大學生機器人競賽的多學科融合實踐教學研究

秦緒彬 蔡曉敏 卞宇

摘要：人工智能及機器人技術在國內外高校已被列入本科生和研究生課程，高校大力發展符合國家戰略發展需求的新型專業，著重培養一大批高科技人才，助力國家科技發展。在大學生創新創業各類活動中，機器人競賽成為工科學生主流賽事之一，吸引了很多隊伍競技。機器人競賽下分服務類、無人機類、仿真類等各類機器人，橫跨計算機、電子信息、人工智能、自動化等多種學科知識體系，該文重點研究多學科融合的以賽促學和以學促賽的機器人教學模式。

關鍵詞：機器人競賽;多學科融合;課程思政;人工智能

中圖分類號：TP311? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）30-0224-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

人工智能及機器人領域近年來在各個領域飛速發展，已經從理論走向了實際的應用。包括中國在內的很多國家都將機器人技術列為國家重點發展規劃。工業機器人、服務機器人更是全面覆蓋人類生產、生活和學習過程中。隨著芯片技術、通訊技術、信息化技術等相關領域的發展，人工智能及機器人技術在不遠的將來，必然迎來飛速的發展。國內各高校對機器人以及機器人各垂直領域的研究也越來越深入。很多高校將人工智能原理、模式識別等機器人相關知識列入了研究生和本科生的培養計劃。

對于獨立學院來講，如何更好地培養“新型應用型人才”，是實踐教學任務中必須探討的。而機器人技術作為人工智能領域中重要的一個分支，對學生了解科技前沿，對學生動手能力、應用能力的培養及將來的就業都有積極的意義和深遠的影響。機器人技術是一門多學科多領域高度交叉的學科，大學生機器人競賽[1]中使用到的學科內容包括機械學、電子學、自動控制和計算機等，其中計算機語言就包括C、C++、Java、Python等主流語言。而目前本科培養計劃的知識寬度和深度與實際的應用存在不小的差距。僅以編程語言為例，從學生層面，無論競賽中還是今后工作中使用到的編程能力幾乎都集中在高級語言中的“面向對象”部分，而教學內容上，除計算機專業的學生外，其他學院的語言類教學都是以各門語言的基礎語法為主。另一方面，作為本科院校，從學生教學培養計劃上看，低年級學生課程任務較重，大三大四學生主要精力放在考研和就業上，真正適合培養學生實踐能力的時間較短，難以形成系統全面的應用型人才的培養體系。

機器人競賽能提高大學生創新實踐能力、團隊合作意識和專業技能及理論聯系實際能力[2]。同時機器人作為多個學科領域的載體，在高校的教學和研究中得到廣泛應用 [4]。

為了適應學院應用型人才培養的要求，迫切需要結合各獨立學院實際的教學培養計劃，探索并形成一套符合實際情況的兼顧常規教學、學生應用能力培養及競賽成績的多學科融合的培養體系。依托機器人實驗室和江蘇省大學生機器人競賽，重點從教學內容、教學模式、創新培養模式等方面進行研究。確定從教學實踐任務、教學任務序列、教學策略、教學內容等方面對多學科融合的大學生競賽培養體系進行研究。

2 江蘇省大學生機器人大賽多學科實踐

2.1 依托機器人競賽，明確實踐教學任務

明確實踐任務，就是根據機器人競賽項目的相關規則制定出完整、明確的教學實踐任務。教學實踐任務的設定一般包括所需的前置條件、參賽要完成的預設目標和一系列活動等。在設定時可以參考本院往年參賽的實際經驗進行展示，并根據往年比賽總結進行優化。

根據組委會要求，高爾夫比賽分三場舉行，三場比賽機器人和球的起始位置如圖1所示（白色圓為球初始位置，橙色三角為機器人初始位置，藍圓為球洞位置）。三場比賽場地及開球規則如下：

