一步深入。本文以高校機器人教育領域的現(xiàn)狀和問題為切入點，以西安交通大學的機器人教育實踐為案例，理清其發(fā)展路徑，分析其所具備的優(yōu)勢，總結(jié)可遷移性的經(jīng)驗，以期為我國高等教育階段機器人教育今后的發(fā)展提供一定的思路和借鑒。

[關(guān)鍵詞]機器人教育" 機器人實驗室" 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)" 人才培養(yǎng)

基金項目：本文系2018年度陜西省教育廳專項科研計劃項目“中國高校機器人教育的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢研究”（編號：18JK0541）的研究成果。

中圖分類號：G649.21" " 文獻標識碼：A

引" 言

21世紀以來，大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、機器人等技術(shù)迎來高速發(fā)展，以機器人為代表的產(chǎn)業(yè)、制造業(yè)得到前所未有的關(guān)注。2016年，國務院發(fā)布的《中國制造2025》中，機器人被列入十大重點發(fā)展領域之一。2021年，《“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》（以下簡稱“規(guī)劃和綱要”）中再次提出要深入實施智能制造和綠色制造工程，推動機器人等產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。2023年，工業(yè)和信息化部等十七部門聯(lián)合印發(fā)《“機器人+”應用行動實施方案》提出，要加大機器人教育引導，完善各級院校機器人教學內(nèi)容和實踐環(huán)境，針對教學、實訓、競賽等場景開發(fā)更多功能和配套課程內(nèi)容。強化機器人工程相關(guān)專業(yè)建設，提升實驗機器人產(chǎn)品及平臺水平，加強規(guī)范管理。高校作為人才培養(yǎng)搖籃和創(chuàng)新教育的基地，將在我國創(chuàng)新發(fā)展與高科技領域承擔重要作用。因此，高校機器人教育具有不可忽視的教育價值和發(fā)展前景。

機器人教育的內(nèi)涵

目前，對于機器人教育尚沒有一個統(tǒng)一的定義，但學界較多引用彭紹東在《論機器人教育（上）》中的說法，他認為，機器人教育是指學習、利用機器人，優(yōu)化教育效果及師生勞動方式的理論與實踐。經(jīng)過二十多年的發(fā)展變化，機器人教育的內(nèi)涵和外延已經(jīng)有了極大程度的豐富。機器人教育越來越多地與“機器人競賽”“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”“人工智能”“未來教育”等義項聯(lián)系在一起。其涉及信息技術(shù)、數(shù)學、物理、電子、機械、通信、自動化技術(shù)、心理學和生物學等多個領域，學生在學習機器人基本知識、掌握編程技能的基礎上，可將知識聯(lián)系到真實生活，從而培養(yǎng)自身的創(chuàng)新素養(yǎng)、實踐技能、思維與方法等。

高等教育階段機器人教育的研究現(xiàn)狀和問題

1.研究現(xiàn)狀

我國的機器人教育起步較晚，目前仍處于研究初期。以“機器人”和“教育”為主題詞，在中國知網(wǎng)（CNKI）期刊共檢索到3038條記錄，核心和CSSCI期刊共計504篇，其中大多數(shù)文獻是以中小學教育階段的機器人教育為主要關(guān)注點。而與高校相關(guān)的機器人教育、機器人競賽、機器人實驗室、教育平臺建設等相關(guān)的期刊文獻數(shù)量較少，占比約為總數(shù)的10%。這些文獻從不同角度研究了我國高校機器人教育的發(fā)展現(xiàn)狀。近些年，機器人教育已經(jīng)逐漸進入全階段學校教育中，黃榮懷、劉德建等人認為機器人教育可以激發(fā)學生對智能技術(shù)的興趣，提高學生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新能力以及在未來社會的競爭力。張劍平、王益等人認為在高等學校中進行多層次的機器人教育，可以普及機器人知識，加強機器人專業(yè)建設，應當在教師教育相關(guān)的專業(yè)中開設與人工智能、機器人教育相關(guān)的課程。同時要注重通過此類活動培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力、協(xié)作能力和技能，為此需要關(guān)注競賽項目的創(chuàng)新性。王進、柯文德等人指出通過機器人賽事培養(yǎng)學生已經(jīng)成為多數(shù)高校普遍認可和推行的方式。吳永和等人指出國內(nèi)機器人教育正經(jīng)歷著由“競賽導向→能力導向”的轉(zhuǎn)變，機器人競賽成為培養(yǎng)學生信息素養(yǎng)和綜合能力的手段之一。

