基于機器人足球的大學生創新素質培養的探索與實踐

張潤梅　龔　劍

文章編號：1672-5913(2009)02-0022-02

摘要：“機器人足球”是以體育競技形式展示的高技術的對抗，涉及多領域的前沿技術集成。本文分析了高校開展機器人足球對大學生創新能力培養的重要意義，并闡述我校以機器人足球為平臺的大學生創新能力培養的實施方案，最后對開展機器人足球對信息類專業的本科教育的影響進行了探討。

關鍵詞：機器人足球；創新素質；教育改革

中圖分類號：G642.0

文獻標識碼：B

1機器人足球

機器人足球比賽，顧名思義，就是訓練和制造機器人進行足球比賽，就是通過體育競技的形式來提高人工智能領域、機器人領域的研究水平[1]。機器人足球賽的設想首先是由加拿大不列顛哥倫比亞大學教授Alan Machwor在1992年的論文《On Seeing Robots》中提出的。研究目標是計劃經過五十年左右的研究使機器人足球隊能戰勝人類足球冠軍隊。目前，有關機器人足球賽的國際組織有兩個：FIRA組織和RoboCup聯合會。

FIRA(Federation of International Robot-Soccer Association)是由韓國人創辦的組織，從1997年開始每年舉辦一屆比賽，其國際影響較小，主要有韓國、新加坡、巴西等一些國家的研究機構組隊參賽。RoboCup聯合會成立于1992年，1996年在日本舉行了一次表演賽，獲得了很大成功。第一屆RoboCup比賽和會議于1997年舉行，以后每年舉辦一屆。RoboCup的活動包括學術會議、機器人世界杯、RoboCup挑戰計劃、RoboCup教育計劃等。

機器人足球世界杯是RoboCup活動的中心，包括小型機器人比賽、中型機器人比賽、Sony有腿機器人比賽、仿真機器人比賽等。仿真機器人比賽是RoboCup比賽中參賽隊數目最多的一種，其規則基本上與國際足球聯合會的比賽規則一致。比賽的方式是由Robocup委員會提供標準的Soccerserver系統，各參賽隊編寫各自的CLIENT程序，模擬實際足球隊員參加比賽。

作者指導的安徽建筑工業學院機器人代表隊參加了2004-2007年的全國機器人大賽，連續幾年都取得了仿真2D和仿真3D三等獎的好成績。本文結合實際參賽的經驗，對基于機器人足球的大學生創新能力培養的機制和實踐進行探討。

2機器人足球促進學生創新素質的培養

國內高等教育教學存在一些不容忽視的問題，如重理論知識的講授，且知識結構不合理，理論教學跟不上新理論的發展；實驗教學薄弱，課程實驗多為驗證性的；對學生創新能力的培養不足等。機器人足球教育不同于傳統的課堂理論教學，具有實踐性強、探索性強和綜合性強的特點，有利于學生創新能力的培養。

2.1培養學生創新意識和創新能力

高等學校的教育與“應試教育”有本質的不同。然而,“應試教育”下形成的“滿堂灌”、“填鴨式”等教學方法在大學教學中同樣存在，單一、死板的教學形式束縛了學生思維的發展、個性的塑造及創新能力的培養，造就了大批只會考試的人才。機器人足球隊的開發從方案的制定到具體的實施，全部由學生獨立完成。這就使學生由被動學習轉向主動學習，學生獨立分析問題，自主選擇知識，結合所學的理論知識去解決實際問題。學生通過研究分析，極大地發揮個人潛能，培養了學生的設計能力、動手能力和跨專業學習的綜合創新能力。因此機器人足球為創新教育的開展提供了良好的平臺。

2.2培養學生的團體意識和合作共事能力

合作意識和團隊精神是現代人應具備的基本素質，這種素質對大學生將來進入社會，做好工作是十分重要的。由于機器人足球系統的開發是一個比較大的工作，需要多人配合才能完成，并且需要不斷進行優化。通過大家共同的協作，學生能夠完成一些靠他們人所不能完成的或者需要很長時間才能完成的任務。雖然每個的編程水平、動手能力和解決問題的思路不盡相同。團隊給學生提供了一個互相學習的機會，在協作的過程中學生可以學會作技術報告，學會與人相處，認識團隊合作的重要性，不斷增長自己的才干，進而培養起以后工作以及研究所必須的團隊合作精神。

2.3培養學生的研究能力

機器人球隊的開發是將素質教育、創新教育和前沿研究相結合的一條可行途徑。與傳統的以知識傳授和技能培養為目標的課程不同，機器人足球隊的研制具有實踐性強、探索性強和綜合性強的特點，有利于迅速接觸前沿研究，并促使學生的創新能力和專業素質得到提高。由于在機器人足球的實際開發中，需要用到的知識牽涉面廣，這就需要學生自己去找資料學習一些相關的知識，在過程中學生的科研能力會得到很大的提高。

3具體實施

機器人足球具有低起點高落點的優勢，學生只要具備一門計算機程序設計語言的基礎就可以參與球隊的開發，而深入的研究則牽涉到人工智能許多知識，因此被稱為是“人工智能的新標準問題”。因此選擇這樣一個平臺具有可行性。

3.1基礎培訓

機器人足球比賽是一項綜合性訓練，涉及的知識面廣，因此指導教師起著舉足輕重的作用。指導教師要引導學生正確運用專業知識，實現正確的設計方案。通過教學實踐，我們認為一年級學生以認識為主，通過舉辦講座使學生初步了解機器人足球的相關基礎知識；二年級學生為入門起步階段，通過開設全校公選課和專業選修課，使相當多的學生投入到機器人球隊的開發中，并每年組織全校的比賽，讓學生通過比賽檢驗自己的成績。三、四年級則進入高級研究階段，經過選拔入選校隊的學生則在固定的實驗室繼續從事球隊的高級開發和相關的研究。

