機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)研究

賈翠玲 徐明娜 王利利

摘要：機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)旨在培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新實(shí)踐能力。闡述了機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、課程目的、任務(wù)以及教學(xué)過(guò)程等，旨在為深化實(shí)踐教學(xué)體系與教學(xué)模式的改革探路。在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，堅(jiān)持以學(xué)生為主體，以學(xué)生個(gè)性和能力發(fā)展為目標(biāo)，使學(xué)生科研創(chuàng)新的綜合素質(zhì)得到明顯提高。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；實(shí)踐教學(xué)；創(chuàng)新能力；實(shí)踐能力

中圖分類號(hào)：G4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-3198（2013）05-0151-02

1引言

創(chuàng)新是人類社會(huì)發(fā)展的強(qiáng)大推動(dòng)力，實(shí)踐是創(chuàng)新的源泉，工程實(shí)踐是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，沒(méi)有工程實(shí)踐能力就談不上創(chuàng)新能力。因此，探索創(chuàng)新教學(xué)改革的新思路、新方法，滿足在創(chuàng)新理論、創(chuàng)新教育方面的急需，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力，已經(jīng)對(duì)目前教學(xué)體系改革提出了更高的要求。在高校教育教學(xué)改革過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐動(dòng)手能力等綜合素質(zhì)，已經(jīng)成為當(dāng)前教學(xué)改革的核心目標(biāo)。我校工程訓(xùn)練中心（簡(jiǎn)稱工訓(xùn)中心）從2007年開始，針對(duì)專業(yè)特點(diǎn)和高素質(zhì)人才培養(yǎng)要求，在全校各個(gè)專業(yè)中不同程度地引入了機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，旨在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。本文以我校工訓(xùn)中心機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)為研究平臺(tái)，為學(xué)生提供機(jī)器人創(chuàng)新套件為實(shí)踐手段，從根本上提高了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，全方位適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的要求。

2機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容簡(jiǎn)介

2.1課程目的與任務(wù)

機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)是一門新的課程，它是以機(jī)器人為硬件開發(fā)平臺(tái)，通過(guò)硬件擴(kuò)展和軟件開發(fā)而展開的教和學(xué)的活動(dòng)。在機(jī)器人開發(fā)學(xué)習(xí)過(guò)程中，存在著軟件編程、硬件擴(kuò)展和維護(hù)、人機(jī)關(guān)系等若干需要處理的任務(wù)，學(xué)生只有掌握其硬件結(jié)構(gòu)、工作原理和軟件編程，才能提高它的應(yīng)用能力。加強(qiáng)機(jī)器人教育教學(xué)內(nèi)容是提高機(jī)器人應(yīng)用水平的需要，也有助于為機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐創(chuàng)建良好的環(huán)境，避免重模仿輕創(chuàng)新，避免強(qiáng)調(diào)固有知識(shí)的學(xué)習(xí)而忽視了學(xué)生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。該實(shí)踐課程時(shí)間歷時(shí)4天，28學(xué)時(shí)，邊做邊學(xué)，學(xué)生將動(dòng)手實(shí)施一系列由淺入深的項(xiàng)目或比賽。該課程以團(tuán)隊(duì)形式運(yùn)行，每小組2個(gè)學(xué)生，同時(shí)分成幾個(gè)大組。每小組擁有一套課程平臺(tái)包括機(jī)器人，創(chuàng)新模塊和電腦等。課程的目的：（1）系統(tǒng)訓(xùn)練創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力；（2）讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)工科基礎(chǔ)知識(shí)。

2.2教學(xué)內(nèi)容及過(guò)程

機(jī)器人技術(shù)是一門綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，它涉及機(jī)械、數(shù)學(xué)、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、通信和人工智能等學(xué)科，是光機(jī)電為一體的典型應(yīng)用。機(jī)器人教學(xué)沒(méi)有統(tǒng)一的教材和固定的教學(xué)模式，其教學(xué)過(guò)程也是一個(gè)綜合實(shí)踐的過(guò)程。學(xué)校在工程實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中增加了機(jī)器人知識(shí)內(nèi)容的講解和實(shí)踐，以興趣小組的組織形式加以提高和鞏固，使學(xué)生的學(xué)習(xí)能適應(yīng)未來(lái)信息發(fā)展的要求，也為原有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式增添了新的活力。機(jī)器人極具人性化，它的智慧和功能靠學(xué)生的程序設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)項(xiàng)目制作過(guò)程中遇到的問(wèn)題來(lái)設(shè)計(jì)真實(shí)和富有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題來(lái)引導(dǎo)學(xué)生思考、探究。學(xué)生在動(dòng)手組裝、擴(kuò)展和編程控制機(jī)器人的過(guò)程中獲取有用的知識(shí)，能夠很好地發(fā)揮學(xué)生的動(dòng)手能力、協(xié)作能力和自主學(xué)習(xí)能力。教學(xué)過(guò)程中由于器材及場(chǎng)地的局限性，通常需要學(xué)生統(tǒng)籌安排、就地取材、精心設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)體會(huì)和構(gòu)思新創(chuàng)意，極大地挖掘想象空間與創(chuàng)造力，追求設(shè)計(jì)方案的科學(xué)完美。機(jī)器人學(xué)習(xí)其實(shí)就是探究性學(xué)習(xí)，每一次上課學(xué)生們都會(huì)完成自己和教師共同討論和設(shè)計(jì)的目標(biāo)，根據(jù)這一目標(biāo)由學(xué)生自己進(jìn)行創(chuàng)新性探究。創(chuàng)造源于最初的突發(fā)奇想，學(xué)生必須做出不斷的嘗試，不斷的調(diào)試與改善，大膽地投入新的元素，注重每一個(gè)細(xì)節(jié)，將機(jī)器人調(diào)節(jié)至最佳狀態(tài)。