2.存在的問題

首先，從軟硬件上來說，教學適用性強、性能價格比高的教育類機器人產(chǎn)品仍然比較匱乏。機器人公司大多專注于產(chǎn)品研發(fā)，很少涉及課程開發(fā)及師資培訓，導致硬件在教學環(huán)境中難以發(fā)揮作用。且現(xiàn)階段機器人教育的師資隊伍比較薄弱，專業(yè)的機器人教育教師相對匱乏，在這種情況下，學校自研機器人課程的難度較大，開展教學困難重重。

其次，現(xiàn)階段國內(nèi)高校機器人教育大多依托實驗室及學生團隊開展，然而不論是學界還是從事機器人教育實踐相關(guān)的教師對實驗室管理及團隊管理都缺乏足夠的關(guān)注。國內(nèi)高校機器人教育及相關(guān)賽事大多由相應技術(shù)領域的專業(yè)課教師負責，教師日常的教學及科研任務十分繁重，很難分出更多精力從事團隊管理，也缺乏系統(tǒng)、成熟的管理辦法。

最后，現(xiàn)階段高校機器人教育大多依托相關(guān)賽事展開，賽事的性質(zhì)難以避免地引起學院、實驗室?guī)熒鷮Ρ荣惤Y(jié)果的重視，進而導致賽事過程中缺乏對學生團隊分工協(xié)作能力、批判性思維、創(chuàng)新思維等綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。此外，在賽事結(jié)束后缺乏反思和復盤，缺乏必要的技術(shù)沉淀及成果轉(zhuǎn)化，這種完全由賽事驅(qū)動、以賽事結(jié)果為評價的發(fā)展模式，使機器人教育缺少深刻的價值認同。

以西安交通大學為例分析基于賽事的實驗室發(fā)展路徑

在中國高等教育學會工程教育專業(yè)委員會聯(lián)合浙江大學機器人研究院發(fā)布的第四輪“全國普通高校大學生機器人競賽指數(shù)”中，截至2022年8月31日，共采集了25項高校機器人相關(guān)競賽共216640條數(shù)據(jù)（其中參賽數(shù)據(jù)188945條，獲獎數(shù)據(jù)27695條）。在眾多高校中，西安交通大學評級為A+（前2%）。本研究以西安交通大學機械工程學院的機器人實驗室作為對象，其發(fā)展模式和經(jīng)驗值得關(guān)注和借鑒。

1.成立初期：2016—2018年

2016年初，西安交通大學機械工程學院與西安樂博士機器人有限公司成立VEX創(chuàng)新實踐聯(lián)合實驗室。實驗室最初的建設目的是組織學生團隊參與VEX工程挑戰(zhàn)賽，并在此過程中探索機械工程學院開展機器人教育的路徑。

第一批實驗室成員共計學生21人，大多來自于機械工程學院。在實驗室成立初期，學生團隊先后參與了VEX工程挑戰(zhàn)賽的中國公開賽、亞洲公開賽及世界錦標賽等大小賽事數(shù)十場，獲得包括世界錦標賽全能獎（最高獎項）在內(nèi)的數(shù)十個獎項。在這個過程中，團隊建立了初步的實驗室管理模式及學生梯隊培養(yǎng)模式（圖1）。

一方面，教師幫助學生團隊尋找外部資源，對接技術(shù)型公司及其他高校團隊，開展交流及參觀活動，加速團隊的成長；另一方面，教師承擔著招募學生、管理團隊的責任，引導學生團隊形成合理有效的分工。在此階段實驗室指導教師承擔著核心角色，對團隊的成長起著至關(guān)重要的作用。指導教師通過定期開展技術(shù)討論會、總結(jié)會的形式，發(fā)掘團隊中的技術(shù)及管理骨干：技術(shù)骨干及時吸取新技術(shù)并以內(nèi)部培訓的方式傳遞給隊員，在發(fā)生技術(shù)性分歧的時候帶領團隊進行驗證，主動發(fā)起技術(shù)討論會并分析方案的優(yōu)劣及可實施性，帶領技術(shù)團隊進行攻關(guān)；管理骨干的主要職責是協(xié)調(diào)團隊內(nèi)部任務分配、時間安排、器材使用、任務總結(jié)等，根據(jù)時間節(jié)點及任務進行分工，根據(jù)成員課業(yè)情況安排工作強度，并及時安排內(nèi)部碰頭會，協(xié)調(diào)團隊的步調(diào)，避免因溝通不當出現(xiàn)團隊任務需要某成員時恰巧不在的情況。如此，在實驗室建設的初級階段，師生團隊經(jīng)過磨合，建立起團隊管理及流程管理的雛形，實現(xiàn)從團隊外向團隊內(nèi)的知識傳遞以及團隊內(nèi)部的自我管理，加強團隊的戰(zhàn)斗力和執(zhí)行力。

