机器人竞赛对学生创新实践能力培养研究

摘要：培养大学生的创新实践能力已成为我国高等教育教学改革的核心目标之一。而机器人竞赛作为高技术对抗赛，涉及电子、机械、控制、计算机等多个学科领域，是理论和实践的高度结合。本文以机器人竞赛为载体，分析了机器人竞赛在大学生创新实践能力培养中的重要作用，阐述了具体实施过程，为高校大学生创新实践能力的培养提供了一条新的思路。

关键词：机器人竞赛；创新实践；教学研究

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）06-0087-02

一、前言

随着经济与知识全球化的到来，社会对人才的培养提出了更高的要求，要求大学生不仅要有宽厚的多学科知识、较好的综合素质，而且要有较强的创新实践能力，基于此，需要改革传统的大学人才培养模式[1-2]。教育部提出：“实践教学方法改革是推动实践教学改革和人才培养模式改革的关键，各高校应加强综合性实践科目设计和应用。”[3-4]但如何在不改变原有学科知识传授及传统实践教学的基础上，培养大学生的创新实践能力，激发学生的创新意识，提高学生的综合素质，为大学生在未来的就业市场中找到自己的立足之地，成为新形势下高校创新实践教育面临的一个重大课题。

美国哈佛大学教育研究所的霍华德・加德纳教授曾说：“一个人主动去问、去想、去寻找问题的答案，是积累知识的最佳途径，被动的接受不会产生持久的影响。”[5]机器人是极富趣味性和挑战性的领域，不仅容易激发学生的学习兴趣，而且综合了信息技术、机械工程、电子工程等多学科的知识，是理论和实践的高度结合[6]。而在机器人竞赛中，需要学生根据比赛要求从无到有，将自己的想法变成能够完成给定要求的机器人实体，整个过程不仅使学生增加了理论知识的理解，而且有利于激发学生的想象力，培养学生的创造能力及实践能力[7]。本文结合近两年指导河南省机器人大赛的经验，探讨了在高等学校中如何以机器人竞赛为载体，提高学生的创新实践能力。

二、机器人竞赛在创新实践能力人才培养中的重要作用

1.高校创新实践能力培养现状分析。传统的实践教学由于受到教学条件的限制，缺乏规范、行之有效的实践教学体系，致使学生的创新实践能力受到影响[8]，具体体现在以下几个方面：（1）重理论，轻实践，对培养学生的创新实践能力投入有限。多数学校由于经费限制，为学生提供的创造性实践条件有限，同时部分教学环节缺乏对该方面的引导，导致学生的创新实践意识不能得到发挥。（2）创新实践激励机制不完善。长期以来，学生接受的教育模式是理论为主，实践为辅，在学习中，仅仅受单纯验证性实践课程的影响，导致学生的创新实践能力得不到有效的锻炼。（3）创新实践环节跨度大，创新实践体会不深。很多高校虽然开展了形式多样的大学生创新实践环节，但是参加此项活动的大部分是大二和大三的学生，仅仅参加了部分验证性实验，当学生接触到需要有一定创新实践能力的科研项目时，由于跨度较大，导致很难做出高水平的科技成果，无法真正体会到创新思维与科技发展之间的相互作用，进而阻碍了学生创新实践能力的培养和锻炼。

2.机器人竞赛创新实践能力培养目标。机器人教育进入学校的主要表现形式是竞赛，而竞赛机器人要求学生从车身设计、控制器设计、传感器应用、软件设计及系统调试，最终构成一个完整的控制系统。在整个工作过程中，学生可以综合应用所学知识，查阅资料，进行方案论证，在制作中，不断对机器人的软、硬件系统进行完善，以提高机器人的整体运行能力。整个过程中，学生一直处于独立思考、分析问题、解决问题的状态中，有效地促进了学生自主创新实践能力的提高[9]。具体体现如下：（1）专业知识综合应用能力得到提高。竞赛中，在设计及制作满足参赛要求的机器人系统过程中，学生需要将所学的专业知识加以综合应用。（2）学生独立分析问题、解决问题能力得到提高。学生在完成机器人的硬件制作工作后，就可以根据竞赛要求进行软件编程，以在指定场地上实现机器人的自动控制，而整个过程需要学生小组独立完成。（3）学生的实践动手能力和科学研究态度得到提高。在竞赛过程中，需要学生对机器人的不同部件进行改装，按照比赛规则进行程序的调试。而在整个方案的设计、安装测试及硬件联调中，所遇到的每个难题都要认真解决，否则功亏一篑。

三、机器人竞赛在培养创新实践能力中的具体实施

机器人是极富挑战性和趣味性的领域，能很好地激发学生的学习和研究兴趣，使学生的学习和研究由被动变为主动。本文以参加2014年河南省机器人大赛为例，按照以下五个步骤对学生的创新实践能力进行培养。

