开展机器人教育培养创新能力

2010 年第 1 期 中国地质教育 CHINESE GEOLOGICAL EDUCATION 109 开展机器人教育 培养创新能力 王成军，沈豫浙 安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001 摘 要：机器人教育是学校培养学生创新能力的综合平台，是高校教育教学改革的一个切入点，也是学校 创新教育的一种重要形式。笔者结合多年学习、研究机器人以及从事机器人教学的实践经验，探索了我国 高等院校开展机器人教育活动的有效途径和方法，并介绍了安徽理工大学机器人教育的具体实践和效果。 关键词：机器人教育；创新教育；创新能力；工程素质 中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1006-9372 （2010）01-0109-03 一、机器人教育 狭义的机器人教育是指以机器人相关知识和 制作技能为对象的教育，包括专业理论知识教育、 机器人实践教育和机器人科技竞赛等；而广义的 机器人教育概念则是指所有学习、利用机器人的 相关知识和技术，进行教育效果和师生劳动方式 优化的理论与实践活动。 机器人教育是培养学生创新能力的综合平台， 开展机器人教育是高校教育教学改革的一个切入 点，也是学校创新教育的一种重要形式。它能以 较少的投入（包括人力、物力、财力、时间等 )取 得较大的教育效果（主要指学生的知识获得、技 能形成、情感培养等），从而优化教与学的效果； 同时，采用机器人这种教学工具，能改善教学方 式与方法，减轻师生的工作强度，缩短工作时间， 提高工作效率 [1]。 机器人的出现为学校创新教育提供了一个崭 新的平台，几乎没有一种技术平台比智能机器人 更适合创新素质教育。学校不仅可以把机器人作为 一种科学教育的工具，用于提高学生的科学素养， 还可以根据自己的实际情况开设机器人相关课程， 开展各种机器人教育，普及机器人知识，以各种 机器人活动来推动机器人教育的开展，培养满足 社会和科技发展需要的机器人相关人才。 二、开展机器人教育的有效途径和方法 1. 开设机器人相关课程，补充机器人专业知识 机器人课程可以选修课、必修课和实验课等 多种形式开设，为学生补充有关机器人的专业知 收稿日期：2009-11-10。 作者简介：王成军，男，讲师，主要从事创造学、智能机械与机器人等方面的教学和研究工作。 识。机器人课程的难度从低到高设置，为不同年 级、兴趣和特长的学生提供相应的选择空间和学 习平台。课程内容应包括机器人的发展历史、机 器人基本理论、机器人术语、机器人传感技术、 机器人机械结构设计、机器人控制和机器人数学 基础等内容，同时，所开设的理论课程必须辅助 以相应的实验课程来补充，增加学生动手操作的 机会。 2. 制定合理的课程评价和考核办法 机器人课程不同于其他传统课程，它是一门 跨专业、高度综合的新兴技术课程，具有明显的 学科交叉性和实践性。所以其课程评价和考核办 法也应该和其他传统课程有所区别。机器人课程 的评价要注重学生在活动过程中的自我反思，多 样化的评价方式有助于全面反映学生在课程中所 获得的知识以及知识的灵活运用情况。评价可以 根据学生的课程学习、实验与设计项目的完成情 况，也可根据学生的实质性成果来进行 [2]。 除了一些基于基本理论知识的常规考核外， 还应该侧重于实际动手操作和创新制作方面的考 核。如基本器件和模块的组装、测试、调试、策 略规划、程序编写和测量，以及根据某些设想完 成的机器人系统构建和创新制作实践环节的考核 等。概括起来，机器人课程考核主要包括专业知 识、程序编写、调试与测量、创新制作四个部分， 其中专业知识考核采用传统的试卷考核的办法， 程序编写、调试与测量需要在机器人实验室选择 相应的机器人实验平台完成，而创新制作需要学 教学研究与改革 110 2010 年第 1 期 中国地质教育 CHINESE GEOLOGICAL EDUCATION 生自己动手搭建机器人系统，完成结构件的设计 与制作，最终成绩和效果以一个实质性的成果形 式体现。 3. 开设机器人实验，为学生创设自主发挥空间 机器人实验是对机器人专业知识理论学习的 最好的补充，还可以增强专业课程学习的目的性、 针对性和学习热情，也一直深受学生的欢迎。开 展机器人教育，就必须开设多种形式的机器人实 验，为学生提供机器人系统模块配置、模块设计、 程序编写、系统调试和创新制作等实践平台和环 境，特别是那些难度系数比较高的开放性和创新 性实验，可以以项目的形式开展，由于每一个项 目都没有 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的和唯一的答案，学生们需要不断 的探索和研究，因而也有一个可以任其自由发挥 的空间，这对培养学生解决工程实际问题所必需 的工程素质、创新能力和实践能力是一个最佳的 锻炼途径和方法。 4. 开展机器人竞赛活动 开展各种机器人展示和竞赛活动是一项很好 的科技创新活动，也是普及机器人教育的一个重 要途径。它不但能够有效地激发学生的学习和研 究的兴趣，而且还是一项综合了机械、电气、计 算机、自动控制和数学等多学科的知识的综合性 训练。对提高学生的语言表达能力、独立分析问 题和解决问题的能力、综合运用专业知识的能力、 自学能力以及团队协作能力等都是一个比较理想 的途径。 