2.發(fā)展期：2018—2020年

經(jīng)過兩年的成長以及學生團隊的更新?lián)Q代，參與實驗室的學生由最初21名發(fā)展至50多名，學生團隊的構(gòu)成也從以機械工程學院為主的單一學院主導型團隊，成長為橫跨文理，覆蓋機械工程學院、能動學院、航空航天學院、電信學院、電氣學院、醫(yī)學院、外國語學院的多學科融合型團隊。同時，實驗室指導教師基于賽事平臺的應用環(huán)境，開設多門校際公選實驗課：智能機器人設計與開發(fā)開放實驗、機器人結(jié)構(gòu)件設計與3D打印、加工、編程及結(jié)構(gòu)搭建開放實驗等。校際公選課給機械工程學院以外的學生提供了了解和學習機器人的機會，機器人教育及學生活動不再是工程學院的專利，這極大地促進了團隊的多樣性及創(chuàng)新性。除此之外，團隊在賽事經(jīng)驗的基礎上，積極參與大學生創(chuàng)業(yè)，平均每年產(chǎn)生項目數(shù)4個。

在這一階段，基于穩(wěn)定的實驗室結(jié)構(gòu)及已有的賽事經(jīng)驗，團隊向著多元化發(fā)展，同時分工和協(xié)作進一步細化。體現(xiàn)在以下幾方面，首先，學生團隊的多元化結(jié)構(gòu)以及學生梯隊的建立，使得學生團隊具備了多個功能模塊，能夠較獨立地完成團隊的納新、自我培訓、賽事的組織及訓練以及自我宣傳等；其次，學生梯隊的構(gòu)建一定程度上解放了高年級學員，使其能夠去嘗試新的項目，嘗試成果轉(zhuǎn)化以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動；最后，成熟穩(wěn)定的團隊能夠做好自我的長期規(guī)劃及短期目標，能夠協(xié)調(diào)、利用很多已有資源，極大地減輕了實驗室教師的工作量，使得教師也能夠在已有的賽事成果及教學資料的基礎上，進行課程創(chuàng)新及項目申報。

3.成熟期：2020—2022年

經(jīng)過發(fā)展期的沉淀和成長，團隊進入成熟期，在這一階段團隊的組織結(jié)構(gòu)及分工如圖2所示。

教師團隊對接實驗室學生助理，學生助理負責協(xié)調(diào)外部活動（資源對接、賽事對接、安排納新等）以及協(xié)調(diào)內(nèi)部分工（統(tǒng)籌分配項目、安排內(nèi)部培訓及會議等）。實驗室下設三個主要團隊，分別是競賽團隊、培訓團隊、項目團隊。競賽團隊為整個實驗室的基礎，也是所有新招募成員加入的地方，統(tǒng)籌并參與機器人相關(guān)賽事，同時競賽團隊負責向培訓團隊及項目團隊輸送成員。培訓團隊是競賽團隊篩選出的具備教育潛質(zhì)的成員，肩負著為競賽團隊培訓新成員，沉淀技術(shù)積累，以及跟隨教師完成相關(guān)創(chuàng)新教學內(nèi)容研發(fā)等職責。項目團隊負責對賽事產(chǎn)生的技術(shù)進行進一步挖掘和開發(fā)，申請各類衍生項目，同時跟隨教師從事研發(fā)類項目，產(chǎn)生的新技術(shù)可以反哺競賽團隊。通過此階段兩到三年的時間，實驗室和學生團隊形成了圍繞機器人平臺的多維度項目發(fā)展模式，并具備完善的自我成長能力及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

團隊進入成熟階段后表現(xiàn)出以下幾方面特點：一是團隊人數(shù)趨于穩(wěn)定，每年新加入學員和退役學員相對平衡；二是團隊的結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化，分工協(xié)作更加清晰，發(fā)展路徑也更加多樣化，實驗室開始探索并參與世界機器人大賽人工智能項目比賽以及中國服務機器人大賽等；三是團隊的目標也從最初的一切以賽事為中心逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐再愂聻榛A、以教學和科研為目標，以培養(yǎng)學生綜合素養(yǎng)為中心的集賽事教學科研為一體的實驗團隊。實驗室多年的積淀成果《西安交通大學機械工程學院機器人產(chǎn)教融合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育》作為典型案例入選中國高等教育學會“校企合作雙百計劃”。

啟" 示

通過多年的探索與實踐，西安交通大學VEX創(chuàng)新實踐聯(lián)合實驗室總結(jié)出一套科學的機器人實驗室運行模式，其充分利用機器人賽事平臺組建跨學科學生團隊，激發(fā)學生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，培養(yǎng)學生的主觀能動性和批判性思維，開展多維度的教育實踐活動并促進成果轉(zhuǎn)化。在此過程中實驗室將高校傳統(tǒng)單純參與賽事的模式拓展成“賽事—教學—研究—創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”相結(jié)合的模式，達到以賽促教、以賽促研，教研相融、學用相長、促進雙創(chuàng)的作用，總結(jié)其經(jīng)驗可以得到以下幾點啟示。

