基于機器人足球的大學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)的探索與實踐

張潤梅　龔　劍

文章編號：1672-5913(2009)02-0022-02

摘要：“機器人足球”是以體育競技形式展示的高技術(shù)的對抗，涉及多領(lǐng)域的前沿技術(shù)集成。本文分析了高校開展機器人足球?qū)Υ髮W(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要意義，并闡述我校以機器人足球為平臺的大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實施方案，最后對開展機器人足球?qū)π畔㈩悓I(yè)的本科教育的影響進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：機器人足球；創(chuàng)新素質(zhì)；教育改革

中圖分類號：G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1機器人足球

機器人足球比賽，顧名思義，就是訓(xùn)練和制造機器人進(jìn)行足球比賽，就是通過體育競技的形式來提高人工智能領(lǐng)域、機器人領(lǐng)域的研究水平[1]。機器人足球賽的設(shè)想首先是由加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)教授Alan Machwor在1992年的論文《On Seeing Robots》中提出的。研究目標(biāo)是計劃經(jīng)過五十年左右的研究使機器人足球隊能戰(zhàn)勝人類足球冠軍隊。目前，有關(guān)機器人足球賽的國際組織有兩個：FIRA組織和RoboCup聯(lián)合會。

FIRA(Federation of International Robot-Soccer Association)是由韓國人創(chuàng)辦的組織，從1997年開始每年舉辦一屆比賽，其國際影響較小，主要有韓國、新加坡、巴西等一些國家的研究機構(gòu)組隊參賽。RoboCup聯(lián)合會成立于1992年，1996年在日本舉行了一次表演賽，獲得了很大成功。第一屆RoboCup比賽和會議于1997年舉行，以后每年舉辦一屆。RoboCup的活動包括學(xué)術(shù)會議、機器人世界杯、RoboCup挑戰(zhàn)計劃、RoboCup教育計劃等。

機器人足球世界杯是RoboCup活動的中心，包括小型機器人比賽、中型機器人比賽、Sony有腿機器人比賽、仿真機器人比賽等。仿真機器人比賽是RoboCup比賽中參賽隊數(shù)目最多的一種，其規(guī)則基本上與國際足球聯(lián)合會的比賽規(guī)則一致。比賽的方式是由Robocup委員會提供標(biāo)準(zhǔn)的Soccerserver系統(tǒng)，各參賽隊編寫各自的CLIENT程序，模擬實際足球隊員參加比賽。

作者指導(dǎo)的安徽建筑工業(yè)學(xué)院機器人代表隊參加了2004-2007年的全國機器人大賽，連續(xù)幾年都取得了仿真2D和仿真3D三等獎的好成績。本文結(jié)合實際參賽的經(jīng)驗，對基于機器人足球的大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的機制和實踐進(jìn)行探討。

2機器人足球促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)

國內(nèi)高等教育教學(xué)存在一些不容忽視的問題，如重理論知識的講授，且知識結(jié)構(gòu)不合理，理論教學(xué)跟不上新理論的發(fā)展；實驗教學(xué)薄弱，課程實驗多為驗證性的；對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)不足等。機器人足球教育不同于傳統(tǒng)的課堂理論教學(xué)，具有實踐性強、探索性強和綜合性強的特點，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.1培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力

高等學(xué)校的教育與“應(yīng)試教育”有本質(zhì)的不同。然而,“應(yīng)試教育”下形成的“滿堂灌”、“填鴨式”等教學(xué)方法在大學(xué)教學(xué)中同樣存在，單一、死板的教學(xué)形式束縛了學(xué)生思維的發(fā)展、個性的塑造及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，造就了大批只會考試的人才。機器人足球隊的開發(fā)從方案的制定到具體的實施，全部由學(xué)生獨立完成。這就使學(xué)生由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向主動學(xué)習(xí)，學(xué)生獨立分析問題，自主選擇知識，結(jié)合所學(xué)的理論知識去解決實際問題。學(xué)生通過研究分析，極大地發(fā)揮個人潛能，培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計能力、動手能力和跨專業(yè)學(xué)習(xí)的綜合創(chuàng)新能力。因此機器人足球為創(chuàng)新教育的開展提供了良好的平臺。

2.2培養(yǎng)學(xué)生的團體意識和合作共事能力

合作意識和團隊精神是現(xiàn)代人應(yīng)具備的基本素質(zhì)，這種素質(zhì)對大學(xué)生將來進(jìn)入社會，做好工作是十分重要的。由于機器人足球系統(tǒng)的開發(fā)是一個比較大的工作，需要多人配合才能完成，并且需要不斷進(jìn)行優(yōu)化。通過大家共同的協(xié)作，學(xué)生能夠完成一些靠他們?nèi)怂荒芡瓿傻幕蛘咝枰荛L時間才能完成的任務(wù)。雖然每個的編程水平、動手能力和解決問題的思路不盡相同。團隊給學(xué)生提供了一個互相學(xué)習(xí)的機會，在協(xié)作的過程中學(xué)生可以學(xué)會作技術(shù)報告，學(xué)會與人相處，認(rèn)識團隊合作的重要性，不斷增長自己的才干，進(jìn)而培養(yǎng)起以后工作以及研究所必須的團隊合作精神。