從我校每年舉辦機器人仿真比賽中發現，同學們對機器人比賽興趣非常高,參與意識強烈，營造出了一個良好的學術和學習氣氛，調動了學生們把注意力從網絡游戲、過度交友轉化到科技創新活動和學術交流上來，促使更多學生在實踐過程中激發努力學習理論基礎知識、拓寬專業知識面、鍛煉工作能力的興趣和勁頭上面。

3.2教學實踐

(1) 開設機器人足球的全校公共選修課

RoboCup仿真球隊的開發不需要太多的硬件投入，且起點很低，只要求學生有C/C++的編程基礎就可以了，所以在工科院校開設機器人足球開發的公共選修課具備條件。作者從2005年開始開設全校公選課，凡是二年級的理工科專業的學生都可以選課。幾年來，選課的學生人數逐年增加，平均每年有400人通過選課熟悉機器人足球的相關知識，在球隊程序設計過程中得到計算機應用能力的鍛煉，取得了較好的效果。每年的全校機器人足球仿真比賽的參數隊也逐年增加，每年有近200人參加比賽。

(2) 將機器人足球列入信息類專業的培養計劃

和全校公選課不同的是，機器人足球作為信息類專業學生的專業選修課在二年級的第一學期開設，是學生學習完C/C++之后接觸的第一門專業課，課程主要針對RoboCup仿真比賽，詳細介紹球隊開發的基本知識和技巧，考核的方式是對學生進行分組，每組提交自己開發的球隊。

(3) 機器人比賽

每年舉辦的全校機器人比賽為學生提供互相切磋、互相促進的平臺，使學生通過比賽發現自己的不足，以便找到進一步努力的目標。通過比賽也能涌現出一批具有較強的動手能力的學生，這些學生將作為校隊的成員進入機器人足球實驗室，由專門的指導教師帶領，進一步學習機器人足球的高級技能，并從事與機器人足球相關的一些研究活動。

(4) 機器人足球實驗室

2002年我校組建了機器人足球實驗室，由學生自主管理，全天開放，有專業老師負責指導，每年都有近50名學生在其中從事機器人足球的開發，并每年組隊參加全國機器人大賽。實驗室成員以3-5人為一個組，合作開放自己的球隊，隊內協作，隊間交流。2個月進行一次對抗比賽，通過比賽相互學習。同時建立交流制度，每周都有球隊作開發報告，報告自己的最新進展及技術要點，通過報告交流設計心得和體會。指導老師則主要是對學生的設計進行引導，并對實驗室的總體進展進行協調。

3.3取得的效果

通過幾年的實踐，我們發現開展機器人足球的比賽使學生的計算機應用能力得到了顯著的提高，提高了非信息類專業的學生學習計算機的興趣，也使學生對科技創新活動有了新的認識，機器人足球這種低起點的平臺被越來越多的學生接受。具體如表1所示。

信息類專業的學生通過參與機器人比賽獲得了更多的實踐能力，體驗了系統開發的過程，學會了如何進行技術交流，學會了如何在系統開發的過程中進行協作；激發了學生的研究興趣，他們積極參與老師的項目，從事人工智能的相關研究，有10名學生發表了研究論文，機器人足球實驗室的成員90%考取研究生，10%的學生成為用人單位爭搶的對象。

4機器人足球對本科教育的影響

隨著高等教育進入大眾化階段，大學生的理論學習和實踐脫節的問題越來越受人們關注，很多用人單位都抱怨現在學生的實踐能力不強。在校大學生也逐漸認識到理論學習和實踐的距離，自覺拓展知識面，將理論知識延伸到實踐中是學生的內在需求，也是對現有本科教學的促進和補充。

機器人足球所反映的問題也給老師的教學提出了一些思考，相關課程(尤其是那些理論性強的課程)的教學內容如何進行調整和充實，才能使課程內容更豐富，形式更生動，更具有實踐性。組織學生參與競賽所積累的經驗和知識也為教材的修訂提供了好的素材，提高了課程教學新知識的比例。

從學生參與球隊開發的過程看，學生使用的參考書很少是教材，這一定程度上反映了教材建設存在的問題；從學生的參賽經歷來看，學生投入大量的時間從事球隊的開發和相關知識的學習，不但成績沒有下降，而且動手能力和學習的主動性大幅度提高；由此看出，現有的教學體系在挖掘本科生素質培養潛力方面有較大的改進余地。

通過我校的初步嘗試，說明開展機器人足球教育是切實可行的。所以，在高等工科院校開展機器人足球教育，可以激發大學生們開發與研制高科技的興趣與愛好，培養科學創新精神，激勵創新思維；可以進一步推動高等院校的課堂教學與實驗改革，同時也為活躍校園科技，為培養未來科技創新人才提供了一個真實的平臺。

參考文獻

[1] 洪炳熔. 機器人足球比賽―發展人工智能的里程碑[J]. 電子世界,2004,(4):4-5.

[2] 彭紹東. 論機器人教育[J]. 電化教育研究,2002,(6):3-7.

[3] 謝迪斌. 把培養創新能力貫穿于素質教育的始終—關于高校創新教育的思考[J]. 廣東工業大學學報(社會科學版),2003,(4):15-18.

[4]崔世鋼等. 機器人與教育改革[J]. 機器人技術與應用,2000,(4):16-17.

[5] 朱紅. 從普渡大學通信專業教學計劃得到的啟示[J]. 電氣電子教學學報,1996,(4):9-10.

[6] 戴先中. 自動化科學與技術學科的內容、地位與體系[M]. 北京:高等教育出版社,2003.