第一場：球和球洞中間無任何阻擋，球洞距離開球點3米。機器人在場內直接開球。

第二場：引入障礙物，放置位置如圖。障礙物長度為15cm（高度20cm，厚度15cm）的白色木塊。機器人從場外走入場內，把高爾夫球在規定的桿數內打入球洞。

第三場：球位置如圖所示，機器人從場外走入場內，把高爾夫球在規定的桿數內打入球洞。

比賽規則為：每個隊比賽總用時20分鐘，參賽隊場中隊員將機器人放置于機器人起始位置進行開球。可以用語音或觸摸指令來控制機器人開始擊球，并完成整個進洞過程，整個過程必須是機器人自主完成。擊球出界時，裁判將球放置到邊界上，讓機器人繼續擊球，并給予1分罰分。

根據比賽任務要求，將比賽任務分解如下：

（1）機器人步態：機器人行走步態設計及算法;

（2）機器人擊球：機器人擊球動作設計及實現;

（3）物體識別：包括高爾夫球的識別和球洞標志物的識別;

（4）其他功能：包括喚醒、摔倒起身等。

2.2 優化實踐內容，按學生學科形成大學生教學任務序列

要完成高爾夫機器人參賽任務，需要參賽學生掌握多學科多領域的知識，需要多個學科的學生發揮各自學科優勢，組建團隊共同完成分解的任務。根據任務分解情況需要的專業領域包括：通信工程、圖像處理、信號處理、機械學、電子信息、自動控制、計算機及軟件工程等。為了合理化教學實踐內容，提高教學實踐效率，緊密結合多學科知識和競賽培訓體系，先形成兩個前置體系列表：

（1）學生知識結構體系列表：形成不同年級、不同專業學生的知識結構體系;

（2）競賽項目知識列表：將參賽項目所需要的知識技能形成列表，并梳理出每項知識技能的前置知識技能，形成競賽項目知識技能結構圖。

最終參賽學生由來自機電專業、自動化專業、電氣專業、計算機專業和信息管理專業的學生組成，并配置各專業教師予以專業知識輔導。根據任務分解情況，組成三個方向小組：

（1）機器人步態小組：研究機器人行走步態及算法實現，機器人摔倒起身動作及算法實現;

（2）機器人擊球小組：研究機器人擊球動作、位置設計及算法實現，機器人喚醒及停止程序設計;

（3）物體識別小組：研究高爾夫球及球洞標志物的識別、定位的算法實現。

依托機器人實驗室，通過對多學科的實踐資源的融合，力圖在加深學生對本專業知識理解的基礎上，提升綜合應用計算機、電子學、自動化等多學科內容的問題分析能力、解決能力、合作能力、整合能力[4]。

2.3 實施多學科互動教學和多元化教學策略

學科競賽過程中主要的指導策略包括：講解、展示、實操和應用。參加競賽的學生一般具有一定的公共學科基礎知識，在具體指導過程中先讓學生回憶學過的知識，然后講解涉及的新學科知識或把新知識與舊知識、本學科和其他學科知識聯系起來，然后對以上知識進行綜合展示，最后讓學生有機會應用知識。機器人學是高度交叉的學科，內容包括機械學、電子學、自動控制和計算機等相關內容，如果在短時間里講授所有內容顯然是不符合實際的，必須對課程的內容進行合理的選擇。根據三個方向小組的劃分和學生知識技能掌握，實施針對性的實踐教學：

（1）針對大一的學生，可重點講解機器人的應用及發展趨勢，激發和培養學生的學習興趣。大一學生剛剛開始學習計算機語言，可配合其計算機語言的學習進度重點進行應用類的實踐，如編寫簡單的機器人行走程序、擊球程序和物體識別程序，形成專業課學習和機器人應用實踐的相互促進。授課教師應對機器人領域各學科有一定理解，在實施教學過程中，應能夠兼顧其他知識的介紹。

（2）針對高年級各專業學生，可根據學生分組任務進行實踐教學指導，如機器人的步態設計、機器人行進算法、物品識別及抗干擾算法、多進程算法設計等。教師在指導過程中應始終以學生為中心，以學生為主體，讓學生主動學習、主動思考，鼓勵學生多動手多實踐，教師只有在必要環節給予學生關鍵點的指導。