2.3培養(yǎng)學(xué)生的研究能力

機器人球隊的開發(fā)是將素質(zhì)教育、創(chuàng)新教育和前沿研究相結(jié)合的一條可行途徑。與傳統(tǒng)的以知識傳授和技能培養(yǎng)為目標(biāo)的課程不同，機器人足球隊的研制具有實踐性強、探索性強和綜合性強的特點，有利于迅速接觸前沿研究，并促使學(xué)生的創(chuàng)新能力和專業(yè)素質(zhì)得到提高。由于在機器人足球的實際開發(fā)中，需要用到的知識牽涉面廣，這就需要學(xué)生自己去找資料學(xué)習(xí)一些相關(guān)的知識，在過程中學(xué)生的科研能力會得到很大的提高。

3具體實施

機器人足球具有低起點高落點的優(yōu)勢，學(xué)生只要具備一門計算機程序設(shè)計語言的基礎(chǔ)就可以參與球隊的開發(fā)，而深入的研究則牽涉到人工智能許多知識，因此被稱為是“人工智能的新標(biāo)準(zhǔn)問題”。因此選擇這樣一個平臺具有可行性。

3.1基礎(chǔ)培訓(xùn)

機器人足球比賽是一項綜合性訓(xùn)練，涉及的知識面廣，因此指導(dǎo)教師起著舉足輕重的作用。指導(dǎo)教師要引導(dǎo)學(xué)生正確運用專業(yè)知識，實現(xiàn)正確的設(shè)計方案。通過教學(xué)實踐，我們認(rèn)為一年級學(xué)生以認(rèn)識為主，通過舉辦講座使學(xué)生初步了解機器人足球的相關(guān)基礎(chǔ)知識；二年級學(xué)生為入門起步階段，通過開設(shè)全校公選課和專業(yè)選修課，使相當(dāng)多的學(xué)生投入到機器人球隊的開發(fā)中，并每年組織全校的比賽，讓學(xué)生通過比賽檢驗自己的成績。三、四年級則進(jìn)入高級研究階段，經(jīng)過選拔入選校隊的學(xué)生則在固定的實驗室繼續(xù)從事球隊的高級開發(fā)和相關(guān)的研究。

從我校每年舉辦機器人仿真比賽中發(fā)現(xiàn)，同學(xué)們對機器人比賽興趣非常高,參與意識強烈，營造出了一個良好的學(xué)術(shù)和學(xué)習(xí)氣氛，調(diào)動了學(xué)生們把注意力從網(wǎng)絡(luò)游戲、過度交友轉(zhuǎn)化到科技創(chuàng)新活動和學(xué)術(shù)交流上來，促使更多學(xué)生在實踐過程中激發(fā)努力學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)知識、拓寬專業(yè)知識面、鍛煉工作能力的興趣和勁頭上面。

3.2教學(xué)實踐

(1) 開設(shè)機器人足球的全校公共選修課

RoboCup仿真球隊的開發(fā)不需要太多的硬件投入，且起點很低，只要求學(xué)生有C/C++的編程基礎(chǔ)就可以了，所以在工科院校開設(shè)機器人足球開發(fā)的公共選修課具備條件。作者從2005年開始開設(shè)全校公選課，凡是二年級的理工科專業(yè)的學(xué)生都可以選課。幾年來，選課的學(xué)生人數(shù)逐年增加，平均每年有400人通過選課熟悉機器人足球的相關(guān)知識，在球隊程序設(shè)計過程中得到計算機應(yīng)用能力的鍛煉，取得了較好的效果。每年的全校機器人足球仿真比賽的參數(shù)隊也逐年增加，每年有近200人參加比賽。

(2) 將機器人足球列入信息類專業(yè)的培養(yǎng)計劃

和全校公選課不同的是，機器人足球作為信息類專業(yè)學(xué)生的專業(yè)選修課在二年級的第一學(xué)期開設(shè)，是學(xué)生學(xué)習(xí)完C/C++之后接觸的第一門專業(yè)課，課程主要針對RoboCup仿真比賽，詳細(xì)介紹球隊開發(fā)的基本知識和技巧，考核的方式是對學(xué)生進(jìn)行分組，每組提交自己開發(fā)的球隊。

