激發(fā)自主學習熱情構(gòu)建機器人創(chuàng)新平臺

李 敏,張 毅,徐曉東,羅 萍

(重慶郵電大學自動化學院,重慶 400065)

0 引言

隨著計算機普及化程度的加深,越來越多的知識可通過網(wǎng)絡(luò)獲取。對大學生來說,理論知識的學習變得越來越簡單。與此同時,越來越多的學生將更多的目光和時間精力投入到實踐能力的培養(yǎng)上。通過對我校電氣工程及自動化專業(yè)學生近幾年的觀察發(fā)現(xiàn):經(jīng)過一年的理論學習,同學們在大二的時候表現(xiàn)出強烈的愿望,希望能參加專業(yè)性強、有趣味、能挑戰(zhàn)自我并從中獲得樂趣的課外科技活動。而機器人設(shè)計制作無疑是其中最能激發(fā)學生興趣、培養(yǎng)學生動手能力的創(chuàng)新型項目。

機器人技術(shù)結(jié)合了電子、電氣、自動化、機械、光電、通信、計算機等學科,對于電氣工程及自動化專業(yè)大二、大三學生來說,入門很有難度。如何引導(dǎo)學生在有效的學習中,設(shè)計制作出自己感興趣的、有創(chuàng)意的機器人,構(gòu)建合適的機器人平臺顯得尤為重要。很多高校都做了不同的探討[1-5]。本文將結(jié)合我院近幾年開展機器人課外科技活動談?wù)剻C器人創(chuàng)新平臺的建設(shè)。

1 創(chuàng)新平臺的構(gòu)架

實踐環(huán)節(jié)在培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)、創(chuàng)新能力、工程意識等方面有著明顯的優(yōu)勢,具有直觀性、實踐性、綜合性和創(chuàng)新性的特點[6]。不管實驗體系如何完善,實驗設(shè)備如何先進,如果離開了學生的自主學習,都將無濟于事。因此,激發(fā)學生自主學習熱情,培養(yǎng)學生實踐動手能力就成為越來越多的高校實施素質(zhì)教育的共識。就我校這幾年的情況來看,也屢屢提出開放實驗室、讓本科生參與科研等,終因資金投入、日常值守、設(shè)備維護、學生知識結(jié)構(gòu)等因素而沒有很好的效果,有些甚至是曇花一現(xiàn)。

要建立具有梯度的、適合學生攀登的機器人創(chuàng)新平臺,需從政策扶持、師資培養(yǎng)、經(jīng)費配備、學生選撥、內(nèi)容編排、交流平臺、鼓勵促進等方面進行考慮。其框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。機器人創(chuàng)新平臺的建立是個耗時、費錢的工程,但其對學生自主性、創(chuàng)新性的培養(yǎng)卻有立竿見影的效果。而學校的政策支持是基礎(chǔ)。如果領(lǐng)導(dǎo)班子不重視、不支持,對于組織的老師沒有相應(yīng)的鼓勵措施,沒有相應(yīng)的經(jīng)費支撐,這項工作就難以展開;同時,如果沒有專業(yè)的、耐心的教師隊伍,單靠學生自行摸索,一方面會損傷學生的銳氣,另一方面將極大降低學生的學習效果;在實驗內(nèi)容編排上,實行梯級對待,對新進的學生可以安排簡單、容易做到的任務(wù),讓其產(chǎn)生興趣,而對有一定基礎(chǔ)的學生則可讓其挑戰(zhàn)難度大的題目,幫助其確立信心;此外,對于參加并取得較好成績的學生,應(yīng)給于相應(yīng)的獎勵,如可以免修學分、給以精神和物質(zhì)獎勵等,激發(fā)學生的學習熱情。

圖1 機器人創(chuàng)新平臺構(gòu)架

2 實施要素

2.1 以競賽促進步

目前,國內(nèi)比較有影響力的機器人方面的競賽大致分為兩類:一類是國際機器人大賽在中國的選撥賽,如每年的 FIRA機器人足球賽、ROBOCUP機器人大賽等;另一類是一些大的機器人公司所舉辦的每年一次的機器人賽事,如廣茂達杯機器人比賽。此外,還有一些以地域或校際之間組織的規(guī)模較小的機器人比賽。這些比賽一方面促使中國的機器人技術(shù)在高校快速傳播、發(fā)展起來,另一方面為各個機器人研究團體提供了廣泛交流、共同促進的平臺。鼓勵學生積極參加各種比賽,幫助他們樹立信心,開拓眼界,不斷提高。我校近幾年積極鼓勵學生參加Fira、RoboCup中國賽區(qū)的各項比賽以及國內(nèi)的各企業(yè)、院校組織的邀請賽或表演賽。

2.2 合理的經(jīng)費支持

機器人設(shè)計制作相比其他課外科技活動需要更多的經(jīng)費支持。這一方面源于其在國內(nèi)的初期發(fā)展,很多技術(shù)難點都是處于探索階段,尚未大規(guī)模成型,其研發(fā)成本高昂;另一方面,國內(nèi)機器人公司尚少,規(guī)模小,創(chuàng)建時間短,難以提供齊全的、性價比高的零配件或制作平臺。因此,要開展機器人創(chuàng)新活動,需要學校提供較長足的經(jīng)費支持。拿人形機器人來說,目前市場上不含視覺處理的報價在1-2萬,帶有視覺處理的在2-3萬,這還不含磨損嚴重的舵機、電機、電池等零配件的更換費用。因此,機器人創(chuàng)新平臺建立初期,費用主要花費在機器人購置上;而到了一定階段,學生對機器人的構(gòu)造、軟硬件設(shè)計方法較了解的時候,就可以自行設(shè)計制作自己構(gòu)想的機器人,此時,費用主要為結(jié)構(gòu)件的制作、電路板的制作和元器件的購置等。如果學校有相應(yīng)的金工實習工廠或者機械加工廠,則這些費用將會大大減少,只需添置一些常規(guī)的配件,如電機、舵機等,就可以很好的開展機器人科技活動。

