基于機器人競賽的創新能力訓練

寧萌 薛必倫 張秋菊 陳海衛 蔣毅

摘要：如何培養當代大學生的學習興趣，提高其創新能力和動手能力，是當代大學教育的核心問題。因為學習興趣是創造力的源泉，動手能力則是學生素質的體現，提高學生創新能力和動手能力，是教育的意義所在。本文主要介紹了通過讓學生參與機器人教育以及機器人比賽來提高大學生的創新能力和動手能力，使學生掌握機械設計和控制理論學科的知識。

關鍵詞：創新能力；動手能力；機器人教育；機器人比賽

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）06-0243-02

培養創新型人才、提高大學生的創新能力是高等教育中長期存在的一個富有挑戰性的課題。大學培養的創新型人才要能夠綜合運用所學基礎知識和基本技能，發現、分析、研究和解決實際問題，要具有較強的綜合研究能力、自主學習能力、實踐動手能力、管理協作能力，具有批判性思維、創新精神和團結協作精神[1]。

實踐教學是大學教學中非常重要的教學環節，是幫助學生理解和運用知識，提高分析并解決實際問題能力的有效途徑。合理開展實踐教學能夠提高學生們的動手能力，幫助梳理專業知識的體系結構、知識點，讓學生們做到對所學知識的融會貫通，并養成正確的批判性思維習慣[1]。

一、傳統教學模式存在的問題

（一）畢業大學生存在的問題

傳統教學模式下的大學畢業生存在著以下問題：（1）缺乏專業技術和動手能力，無法滿足現代制造企業對素質人才的需求；（2）有一定的盲目性，他們缺乏對當代制造企業的認識，不了解進入企業后要做什么；（3）沒有創新創業精神。

（二）教育本身存在的問題

目前的大學教育存在以下弊端：本科教育嚴重滯后于外部世界的快速發展；大學教育的資源配置不合理，浪費現象嚴重；書本理論知識（許多實際上已經過時）過多，缺乏與實際生活的系統性聯系。

其原因在于沒有合適的實踐對象或創新平臺，學校安排的課程實驗或者是課程設計往往都是一些“臨摹”，毫無創造性，學生沒有學習熱情，無法培養他們的創造能力與實踐能力，長此以往，造成了學生們專業知識體系不牢靠、知識點凌亂、動手能力不足，無法做到對所學知識的融會貫通，也難以養成正確的批判性思維習慣。

二、基于機器人教育的創新能力培養

什么是機器人教育，目前還沒有統一的定論。彭紹東教授認為：機器人教育是指學習利用機器人，優化教育效果及師生勞動方式的理論與實踐。郭善渡先生認為：機器人教育主要是指學習機器人的知識與技能。張劍平教授在《機器人教育：現狀、問題與推進策略》中指出：所謂機器人教育，通常是指學習機器人的基本知識與基本技能，或利用教育機器人優化教育教學效果的理論與實踐。

以機器人為主的教學活動是在具體實踐的過程中逐步完成的，要在這個過程中充分發揮學生的主體作用，全面參與機器人教育，讓學生提出機器人設計及實施方案，并互相討論比較，并由學生負責參與制作和調試。指導老師應善于聆聽學生的各種意見，鼓勵他們的各種奇思妙想，調動他們的學習興趣，獨立完成自己分配到的任務并與隊友合作完成總任務。

學生完成機器人競賽的過程能有如下好處：

1.創新能力的培養。機器人教育以及機器人比賽是培養學生創新能力的有效途徑，機器人教育或比賽通常是以小組的形式來開展并完成任務的，雖然要完成的任務是有限制的，但是如何完成這個任務卻沒有任何限制，譬如任務的分配、進度的規劃都是不固定的，是開放性的。在這種沒有過多束縛的開放性環境中，學生的想象力、創造力能被極大地調動，學生會為了完成自己的目標而積極主動地學習思考。

2.合作能力的培養。幾乎任何一個現代產品、一個項目都不是一個人所能完成的，以小組的形式展開的機器人教育或比賽，必定是要強調合作精神的，往往組員之間的合作親密程度決定了最終結果的好壞。而且學生之間的隔閡相對較小，學生之間敢于互相提問并合作解決，這極大地培養了學生的合作溝通能力。