(3) 機器人比賽

每年舉辦的全校機器人比賽為學(xué)生提供互相切磋、互相促進(jìn)的平臺，使學(xué)生通過比賽發(fā)現(xiàn)自己的不足，以便找到進(jìn)一步努力的目標(biāo)。通過比賽也能涌現(xiàn)出一批具有較強的動手能力的學(xué)生，這些學(xué)生將作為校隊的成員進(jìn)入機器人足球?qū)嶒炇?，由專門的指導(dǎo)教師帶領(lǐng)，進(jìn)一步學(xué)習(xí)機器人足球的高級技能，并從事與機器人足球相關(guān)的一些研究活動。

(4) 機器人足球?qū)嶒炇?/p>

2002年我校組建了機器人足球?qū)嶒炇遥蓪W(xué)生自主管理，全天開放，有專業(yè)老師負(fù)責(zé)指導(dǎo)，每年都有近50名學(xué)生在其中從事機器人足球的開發(fā)，并每年組隊參加全國機器人大賽。實驗室成員以3-5人為一個組，合作開放自己的球隊，隊內(nèi)協(xié)作，隊間交流。2個月進(jìn)行一次對抗比賽，通過比賽相互學(xué)習(xí)。同時建立交流制度，每周都有球隊作開發(fā)報告，報告自己的最新進(jìn)展及技術(shù)要點，通過報告交流設(shè)計心得和體會。指導(dǎo)老師則主要是對學(xué)生的設(shè)計進(jìn)行引導(dǎo)，并對實驗室的總體進(jìn)展進(jìn)行協(xié)調(diào)。

3.3取得的效果

通過幾年的實踐，我們發(fā)現(xiàn)開展機器人足球的比賽使學(xué)生的計算機應(yīng)用能力得到了顯著的提高，提高了非信息類專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)計算機的興趣，也使學(xué)生對科技創(chuàng)新活動有了新的認(rèn)識，機器人足球這種低起點的平臺被越來越多的學(xué)生接受。具體如表1所示。

信息類專業(yè)的學(xué)生通過參與機器人比賽獲得了更多的實踐能力，體驗了系統(tǒng)開發(fā)的過程，學(xué)會了如何進(jìn)行技術(shù)交流，學(xué)會了如何在系統(tǒng)開發(fā)的過程中進(jìn)行協(xié)作；激發(fā)了學(xué)生的研究興趣，他們積極參與老師的項目，從事人工智能的相關(guān)研究，有10名學(xué)生發(fā)表了研究論文，機器人足球?qū)嶒炇业某蓡T90%考取研究生，10%的學(xué)生成為用人單位爭搶的對象。

4機器人足球?qū)Ρ究平逃挠绊?/p>

隨著高等教育進(jìn)入大眾化階段，大學(xué)生的理論學(xué)習(xí)和實踐脫節(jié)的問題越來越受人們關(guān)注，很多用人單位都抱怨現(xiàn)在學(xué)生的實踐能力不強。在校大學(xué)生也逐漸認(rèn)識到理論學(xué)習(xí)和實踐的距離，自覺拓展知識面，將理論知識延伸到實踐中是學(xué)生的內(nèi)在需求，也是對現(xiàn)有本科教學(xué)的促進(jìn)和補充。

機器人足球所反映的問題也給老師的教學(xué)提出了一些思考，相關(guān)課程(尤其是那些理論性強的課程)的教學(xué)內(nèi)容如何進(jìn)行調(diào)整和充實，才能使課程內(nèi)容更豐富，形式更生動，更具有實踐性。組織學(xué)生參與競賽所積累的經(jīng)驗和知識也為教材的修訂提供了好的素材，提高了課程教學(xué)新知識的比例。

從學(xué)生參與球隊開發(fā)的過程看，學(xué)生使用的參考書很少是教材，這一定程度上反映了教材建設(shè)存在的問題；從學(xué)生的參賽經(jīng)歷來看，學(xué)生投入大量的時間從事球隊的開發(fā)和相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，不但成績沒有下降，而且動手能力和學(xué)習(xí)的主動性大幅度提高；由此看出，現(xiàn)有的教學(xué)體系在挖掘本科生素質(zhì)培養(yǎng)潛力方面有較大的改進(jìn)余地。

通過我校的初步嘗試，說明開展機器人足球教育是切實可行的。所以，在高等工科院校開展機器人足球教育，可以激發(fā)大學(xué)生們開發(fā)與研制高科技的興趣與愛好，培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新精神，激勵創(chuàng)新思維；可以進(jìn)一步推動高等院校的課堂教學(xué)與實驗改革，同時也為活躍校園科技，為培養(yǎng)未來科技創(chuàng)新人才提供了一個真實的平臺。

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