課賽結合的機器人創客平臺建設探索

陳新兵， 龍曉莉， 陳 虹， 謝斌盛， 張方櫻

(廣州大學 實驗中心 ，廣東 廣州 510006)

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課賽結合的機器人創客平臺建設探索

陳新兵， 龍曉莉， 陳 虹， 謝斌盛， 張方櫻

(廣州大學 實驗中心 ，廣東 廣州 510006)

在國家實施創新驅動發展戰略的背景下，如何培養創客人才已成為高校的重要課題。論文首先闡述了創客對于高校創新創業教育的重要意義，討論了實習教學與課外創新的對接設計，然后結合廣州大學現狀，介紹了依托電子實習中心，整合智能車/機器人相關資源，構建一體化機器人創客教育平臺的總體思路，并從創客平臺、電子實習、生產實習和課外創新等方面，對課賽結合的建設方式進行了積極的探索，立足普及機器人技術，引領學生以循跡智能車為基礎，進行創意機器人設計。實踐表明，一體化平臺的建設解決了機器人技術門檻較高的問題，有效提升了學生的工程能力和創新意識，促進了跨學科創客人才的培養。

電子實習； 創客教育； 人才培養； 教學設計； 機器人

0 引 言

國內外興起的創客運動，強調實踐、創新與分享，改變著大學生的學習方式，成為高校提升學生實踐創新能力的新途徑[1-2]。2015年初國務院先后頒布《關于發展眾創空間推進大眾創新創業的指導意見》和《關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》，提出了發展眾創空間平臺，降低創新創業門檻，營造創新文化氛圍，激發大眾創造活力，創新驅動發展等舉措，把推進創新創業教育作為高等教育綜合改革的突破口，順應了網絡時代萬眾創新的趨勢，對推動大學生實踐創新活動，從小眾過渡到大眾普及型，具有宏觀指導意義。

電子實習是培養大學生實踐創新能力的關鍵環節。長期以來，實習教學側重于通用實踐技能的培養，在對接課外創新方面存在不足，加上學時少，年級低等因素，造成較多學生因門檻高，機會少等原因，未能如期走上課外創新之路，一些高校采用分層次教學、設置創新訓練內容、實行自主開放等措施[3-4]，取得一定效果，卻未能從根本上解決實習和課外創新對接不足的問題。面向人人的眾創理念[5]，強調實踐的創客運動[6]和跨學科的機器人技術[7]，為構建校級實踐創新一體化平臺帶來了新思路。

以推進創新教育綜合改革為目標，廣州大學依托校電子實習中心構建了機器人創客基地(下稱“基地”)，整合資源建設了一體化創客教育平臺，采用課內課外相結合的貫通式教學設計，建立了自主學習、自由探索的育人環境，營造了積極實踐、鼓勵創新的文化氛圍[8-9]，提升了創新人才培養水平，下面從平臺建設、實習改革和課外創新等方面進行介紹。

1 一體化創客平臺

電子實習中心負責全校硬件工程實訓，根據跨學科創新人才培養的需要，以機器人技術為主題，整合了現有的“電工電子實習”“電類生產實習”、科普活動、相關賽事及其選修課(圖1)，構建了“一體化、分階段”的校級創客教育平臺，工程教育回歸工程應用，立足普及機器人技術，探索以課賽結合方式引領機器人創新工程，使學生得到系統的工程歷練，培養創新型工程人才。

圖1 校級機器人創客教育平臺

機器人作為《中國制造2025》計劃的重要內容，對我國智能制造和產業升級至關重要，也對高校傳統的專業人才培養模式提出了挑戰。機器人技術綜合性強，涉及學科多，入門門檻高，投入精力大，基地根據智能車是機器人技術基礎的特點，制訂了先智能車后機器人的分階段漸進式培養計劃，施行課內外對接的貫通式教學設計，具體如下。

1.1 電工電子實習

電工電子實習又稱電子工藝實訓，是面向理工科專業開設的工程訓練課程，包含安全用電、電工技能和電子制作等內容，培養大學生的實踐動手能力[10]，教學改革須解決與后續課外創新關聯不夠的問題。

為系統性地提升學生的工程能力，基地把該課程納入了機器人創客教育整體規劃，采用了機器人的基礎原型—智能車，進行機器人入門教育，降低了普及難度，以焊接、調試訓練為重點簡化了智能車設計，將整車分解為電源模塊、尋跡模塊、驅動模塊、車燈模塊和核心模塊，課堂教學側重單片機外圍電路，明晰了各模塊教學內容和培養目標(見表1)，采用模塊化設計滿足了各學科需求，工程教育回歸工程應用，學生在動手實踐基礎上，對智能車有一個整體系統概念，初步具備解決硬件領域電類問題的工程實踐能力。

表1 電工電子實習教學設計

實習設置了課外自學進階模塊，基于“做中學”理念制作了教學課件，科普單片機應用編程，共享了智能車軟件源碼，學生課外自主完成整機的軟硬件聯調，解決了課內學時少的問題，實現了課內課外的無縫對接，保障了工程的完整性和實踐的連續性，激發了學生深入學習的興趣，實現了普及目標。此外，核心模塊預留了硬件擴展接口，方便學生以此為硬件平臺，改進智能車設計，進行擴展應用，把智能車設計為學生未來工程實踐的創新起點，提升了學生的工程實踐能力和自主學習能力。