1.科學定位機器人實驗室，發(fā)揮資源優(yōu)勢，提高建設效率

機器人賽事是一個跨學科、持續(xù)性長且技術(shù)不斷進步的項目，對參與團隊的軟硬件技術(shù)能力、團隊協(xié)作能力及自我管理能力有較高的要求。作為培養(yǎng)團隊的機器人實驗室，要從長遠出發(fā)，以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為目標，以賽事為抓手，進行合理的規(guī)劃及設計。第一，需充分發(fā)揮機器人平臺的跨學科、重技術(shù)的特色，長遠規(guī)劃實驗室功能模塊，構(gòu)建以賽事為依托，以技術(shù)、教育、科研為主體的組織架構(gòu)；第二，需加強校內(nèi)資源建設，設置專項經(jīng)費，積極推進實驗室的開放與交流，促進跨學科團隊的成長，發(fā)揮實驗室潛力；第三，充分利用校外資源，加強校企合作、技術(shù)培訓、人才輸送等多種建設途徑，促進團隊成長、提高實驗室建設效率。

2.重視管理，合理設計機器人實驗室規(guī)章制度

第一，采取以學生主導的遞進式半開放管理模式。區(qū)別于學科實驗室，機器人競賽實驗室的使用時段及使用人員都不固定，因此需要學生參與大部分的日常管理。而遞進式半開放是針對學生的開放程度，由外來人員—實驗室初級成員—實驗室高級成員依次遞進的開放權(quán)限。外來人員需預約參觀交流；初級成員的使用需高級成員許可；高級成員分工分時段承擔實驗室管理角色。基于此結(jié)構(gòu)的管理模式可以實現(xiàn)實驗室使用的靈活性，同時確保實驗室使用的安全。第二，硬件管理要職責清晰，執(zhí)行過程簡潔，因時因地制訂多種方案。由于機器人平臺的特殊性，對硬件的需求種類多、消耗大，因此器材的取用一定要權(quán)限清晰同時簡化流程。此外應鼓勵學生多使用3D建模、虛擬仿真等形式進行前期設計論證，以減少硬件使用的時間成本和耗材成本。第三，完善激勵政策，激發(fā)團隊潛力。一方面將參與賽事、發(fā)表論文等項目納入獎學金評定或?qū)W分認定；另一方面將參與實驗室管理、設計創(chuàng)新課程、申請項目等納入教師崗位考核，評獎評優(yōu)。

3.優(yōu)化教學實踐過程，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才

第一，“以賽促教”，夯實創(chuàng)新型人才培養(yǎng)入口。機器人技術(shù)與傳統(tǒng)學科課程缺乏銜接，因此根據(jù)賽事的技術(shù)特征設計創(chuàng)新課程，實現(xiàn)理論教學與實踐教育的結(jié)合，一方面促進賽事技術(shù)沉淀，實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，另一方面有利于新生快速成長形成梯隊。第二，“以賽促研”，拓展多元化人才培養(yǎng)出口。實驗室應依托學校資源，向內(nèi)積極申請科研課題，開展雙創(chuàng)教學實踐；向外積極推動校企合作、共建實驗室、人才協(xié)同培養(yǎng)等項目，實現(xiàn)人才培養(yǎng)的個性化、國際化與多樣化。第三，探索并實踐“STEM+PBL”教學理念及模式，持續(xù)優(yōu)化人才培養(yǎng)過程。“STEM”教育理念是從科學（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學（Mathematics）四個維度出發(fā)培養(yǎng)人才，是一種跨學科工程師型人才的培養(yǎng)理念；PBL（Project Based Learning）是基于項目式學習，從解決一個問題出發(fā)，經(jīng)過一系列的設計、驗證、改進的過程。如此，形成了“以賽促教”“做中學”“以賽促研”的培養(yǎng)框架，提高創(chuàng)新型人才質(zhì)量。

結(jié)" 語

在新時代背景下，技術(shù)發(fā)展日新月異，國家和社會對人才的需求也與時俱進，機器人作為融合多個學科、多種技術(shù)的實驗實踐平臺，是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的主要陣地。通過對西安交通大學的案例分析可以看出，機器人競賽實驗室是以興趣為起點，由學生參與管理，具備靈活性和開放性的跨學科實驗室。其充分發(fā)揮了學生的自主學習、管理能力，激發(fā)了學生的積極性，取得了良好的競賽及教研成果。機器人實驗室建設的理念、發(fā)展的路徑、管理的框架及人才培養(yǎng)的模式是雙創(chuàng)教育的有益嘗試，值得借鑒與推廣。

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（許靜宜：西安理工大學人文與外國語學院）