探索理工科创新人才培养模式与实践

摘要：本文阐述了如何培养理工科创新型人才，并以机器人教学为例分析了创新性教学中的实施方案和教学难点，并以实际大学生机器人创新为例，阐述了如何将机器人技术和创新教学有机结合在一起。

关键词：创新人才 机器人技术 创新设计 创新制作

中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）04（b）-0245-02

理工科创新人才应具有扎实的理工科理论基础、较强的创新能力、较高的综合素质。近年来，许多理工科高校针对如何提高理工科大学生创新能力方面提出了许多有益的措施，出要表现为通过强化创新教育理念，改革人才培养机制，营造创新人才成长氛围，打造创新人才培养平台，促进和推动创新人才培养。这就需要我们对创新型人才的培养应以新的教育教学理念改革人才培养模式；以时代对人才的需求转变教学观念、更新教学内容、探索教学手段，这样才能培养出具有创新精神和实践能力的创新人才。近年来，机器人作为机械学、电子学、计算机技术、人工智能等学科的典型载体，被广泛作为创新平台的选题之一。为了推进理工科大学创新人才的培养进程，激发学习和动手实践的积极性，我们提出了以机器人为教育平台，研究培养理工科大学创新人才的实践创新能力。

1 机器人教育创新平台介绍

机器人教育不仅是知识创新的平台，而且也是锻炼动手能力、培养创新能力等综合素质的优秀平台。欧美国家对其相当重视，都已经制定出了全国范围的发展规划。例如，美国十分重视机器人教育在基础教育中的作用，通过开设和开展机器人课程、有关机器人的课外活动、机器人主题夏令营和利用机器人技术作为辅助手段等四种途径来培养学生的创新能力。目前美国高校的机器人教育主要表现为：（1）越来越多的美国高校在工程类一年级新生中开设机器人公开课以及相关的机器人课程；（2）机器人作为课程学习的平台，已逐渐应用到高校其他课程中。日本是世界上机器人教育水平和机器人文化普及最高的国家之一。在日本，不仅每所大学都有高水平的机器人研究会、而且定期举办机器人创新设计和制作大赛。通过大赛，不仅加速了日本机器人技术的普及，而且培养了一批创新型人才和机器人研究应用人才。近年来，韩国充分认识到了机器人教育的重要性，也加大投入开展机器人教育方面的研究工作。同时新加坡、台湾和香港地区，也在机器人教育方面取得了长足的进步。目前，国内已有部分高校研制开发出了较为成型的机器人教学研究设备，例如上海交通大学、哈尔滨工业大学、清华大学等。上海交通大学以国际和国内的机器人竞技比赛为基础，构建了开放式学生创新平台，并规划和设计了基于发现式教学方法的实验，为学生发挥自己的创造力和想象力提供了一个开放的实验平台。综上所述，建设机器人创新机制，以先进机器人技术自主创新研究平台、提升该领域创新能力、促进学科建设与发展为目的，已成为国内外创新人才教育的重要途径和手段。因此，本文提出探索机器人教育平台对如何培养创新理工科人才就显得尤为重要。

2 机器人教育创新平台建设

我们提出以机器人为教育平台，以提高理工科大学生实践创新能力为主线，以培养出社会急需的创新型工程技术创新人才为目标的思想，重点突出实践教学与创新能力培养相结合；科学新技术与工程实践应用相结合，探索出创新型工程技术人才培养与提高创新能力的路子。具体来讲，我们以机器人技术为技术，从课堂教学、实践教学、毕业设计、科技竞赛和参与科研等五个方面来培养创新人才。

课程教学中是以近机电类工程技术类学生为试点，大力开展与机器人技术相关的课程教学，广泛征求有关专家意见并汲取兄弟院校在此方面提供的宝贵经验，结合创新目的在近机电类工程类本科教学计划中设置“机器人技术及应用”相关理论课程。在《机械原理》、《微机原理》、《传感器技术 》、《机电一体化系统设计》等课程中添加章节介绍机器人相关技术。充分利用各种教育资源，采取多种教学手段，如多媒体技术、仿真技术现场演示，从中穿插旨在培养学生动手操作能力的机器人组装、调试等内容。

实验实践教学中废除陈旧的实验，减少验证性实验，增设综合性、设计性、创新性实验。以理论和实践相结合的形式，在实验课中，鼓励学生“大胆实践”，各种传感器、电路板的制作和焊接完全自己动手，机械传动机构尽可能熟练拆装。学生加深对机器人技术涉及的多学科门类的了解。

毕业设计中向毕业班学生开放此平台，鼓励他们在毕业设计中尽可能发挥自己的聪明才智，搞出一些有显著创新特色的项目。提出以智能机器人为开发平台的相关设计课题，根据学生各自的特点，可分成机构设计组、功能扩展组、软件设计组，几个组相互协调，齐头并进。给予一定的资助，能把学生的设计成果以创新产品形式制造出来。

科技竞赛中根据机器人技术涉及学科门类多、知识领域广的特点，同时也为了使更多的同学了解机器人科学，定期进行机器人课外活动，定期举办机器人讲座，在全校范围内组织机器人大赛，开设机器人比赛论坛，为机器人爱好者开辟一个发表新见解、交流新思想的窗。

在参与教师科研中，让大学生参与到老师的机器人相关的科研项目中，为学生参与科研活动提供平台，可以使学生较早进入科研状态，对培养学生的科学创新意识极为有益。

3 机器人创新设计制作

依托新疆大学机械工程学院大学生机器人创新实验室，本校5名本科生在教师指导下，对普通电动轮椅进行改造，设计制作一款全自动智能电动轮椅，如图1所示。

作为开放式的移动平台，此款移动机器人完全遵循国际先进的模块化设计理念，将移动机器人与PC的概念融为一体。高度开放的软、硬件结构，便于用户扩展、添加软件算法与硬件设备，全面支持电气、电子、控制、机械、计算机等学科教学、科研研究，适合于高等院校作为综合的科研开发平台，具有性能稳定、硬件精度高、软件可扩展性强等特点，如图1所示。

整个机器人的电气控制模块开发如图2所示，此智能轮椅可实现创建非机构化环境的地图，高精度和高可靠性的自定位，灵敏迅捷的避障，自动路径规划，局部动态环境中的自主导航，手动与自主双模式可切换，基于无线网络的遥控操作，基于触摸显示器和语音识别的人机交互，基于语音和视频的多媒体导游等功能（如图2）。

4 结语

机器人创新培养是近年来各高校教学改革一个非常活跃的方向，文本提出以机器人为教育平台，从课堂教学、实践教学、毕业设计、科技竞赛和参与科研等五个方面来培养创新人才。并以机械学、电子学、计算机技术、人工智能等学科作为典型载体，使得各个专业的工程技术类学生都可以参与到机器人创新中，不但要设计出机器人所需的各种零件，并且要参与加工和制作。并以智能轮椅为例进行创新设计制作，这样不但能培养学生的创造性思维，并且增强了他们的动手能力。

参考文献

[1] R.Siegwart，I.R.Nourbakhsh.自主移动机器人导论[M].李人厚，译.西安交通大学出版社，2006.

[2] 萨哈.机器人导论[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3] 董爱梅，以机器人为平台大学生实践创新能力培养体系的研究与实践[J].中外教育研究，2009（5）：80-81.

[4] 张炜，21世纪青少年机器人创新教育[J].机器机技术与应用，2008（5）：27-30.

[5] J.J.Craig.Introduction to robotics：Mechanics and Control[M].John J Prentice Hall，2003.