1.2 電類生產實習

電類生產實習是學生體驗生產實際，了解專業知識行業應用，準備就業創業的實訓環節。由于企業不提供短期硬件開發類崗位，生產實習普遍存在參與深度不夠的問題[11]。

基地以硬件工程師為培養目標，結合機器人創客教育整體規劃，改革了生產實習教學內容和實訓模式，采用項目驅動教學法(見圖2)，重點提升學生的產品開發能力。與企業合作建立了校內生產實習基地，逐步配套了產品設計環境、雙面板快速制作系統、自動貼片生產線和調試裝配區。學生在產品分析的基礎上，結合逆向工程，重點掌握行業主流設計軟件Altium Designer，進行電子產品開發的全過程。

實習過程中，每組學生分工合作，開發一臺產品級的智能車/機器人，根據實際需求設計電源管理模塊、傳感及信號調理模塊、紅外測距模塊和電機驅動模塊，通過修改程序完成軟硬件聯調，測試實際性能指標是

圖2 生產實習教學設計

否滿足設計需求，掌握電子產品的設計、開發、生產、調試到裝配的整個流程，通過研發、采購、生產、管理與銷售等環節了解企業運作，了解產品開發須注意的實際問題，學會運用專業知識解決應用問題，具備工程師的綜合素養，為從事創新創業，和相關領域的生產科研工作積累工程經驗。實習教學進行的小批量生產，為智能車/機器人校內選拔賽和科普活動，提供硬件支持，并根據使用反饋不斷改進電路設計，提升了學生的設計開發能力、工程能力和團隊合作意識。

1.3 課外創新

基地設立了智能車、機器人和無人機三類創客主題，提供環境、設備、工具與創客資源，課賽結合引領課外創新[12]，其中智能車大賽和機器人大賽是全國有較大影響力的跨學科綜合賽事，以新興的的汽車電子/機器人技術為背景，涵蓋機械、電子、傳感、控制和計算機等多學科內容，融科學性、趣味性和觀賞性為一體，包括硬件設計、軟件設計、機械設計、控制算法、整車調試等環節，學生組建跨學科團隊，通力合作完成一個工程項目的設計、制作、調試和優化，通過現場競技檢驗整機的綜合性能，成為廣受歡迎的跨學科實踐創新平臺[13-14]。

課外環節是課賽結合教學設計的重點，根據光機電算一體化，跨學科提升STEAM綜合素養的育人需求，基地組建了包括企業工程師、資深指導老師和高年級學生的創客導師團隊[15]，定期交流經驗、根據實際情況制定下一步方案。每個導師負責若干個項目組，跟蹤項目進展，提供個性化科研指導，和一站式咨詢服務，協助制定符合專業和個性發展的漸進式成長計劃，具體如下：

(1) 電工電子實習一結束，學生簽訂自主管理承諾書，即可入駐創客基地，繼續完成預留的智能車軟件編程任務，通過軟硬件聯調實現簡單循跡功能，達到快速入門和普及目標。

(2) 通過創客資源庫，共享了飛思卡爾智能車光電組、電磁組和攝像頭組初級方案，以賽事引領課外實踐，學生組成若干跨學科項目組，在實踐中分工合作，群策群力完成工程項目及其整體優化工作，積累工程經驗，初具創新基礎。

(3) 設置工業、救災、農業、健康、科普等機器人興趣小組，開源了部分軟硬件資源，舉辦專題講座和科普活動，開闊學生視野，不同專業學生組建跨學科協同創新團隊，共同完成一個機器人科研項目，各展其長，自由探索，玩出創新，組織學生申請創新實驗、挑戰杯或科普項目資助，通過實踐將創意轉化為作品，掌握從規劃、設計、制作到調試的全過程。

(4) 每年4月份舉辦智能車/機器人校內選拔賽，設置光電、電磁、攝像頭和創意四個組別，通過現場競技檢驗師生創新成果，發掘有熱情、肯努力、能鉆研、有創新潛質的學生組隊參加全國全國智能車大賽、中國機器人大賽、電子設計大賽和挑戰杯等賽事，組織具備條件的學生參加生產實習培訓，準備挑戰杯創業大賽或創業就業，形成了“自主學習、積極實踐、追求卓越、玩出創新、樂于分享”的創客文化，提升了學生的學習熱情、合作意識和實踐創新能力。

為解決實踐創新過程中的共性問題，基地與企業合作開設了系列選修課，授予創新學分，主講硬件設計、算法設計、機械設計和跨學科創新思維，基于創造的學習理念和問題驅動法進行教學設計，建立了學生助教制度增進教學互動，引領學生以循跡智能車為基礎，進行跨學科機器人創新，實現了實習與機器人課外創新的無縫對接，達到了以賽促學、學以致用的效果，課程如下：