1.项目团队的建立。在确定人员时，可以让不同专业和不同年级的学生进行报名，对于低年级的学生，在难度上略微降低要求，这样，一方面扩大了不同学科学生的参与面，另一方面，建立了相应的学生团队和梯队，为后续的各类竞赛奠定基础。团队建立后，指导教师确定一名能力比较强且尽量是高年级的学生作为队长，由队长实现对本组学生的管理，充分利用高年级对低年级的传帮带动作用，有序开展创新活动。

2.项目任务的制定和分工。团队负责人和队员共同制定机器人项目工作计划，确定工作步骤。以机器人灭火比赛项目为例来进行说明，在机器人灭火比赛中，要求制造一个由计算机控制的机器人，能够按照操作规则在房间中以最短的时间找到火源并将它熄灭。在进行任务分配时，尽量考虑团队中学生的专业及特长，如机器人机械结构的设计，由具有机械设计基础的队员负责，硬件电路的制作如电机驱动电路、避障电路等由电路分析基础好的队员负责，软件程序的编写由计算机相关专业的队员负责。这样，团队中每个队员分工明确，使学生真正参与到项目中。

3.项目的制作。据比赛项目类型，分析每个队员学生的实际情况，建议他们选择规模和难度适中的项目。在比赛项目制作的前期，对学生进行相关知识的训练，如第一阶段，对他们进行有关机器人基本传感器及硬件电路组装训练；第二阶段，要求他们掌握机器人中相关传感器的综合应用；第三阶段，要求他们按要求完成机器人制作及调试。整个项目制作过程中，队员之间可以相互讨论，一起解决问题，团结协作，做到共同进步，而这个过程在其他教学环节中是无法实现的，对于培养学生的创新实践能力非常重要。

4.项目的评估。项目的评估采用答辩和实物演示的形式向指导教师和选定的评测小组汇报。首先由负责整体设计的队员对整个项目进行汇报，再由各个队员对自己负责的工作进行汇报，汇报完毕，针对项目中出现的问题，教师尽量引导学生独立思考，自己解决问题。汇报完毕后，由每个小组逐个进行作品的演示，作品演示结束后，由指导教师和评测小组当场给予评判计分，并对优胜者给予一定的奖励。

5.项目技术文档的规整。为使学生养成善于总结的良好习惯，同时给后续招生队员一定的参考，项目结束后，要求学生将整个项目的工作进行技术文档的规整。这样使学生科技写作的能力也得到了相应的提高。

四、机器人竞赛创新实践教学成果

经过上面五个步骤的训练及评估后，从中挑选中具有较强创新实践能力的学生，集中进行机器人竞赛实战练习，使学生的能力在项目训练过程中切实得到提高。近年来，我院学生参加了多次河南省机器人大赛，以2014年的河南省机器人大赛为例，我院在交叉足项目上包揽了一、二、三等奖，在狭窄足、越野游项目中获得了二等奖、三等奖的好成绩。机器人竞赛的全面开展在提升我院大学生的创新实践能力和增强就业竞争力中发挥了积极的作用，促进了大学生健康成长和全面成才。

五、结论

实践是认识的源泉，是创新的基础，本文以机器人竞赛载体，分析了我院如何通过机器人竞赛活动系统地训练大学生的创新实践能力。通过机器人竞赛，在创新意识上，学生了解了工程师应该具有的素质和创新能力；在实践能力上，学生通过机器人的设计加工、机器人的焊接和不断调试，其实践能力得到了锻炼。因此，在机器人竞赛过程中，大学生的各项理论知识和实践技能能有机地进行结合，充分发挥学生的创造潜能，提高了学生解决实际问题的综合能力。

参考文献：

[1]朱韶平.虚拟实验室在大学创新实践教学中的应用研究[J].怀化学院学报，2013，32（11）：94-96.

[2]廖胜刚.创新实践教学：对接高校人才培养模式与就业市场需求[J].当代教育论坛，2014，（01S）：94-95.

[3]张彩霞，陈惠卿.地方高校电气工程与自动化专业创新实践教学模式[J].实验室研究与探索，2012，31（8）：357-359.

[4]张先云.构建创业教育平台创新实践教学方式――“大学生创业实践中心”的建设和思考[J].全国商情：经济理论研究，2012，（8）：71-73.

[5]刘叔军，毛丽民.基于机器人创新训练的工程实践模式研究[J].课程教育研究，2012，（10）：241-242.

[6]方武.基于机器人竞赛的创新实践课程研究[J].现代计算机，2011，（10）：37-40.

[7]毛丽民，刘叔军，李鑫，戴梅.以机器人竞赛、创新实践为导向的项目教学法研究[J].2013，（1）：148-150.

[8]徐朝辉，秦杰，梁义涛.学生创新实践教学体系改革的思考[J].计算机教育，2012，20：40-43.

[9]孙方红，徐萃萍，刘应瑞，潘显岳.以机器人竞赛为载体，提高学生的实践创新能力[J].高校实验室工作研究，2013，115（3）：20-21.