（3）以老帶新，充分發揮高年級學生作用：相比低年級學生，高年級學生不但具有更專業和全面的知識儲備，還有豐富的參賽和應用經驗，在實踐教學中讓部分高年級學生充當助教角色，充分發揮示范作用和引領作用，帶動整體學習和實踐氛圍。同時對這部分高年級同學來講，也是另一層面的應用實踐。

在各階段的授課過程中，應積極發揮多媒體教學的優勢，采用大量實際參賽的圖片、視頻等方式來結合理論進行講解。更重要的是讓學生能在授課過程中更多地接觸和操作機器人，通過由淺入深的操作，對機器人及機器人領域產生興趣。通過多個學期機器人課程的教學實踐，我們發現這種讓學生直接操作的方式更能激發學生自主學習的興趣，能夠快速提高學生對機器人領域的認知。在講授的內容和方法上，要以激發學生對機器人的學習興趣為最初的目標。授課過程中，要強調機器人在國內外各領域的廣泛應用、發展前景和社會需求，讓學生感覺到所學的知識對將來的深造和就業有實際幫助[5]。

2.4 實踐氛圍的常態化和實踐參與范圍的擴大

機器人競賽應用實踐的特征十分突出，因此在制定教學策略時，應充分考慮如何更好地增加學生實踐應用能力。依托機器人實驗室資源，在校內形成“競賽常態化”的氛圍，即定期在校內（或相關學生）范圍內，根據高爾夫機器人競賽項目規則，模擬賽事，組織內部聯賽，促使學生“多用、活用”形成良好的學習和競賽氛圍，提高學生實踐應用能力。

獨立學院培養應用型人才的目標是針對全體學生，以競賽為抓手促進應用型人才的培養，不應只局限于參賽學生這個小范圍小群體，只有面向廣大學生，提高廣大學生的應用實踐能力，教學實踐的研究才有意義。通過舉辦學校范圍機器人競賽（聯賽）、定期舉行機器人相關知識的培訓、機器人相關任選課選修課的開設來擴大機器人競賽的影響，激發學生的學習興趣。機器人方向只是應用的一個方面，通過對學生學習興趣的激發，引導學生積極參與各類應用實踐，如智能小車、飛行器、服務機器人、工程訓練實踐等等，在校內形成最廣泛的應用實踐參與氛圍，提升廣大學生的應用實踐能力。

3 總結

學科競賽和實踐教學是不可分割的，機器人競賽和教學的難點在于機器人學是一門高度交叉的前沿學科，內容包括機械學、電子學、自動控制和計算機等相關內容，如何統籌不同專業不同年級學生的知識結構，合理安排教學任務序列是需要持續進行研究和調整。指導老師不僅要善于用簡潔、生動的語言講述專業知識，激發學生對專業知識的獲取，還需要不斷學習，提升自身的思想素質和專業素質。本文以江蘇省大學生機器人競賽為背景，討論了基于獨立學院的本科生多學科融合的實踐教學方法，提出了一種“明確任務目標、形成任務序列、多元教學策略、常態化實踐”的新型實踐教學模式。

參考文獻：

[1] 江蘇省大學生機器人大賽，http：//js.robot12360.com/

[2] 孟明輝，李莎.基于機器人競賽的學生創新實踐能力培養研究[J].科技經濟導刊，2020，28（21）：158.

[3] 陳妍冰，劉琳靖.基于機器人競賽的教學改革研究[J].教育教學論壇，2015（21）：123-124.

[4] 盛漢霖.多學科融合在大學生科創競賽指導中的實踐——以國際空中機器人大賽為例[J].教育教學論壇，2020（6）：173-174.

[5] 葛向紅，陳興偉，丁星星.依托學科競賽提高大學生的創業就業能力——以VEX U機器人工程挑戰賽為例[J].教育教學論壇，2020（20）：116-117.

【通聯編輯：梁書】