不仅可以组织学生参加各省的机器人科技竞 赛，还可以参加全国性的机器人竞赛，如机器人 足球世界杯（RoboCup）、FIRA 机器人足球赛、 机器人灭火比赛、CCTV 全国机器人电视设计大 赛和一年一度的“广茂达杯”中国智能机器人大 赛，以及国际级别的亚太大学生机器人大赛等机 器人科技竞赛。更为重要的是要定期开展学校和 学院级别的机器人科技竞赛，吸引更多的学生参 与，才能为更高级别的比赛以及机器人研究和开 发培养和选拔更多的后备人才。 5. 加强校企合作，构建机器人产学研平台 机器人生产商是机器人教育的一个隐性推动 者，在国内外，部分机器人课程的顺利实施都得 益于机器人生产商，特别是教育机器人和竞赛机 器人生产商的支持。机器人生产商为学校免费或 有偿提供机器人产品；协助学校建立机器人实验 室，开展机器人教学、研究，合作申请科研项目， 合作开展相关技术研究和开发；为学校培养师资 和学生；协助学校参加各种级别的机器人竞赛。 正是因为他们的积极参与，和学校建立了很好的 产学研关系，推动着机器人教育的不断发展。同 时，由于高校的参与，也促进了企业产品的不断 完善和升级，使得机器人产品在学校和企业得到 更好的推广和应用，形成了一种比较理想的产学 研合作方式。 三、我校开展机器人教育的做法和实践 智能机器人是一门跨专业和高度综合的新型 学科，是典型的光机电一体化高度集成的产品， 它综合应用了数学、力学、机械、电子、计算机、 自动控制、数据通讯、人工智能、工程材料和网 络技术等学科的最新技术和成果。由于它的先进 性、知识密集性、技术集成、高度智能化和神秘 感而倍受广大师生的青睐。2002 年机器人引进我 校时，立即引起学生的浓厚兴趣和广泛参与。首 批引进的机器人系统成为激发学生创新热情和求 知欲、培养创新能力和实践动手能力的最佳教学 平台。我校机器人实验室也成为最受学生欢迎的 实验室。 近年来，我校高度重视机器人教育，不断加 大机器人教学和研究方面的投入，在机器人教育 与科研方面已经形成了自己的特色，图 1为我校的 图 1 机器人教育过程模型示意图 111总第 73 期 机器人教育过程模型的示意图。2004 年，在借鉴 国内外高校先进经验的基础上，我校机械学院建 立了智能机械与机器人实验室，开展移动机器人、 仿人形机器人、蛇形机器人、管道机器人和小型 竞赛机器人的教学与研究。我们在 2001，2002， 2003，2004，2005 级本科生的毕业设计等教学改 革中进行机器人教育改革试点，在毕业设计题目 中和先进制造技术等相关专业课程考核中增加机 器人设计与创新制作方面的选题。在智能机械与 机器人研究所老师们的指导下，这些同学相继完 成了“24 自由度仿人形机器人的设计”、“果树采 摘机器人的设计”、“液压支架专用焊接机器人”、 “仿生蜘蛛的设计与制作”、“管道除垢机器人”、“管 外自动喷涂机器人的设计”等 30 多个课题。其中 部分设计作品参加了全国大学生机械创新设计大 赛和全国大学生过程装备实践与创新大赛，获得 全国一、二、三等奖各 1 项，省级奖励 10 余项， 申请专利 3项。 学校采用了以研究促进教育的方式开展机器 人教育，机器人研究所的研究人员共参与国家 863 计划项目和国家自然科学基金项目等有关机器人 的项目 10 余项，发表了近 20 篇研究论文，取得 了一批研究成果。这有效促进了我校机器人教育 工作的开展。如今，我校已经把“智能机械与机 器人”、“人工智能”和“机器人创新制作”等课程 列入本科教学计划中。 目前，我校智能机械与机器人实验室除了可 开展上述仿人形等机器人的教学、研究和实验外， 还可以开展机器人灭火比赛、机器人足球比赛和 趣味机器人比赛等机器人竞赛活动。我们每年都 举办学院和学校级别的机器人大赛，每次都吸引 机械、化工、计算机、地质和材料等多个专业的 数百名选手参加。由于机器人教育的开展，学生 对机器人创新制作和机器人竞赛兴趣非常高，这 广泛激发了学生的学习热情和创新的动力，这不 仅强化了他们对所学专业知识的理解，还拓宽了 专业知识面，培养了创新设计能力和对跨专业知 识的综合运用能力，从而使机器人教育成为学校 开展创新教育的重要方法。2008 年，笔者主持完 成的教研项目“工科学生创新能力培养机制研究” 获得了安徽省教学成果一等奖。 参考文献： [1] 万佑红，蒋国平 .机器人教育与大学生创新能力培养的探索 [J]. 电气电子教学学报，2005，(8)：7-8. [2] 王益，张剑平 .美国机器人教育的特点及其启示 [J].现代教育技术，2007，(11)：108-112. [3 王成军 . 创造学 [M].北京：人民军医出版社，2005. Carrying out Robot Education and Cultivating Creative Ability WANG Cheng-jun, SHEN Yu-zhe Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China Abstract: 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. Key words: robot education; creative education; creative ability; engineering quality 王成军等：开展机器人教育 培养创新能力