(1) 選修課“智能車硬件設計”進行普及教育。主講硬件設計，重點介紹使用軟件ALTIUM DESIGN設計硬件及制作印刷電路板的流程，采用項目驅動教學法，通過智能車工程實踐普及電源技術、驅動技術、傳感技術、信號傳遞電路、接口技術和復雜電路調試，了解PCB結構設計、載流設計和散熱設計，了解常見技術性能指標的測定，通過入門和典型兩個實例講解MCU編程及軟硬件聯調，提高電路設計能力和應用創新能力。

(2) 選修課“智能車/機器人軟件設計”進行普及教育。主講算法設計，重點是智能車導航和機器人姿態控制，普及通用控制算法和控制策略，例如Bang-Bang控制、PID算法、模糊控制、濾波算法和聚類算法，結合實際應用，介紹圖像處理流程和信號處理工具，了解路徑識別、學習、記憶、預測與規劃，提高算法設計與優化能力，準備智能車/機器人校內選拔賽。

(3) 選修課“機器人DIY”進行創新教育。主講機械設計，介紹使用軟件Pro/Engineer設計機械手臂、支架、連桿和底盤等機械零部件，及其3D打印制作流程，通過機器人DIY工程實踐，體會設計對重心和整機性能的影響，講解STM32應用編程，結合機器人產業及其國內外創客活動，啟迪創造性思維和跨學科多視角創新，引領機器人創新工程實踐，組織申報各類科研項目，為學科賽事和挑戰杯創業大賽做準備。

2 建設成效

近3年的持續建設，廣州大學電子實習中心向機器人創客基地的升級轉型取得了階段成果，依托省電工電子實驗教學示范中心，每年12個專業參與實習，年人機時數超過5萬，根據創客成長的需要，逐步新增了機械加工區、貼片流水線、創客資源庫、智能車工作坊和機器人工作坊，擴建了自主學習區，入駐了學生創客社團協助活動組織和開放管理工作，通過一體化創客教育平臺，實現了分階段漸進式人才培養。學生在大一通過電工電子實習或類似培訓，具備焊接、調試等動手實踐能力，根據實習預留任務進行課外實踐；大二上學期通過智能車選修課提升學生的軟硬件設計能力，組隊參加智能車/機器人校內選拔賽，備戰全國智能車大賽和機器人大賽；大二下學期通過選修“機器人DIY”引領跨學科機器人創新工程實踐，組織學生積極備戰機器人賽事、電子設計大賽和挑戰杯賽事，提高實踐創新水平；大三開設“電類生產實習”，熟悉產品開發和企業運作，為就業創業奠定基礎。

基地不斷擴展項目渠道，支持更多學生實現創意，在創新中成長，建成全校各學科人才匯聚、創新與分享的創客平臺，發揮示范作用。通過組織系列青少年科普活動展示學生作品，如搜救機器人、腦電波機器人、掃地機器人、外骨骼機器人、旅行家平衡車、武術機器人、垃圾分類機器人、巡天無人機等，充實學生經費，服務社會[16]?；噩F已建設成為“機器人技術跨學科應用型人才培養模式創新實驗區”，出版教材兩本，發表論文51篇，專利申請及授權17項，競賽獲獎43項，并被學校推薦為省教學成果獎重點培育項目。

3 結 語

機器人創客基地及其一體化育人平臺的建設，打通了電子實習與課外實踐，普及了機器人技術及創客文化，促進了跨學科創新型工程人才的培養，為其他高校建設創客基地提供了借鑒。創客人才培養是一項系統工程，如何進一步優化育人環境，支持更多自選主題，以及將創意轉化為有競爭力的產品，將是下一階段的重要任務。

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Construction of Robotic Maker Platform by Course Contest Combining

CHENXin-bing,LONGXiao-li,CHENHong,XIEBin-sheng,ZHANGFang-ying

(Lab Center, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

To implement the strategy of innovation-driven development, how to cultivate maker talents becomes an important subject for universities and colleges. Taking Guangzhou University as an example, the role of maker concepts in innovation and entrepreneurship education is expounded. Started with electronic practice teaching designs related to extracurricular innovation, how to integrate resources and build an integrated robotic maker platform is presented in this paper. Furthermore, measures for course contest combining are introduced in the aspect of platform construction, electronic practice, production practice and extracurricular innovation, which make robots popular and lead to innovative robots design based on traced cars. As a result, entry and universal problem is solved，and students’ engineering ability and creative ability promoted, so more and more interdisciplinary innovative talents are cultivated.

electronic practice; maker education; talents cultivating; teaching designs; robots

2015-10-12

廣東省教育教學成果獎(高等教育)培育項目(粵教高函[2015]72號,30)；廣州市高等學校第六批教育教學改革項目(穗教高教[2014]34號,17) ；廣州市教育科學“十二五”規劃項目(2013A051，2013A038)

陳新兵(1978-)，男，河南遂平人，碩士，實驗師，電子信息實驗室副主任，研究方向：電類實踐課程的教學、建設與管理工作。

Tel.：18922168183； E-mail：chenapple@gzhu.edu.cn

G 642.0

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1006-7167(2016)09-0181-04