3.邏輯思維的培養。為了完成一次機器人教育或比賽的目標，需要學生從三個方面著手。第一是對實際問題進行抽象分解，得出其基本共通點進行建模并搭建機器人雛形。學生在剛開始搭建機器人時，需要運用邏輯思維來進行分解、抽象、建模。整體組裝機器人時，又需要學生運用動手能力，整個過程鍛煉了學生的數學、物理等基礎學科的知識，又鍛煉了學生的機械設計和控制理論。最后，學生在對機器人進行調試時，需要系統、綜合地考慮所有問題，反思哪里出了問題，為什么出問題，原因是什么，是機器人搭建結構的問題還是程序編寫的問題，然后反復修改，反復調試，以達到最后能夠機械化執行任務的目的。這一系列的過程涉及科學、技術、工程、數學等學科，因此機器人教育還是STEM教育的主要陣地。

對于大學生來講，創新能力、合作能力、邏輯思維能力的培養是相輔相成的，機器人教育的過程也是大學生接受系統化工程訓練的過程，精心設計的機器人比賽也將極大地提高同學們的工程實踐能力。

機器人教育還是一種良性循環，已經參加過比賽的團隊成員可以幫助下一屆學生開發和設計機器人，分享學習和參賽經驗，幫助他們解決更加復雜的問題，在此過程中，不同層次的學生都可以獲得深刻的實踐技能和知識。通常，高年級學生幫助新生要比老師幫助新生更有效，這是因為學生之間沒有了心理上的障礙，新生敢提出各種“稀奇古怪”的問題，參賽學生之間有了更多的深入溝通和知識互補。項目合理分配與小組有效討論對于建立能夠解決復雜實際問題的研究小組有重要意義。同時，低年級學生的加入，也在一定程度上激發了其所在年級其他學生的參與熱情，帶動了他們向參賽隊員標準靠攏的積極性。與此同時，帶隊老師也應該具有豐富的項目管理經驗，合理分配任務并整合團隊成員的成果，將完成的機器人項目與現代生產實際相結合，傳授相關經驗，并能保證學生能夠提出自己的想法，開發創造力并培養動手能力。

三、我校學生參與Robocon成果

“第15屆全國大學生機器人大賽ROBOCON”以“清潔能源”為主題，作為首次參加全國大學生機器人大賽Robocon的隊伍，這只隊伍從零基礎開始，克服重重困難，設計制做了自己的參賽機器人，并經過不斷改進與刻苦練習，順利通過了中期考核，從120支參賽隊中脫穎而出，獲得了參賽資格，并在最終參賽的60支隊伍中取得了第19名的好成績。

“第16屆全國大學生機器人大賽ROBOCON總決賽”于2017年6月10日-11日在山東鄒城舉行。君遠學院機器人隊就已經開始招兵買馬準備第二次參賽。本屆大賽主題為“舞盤雅樂”，靈感來自我國古代傳統游戲“投壺”，每場比賽有兩支隊伍參戰，通過機器人拋擲飛盤落在遠臺的準確度與速度來決定勝負。代表江南大學參賽的君遠學院機器人隊齊心協力，頑強拼搏，從來自全國184所高校的參賽隊伍中脫穎而出，挺進全國16強，榮獲本屆大賽“二等獎”和“最佳組織獎”。

四、總結

要想進一步激發大學生的創造力，培養更多有創新意識、綜合能力高的學生，在激發內在動機的同時，學校以及社會外部環境對學生創造動機的影響也要給予充分的重視。通過設計良好的競賽制度，建立完善的創新教育體系，以及通過科技競賽塑造大學生創造性人格等方法來進一步激發大學生在科技競賽中的動機，會進一步促進我國對創新人才的開發與培養。

開展機器人比賽活動，能夠有效激發學生參與技術創新、程序開發與項目研制的興趣與愛好，為其今后的學習工作生涯奠定基礎。培養學生創新能力，激勵學生創新意識符合當代社會對素質化人才的要求，通過參與機器人比賽，學生還能培養團隊協作能力，將所學知識用在實處，獲得良好的體驗和高度成就感。

參考文獻：

[1]盧惠民，李迅，徐曉紅，鄭志強.合作學習教學模式在學科競賽中的應用研究[J].高等教育研究學報，2013，36（3）：80-82.

[2]Mehmet Tekerek.A human robot interaction application for robotic education[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences，2009，1（1）.