2.3教學(xué)模式

要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，就應(yīng)該建立與之相適應(yīng)的課堂教學(xué)模式。在機(jī)器人教學(xué)過(guò)程中，我們運(yùn)用新的教學(xué)方法、采用新的教學(xué)模式、應(yīng)用新的教學(xué)手段來(lái)進(jìn)行機(jī)器人課堂教學(xué)，促進(jìn)了教學(xué)思想、教學(xué)過(guò)程、結(jié)構(gòu)模式的根本變革，讓課堂充滿了生機(jī)和活力。經(jīng)過(guò)幾年的深入實(shí)踐教學(xué)研究，探索出能充分體現(xiàn)師生互動(dòng)思想的教學(xué)模式：創(chuàng)設(shè)情境→歸納猜測(cè)→交流驗(yàn)證→總結(jié)深化。

（1）創(chuàng)設(shè)情境。在教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)用現(xiàn)代教學(xué)手段，創(chuàng)設(shè)特定的情境，這特定的情境可以是問(wèn)題情境，比如先給大家放一段機(jī)器人滅火的錄像，讓大家思考機(jī)器人是如何避開障礙物找到火源的，提出啟發(fā)性的問(wèn)題；也可以是有利于學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容理解的虛擬情境。為了提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，教師最好將創(chuàng)新性目標(biāo)體現(xiàn)在創(chuàng)設(shè)情境中，使學(xué)生明確需要探究目標(biāo)的前提下，認(rèn)真觀察思考獲取感性認(rèn)識(shí)，然后提出問(wèn)題。

（2）歸納猜測(cè)。首先，針對(duì)提出的問(wèn)題提出假設(shè)；其次，搜集關(guān)于支持假設(shè)的資料，然后進(jìn)行整理和歸納；第三，獨(dú)立或合作進(jìn)行探究；第四，形成自己或小組的認(rèn)識(shí)或結(jié)論。教師在整個(gè)歸納猜測(cè)過(guò)程中，要為學(xué)生的探究活動(dòng)提供工具和相應(yīng)的幫助，運(yùn)用先進(jìn)的教育手段，為學(xué)生提供豐富的信息。

（3）交流驗(yàn)證。各個(gè)小組派出代表口頭匯報(bào)并作對(duì)應(yīng)的演示自己小組的創(chuàng)新作品，匯報(bào)包括作品的名稱、作用、創(chuàng)新點(diǎn)以及制作作品過(guò)程中遇到哪些問(wèn)題是如何解決的等等；然后進(jìn)行小組或班級(jí)交流討論，交流方式可以是口頭的，也可以通過(guò)操作演示。交流驗(yàn)證過(guò)程中，要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極發(fā)表自己的見解，提出質(zhì)疑、爭(zhēng)辯，最后得出問(wèn)題的結(jié)論。

（4）總結(jié)深化。首先對(duì)所探究的問(wèn)題進(jìn)行小結(jié)；其次，積累經(jīng)驗(yàn)，為以后解決新的問(wèn)題打下良好的基礎(chǔ)。心理學(xué)研究證明：人的綜合素質(zhì)要想內(nèi)化到個(gè)體素質(zhì)中，需要經(jīng)過(guò)反復(fù)訓(xùn)練。教師在總結(jié)深化階段要幫助學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行梳理，使學(xué)生能夠達(dá)到較深刻的理解。教師應(yīng)該根據(jù)每個(gè)學(xué)生的特點(diǎn)和學(xué)習(xí)水平設(shè)計(jì)不同的課題，這樣可以改變不同學(xué)習(xí)水平的學(xué)生要求整齊劃一的弊端，不僅提高各個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，而且會(huì)讓每位學(xué)生都具有成就感。

3能力培養(yǎng)目標(biāo)