2.3 培植教師隊伍

這對于大多數(shù)本科生來說,入門及提高難度均較大。沒有專門的教師隊伍進行長期的指導(dǎo),學生很難堅持下去。而機器人技術(shù)發(fā)展迅猛,更新?lián)Q代極快,這就要求指導(dǎo)教師擁有良好的專業(yè)素養(yǎng)、敏銳的技術(shù)眼光,跟得上最新的科學發(fā)展。同時,學生科技活動需要耗費大量的時間、精力,而指導(dǎo)教師一般都有各自的教學及科研任務(wù),因此學校在政策上需對這些教師進行傾斜,以鼓勵其能長期堅持下去。很多學校都是在臨近比賽的時候,讓一些任課教師臨時指導(dǎo)學生,這種做法一方面沒有傳承性,不能給予學生最好的指導(dǎo),另一方面,也使得學生的積累不夠,在各種比賽中難以取得好成績。因此,培養(yǎng)一支專業(yè)的、熱愛機器人事業(yè)的、能長期堅持的指導(dǎo)隊伍非常重要。

2.4 建立學生梯隊

對于本科生來說,機器人設(shè)計制作的培養(yǎng)期一般為1-2年,有些難度較大的項目,則可能長達3年以上。就普通參賽項目來說,從學生進入實驗室到其能獨立設(shè)計制作,時間大概為0.5-1年。而參加機器人競賽的大部分為大二或大三學生。因此,我校一般從大二學生中招收新手,其考慮為:大一學生在基礎(chǔ)知識上累積較少,像電路、數(shù)電、模電、單片機等主干課程都沒有學過,太早進入會加長入門時間,磨掉其對機器人的熱情,而太晚進來,則后期制作時間不夠,難以有大的突破。有些有條件的學校也會從大一學生中招收新成員。對于大一部分非常勤奮、積極要求加入的學生,我們也允許其在大一的時候以編外的身份接觸稍簡單的機器人制作。為了加深學生之間的配合和溝通,我們的做法是讓高年級同學帶領(lǐng)低年級的,在組隊的時候一般是2個大三+1個大二或是1個大三+2個大二模式。另外,在知識傳承上,除了他們之間的課余交流,也會定期或不定期的讓高年級同學做技術(shù)報告。實踐證明,這種方法非常有效,能夠大大減少了學習周期。

2.5 制定實驗規(guī)劃

機器人設(shè)計制作涉及到各方面的知識,對于前期培訓(xùn)階段,需編排合適的實驗內(nèi)容幫助學生更好、更快的度過入門階段。我們在前期培訓(xùn)階段,編寫一些難易適中、針對性強、目的明確的實驗項目供這些學生練習。如傳感器數(shù)據(jù)的采集、電機、舵機的驅(qū)動控制、電源穩(wěn)壓、升壓、降壓的設(shè)計以及簡單程序的編寫調(diào)試等,通過這些基本單元的練習,幫助學生實際認識機器人的組成部分、工作原理以及基本器件的使用、調(diào)試方法。對于已經(jīng)入門的學生,鼓勵他們提出自己的構(gòu)想,幫助分析可行性及重難點,引導(dǎo)其一步一步朝正確的方向前進。而對于要參加競賽的學生,則需幫助全面分析各參賽隊的特點,自身存在的問題,未解決的難點,尋找制勝的方法。

2.6 搭建交流平臺

建立一個方便各方面同學、師生之間交流的平臺十分重要。對于內(nèi)部成員之間,常用的方式為各種即時通信工具,如校內(nèi)的飛鴿傳書、QQ、電子郵件等,這些在點對點或群討論的時候發(fā)揮了即時、快捷的功效。而在對外展示方面,建立相關(guān)的網(wǎng)站則是最好的方式。很多大學都擁有自己的機器人網(wǎng)站,介紹了各團體機構(gòu)在機器人方面的研究進展、成果,提供了機器人領(lǐng)域最新技術(shù)、方案,還提供了方便交流的論壇或留言板,這些均為學校、團體、所攻克的技術(shù)提供了展示窗口,為同業(yè)人員提供了大范圍內(nèi)交流的平臺。

2.7 推行鼓勵措施

很多學生將巨大的熱情、時間、精力投入到機器人設(shè)計制作中,且在實踐方面獲得很大的成果,但仍需面臨繁重的學業(yè)任務(wù)。因此,學校如能在學分、評獎、評優(yōu)、考研等方面給予這些學生更多的鼓勵和支持,則能引導(dǎo)其更有效進行本科四年的學習。例如,很多學校都有規(guī)定:在各種賽事中獲得較好名次者,可免修某一模塊的學分;評獎評優(yōu)時給予優(yōu)先考慮;免試讀研或考研錄取時給以加分或免復(fù)試等。這些政策極大的鼓勵學生在機器人方面的投入,也使得其能更好的規(guī)劃自己有限的學習生涯,取得更好的成績。此外,還有一些物質(zhì)或精神上的獎勵等。

3 結(jié)語

綜上所述,機器人創(chuàng)新平臺的建立是個長期的工程,需要各方面的努力、配合,包括政策、經(jīng)費、師資、學生選撥、實驗規(guī)劃等方面;但其在學生自主學習熱情、實踐能力的加強上發(fā)揮了無可替代的作用。在強調(diào)工程實踐能力的電氣工程及自動化專業(yè),機器人創(chuàng)新平臺無疑是培養(yǎng)學生工程實踐能力、分析和解決問題能力、科學研究方法的最有效方法。

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