3.1培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究創(chuàng)新能力

學(xué)生在熟悉機(jī)器人硬件后，就可以通過(guò)設(shè)計(jì)、搭建、軟件編程實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)控制了，整個(gè)過(guò)程由學(xué)生小組成員獨(dú)立完成，這樣學(xué)生的學(xué)習(xí)就由被動(dòng)轉(zhuǎn)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，從而提高了獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。學(xué)生可以自主選擇知識(shí)，結(jié)合理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐操作。學(xué)生經(jīng)過(guò)分析研究，可以運(yùn)用多種不同的方式去設(shè)計(jì)外形各異的機(jī)器人，通過(guò)不同的算法去編程，很好地發(fā)揮個(gè)人潛能，培養(yǎng)了學(xué)生的策劃設(shè)計(jì)能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和綜合創(chuàng)新能力，為創(chuàng)新教育打下了良好的基礎(chǔ)。此外，在機(jī)器人套件搭建創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)中，從擬定需搭建項(xiàng)目、外形的設(shè)計(jì)、選擇需要的器材、開始搭建模型到編制驅(qū)動(dòng)程序，都是學(xué)生獨(dú)立實(shí)施并完成，更加有助于培養(yǎng)他們獨(dú)立開展科研創(chuàng)新的能力。

3.2培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力

機(jī)器人搭建項(xiàng)目小組依靠相互協(xié)作與積極配合來(lái)完成創(chuàng)新作品項(xiàng)目，同學(xué)間互相交流和學(xué)習(xí)，有利于集思廣益，激發(fā)靈感，開闊思路，鍛煉學(xué)生個(gè)人的團(tuán)隊(duì)精神和協(xié)作能力。

3.3培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)作品和軟件編程能力

通過(guò)教師在上課時(shí)適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，學(xué)生能夠設(shè)計(jì)出任何可以想到的機(jī)電產(chǎn)品或模型，通過(guò)親自動(dòng)手搭建以及軟件驅(qū)動(dòng)模型，達(dá)到提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力的目的。

3.4培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力

當(dāng)前高校畢業(yè)的大學(xué)生普遍缺乏工程實(shí)踐動(dòng)手能力。由于存在教育理念、辦學(xué)方向、培養(yǎng)模式等一些因素的影響，現(xiàn)在學(xué)生側(cè)重于理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，而忽視實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，造成高校畢業(yè)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、綜合素質(zhì)等達(dá)不到用人單位的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)以及機(jī)器人比賽等項(xiàng)目的鍛煉，學(xué)生能夠從純理論的學(xué)習(xí)過(guò)渡到理論聯(lián)系實(shí)際，從而提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。

4機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)成果

近年來(lái)，我校工訓(xùn)中心推行教學(xué)改革，創(chuàng)立了開放性的機(jī)器人自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系，為學(xué)生營(yíng)造了自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)的良好氛圍，取得了可喜的成績(jī)。2009年1月在創(chuàng)新訓(xùn)練課程的建設(shè)與實(shí)踐獲得“內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)教學(xué)成果”二等獎(jiǎng)；2008年獲得第九屆“中國(guó)智能機(jī)器人大賽”一項(xiàng)一等獎(jiǎng)、兩項(xiàng)二等獎(jiǎng)；2009年第十屆“中國(guó)智能機(jī)器人大賽”中獲得一項(xiàng)一等獎(jiǎng)、一項(xiàng)二等獎(jiǎng)；2010年在第十一屆“中國(guó)智能機(jī)器人大賽”中，我校學(xué)生在足球、滅火、搜救、游世博、吸塵五項(xiàng)比賽中獲得五項(xiàng)一等獎(jiǎng)；2011年在中國(guó)機(jī)器人大賽暨robocup公開賽robocup中型組項(xiàng)目比賽中分別獲得一、二、三等的好成績(jī)；同年11月在第十二屆“中國(guó)智能機(jī)器人大賽”中國(guó)際賽制機(jī)器人滅火比賽、國(guó)際賽制類人機(jī)器人擂臺(tái)賽等八項(xiàng)比賽中獲得數(shù)個(gè)一、二、三等獎(jiǎng)的好成績(jī)；2012年中國(guó)機(jī)器人大賽robocup公開賽中獲得一、二、三等獎(jiǎng)；連續(xù)三年參加2010、2011年、2012年亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽，獲得了不錯(cuò)的成績(jī)。通過(guò)比賽獲獎(jiǎng)，學(xué)生們樹立了自信心，增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)意識(shí)，學(xué)會(huì)了團(tuán)結(jié)協(xié)作，對(duì)于交流合作的重要意義有了較深入的理解，為他們未來(lái)工作奠定了基礎(chǔ)。從機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室走出去的很多學(xué)生綜合能力得到了很好的提升，有的學(xué)生得到了保送研究生的資格，有的在參加比賽時(shí)就被企業(yè)看中，比賽完簽約的學(xué)生也有很多，找到了自己人生的目標(biāo)和定位。

5結(jié)束語(yǔ)

機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)課程通過(guò)講座、實(shí)踐、討論、參加全國(guó)性的比賽等實(shí)踐活動(dòng)，系統(tǒng)地訓(xùn)練了學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力；使學(xué)生對(duì)如何完成一個(gè)項(xiàng)目有了全面而具體的了解；實(shí)現(xiàn)了工科新生一開始就接觸工程知識(shí)、真實(shí)的工程問(wèn)題，學(xué)生初步了解了工程師應(yīng)具有的素質(zhì)-知識(shí)-能力；有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和專業(yè)興趣，對(duì)學(xué)生盡早制定職業(yè)規(guī)劃和促成學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)起到了積極的推動(dòng)作用。

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