探索理工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式與實(shí)踐

摘要：本文闡述了如何培養(yǎng)理工科創(chuàng)新型人才，并以機(jī)器人教學(xué)為例分析了創(chuàng)新性教學(xué)中的實(shí)施方案和教學(xué)難點(diǎn)，并以實(shí)際大學(xué)生機(jī)器人創(chuàng)新為例，闡述了如何將機(jī)器人技術(shù)和創(chuàng)新教學(xué)有機(jī)結(jié)合在一起。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新人才 機(jī)器人技術(shù) 創(chuàng)新設(shè)計(jì) 創(chuàng)新制作

中圖分類號(hào)：G4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）04（b）-0245-02

理工科創(chuàng)新人才應(yīng)具有扎實(shí)的理工科理論基礎(chǔ)、較強(qiáng)的創(chuàng)新能力、較高的綜合素質(zhì)。近年來，許多理工科高校針對(duì)如何提高理工科大學(xué)生創(chuàng)新能力方面提出了許多有益的措施，出要表現(xiàn)為通過強(qiáng)化創(chuàng)新教育理念，改革人才培養(yǎng)機(jī)制，營造創(chuàng)新人才成長氛圍，打造創(chuàng)新人才培養(yǎng)平臺(tái)，促進(jìn)和推動(dòng)創(chuàng)新人才培養(yǎng)。這就需要我們對(duì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)應(yīng)以新的教育教學(xué)理念改革人才培養(yǎng)模式；以時(shí)代對(duì)人才的需求轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念、更新教學(xué)內(nèi)容、探索教學(xué)手段，這樣才能培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的創(chuàng)新人才。近年來，機(jī)器人作為機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能等學(xué)科的典型載體，被廣泛作為創(chuàng)新平臺(tái)的選題之一。為了推進(jìn)理工科大學(xué)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)進(jìn)程，激發(fā)學(xué)習(xí)和動(dòng)手實(shí)踐的積極性，我們提出了以機(jī)器人為教育平臺(tái)，研究培養(yǎng)理工科大學(xué)創(chuàng)新人才的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

1 機(jī)器人教育創(chuàng)新平臺(tái)介紹

機(jī)器人教育不僅是知識(shí)創(chuàng)新的平臺(tái)，而且也是鍛煉動(dòng)手能力、培養(yǎng)創(chuàng)新能力等綜合素質(zhì)的優(yōu)秀平臺(tái)。歐美國家對(duì)其相當(dāng)重視，都已經(jīng)制定出了全國范圍的發(fā)展規(guī)劃。例如，美國十分重視機(jī)器人教育在基礎(chǔ)教育中的作用，通過開設(shè)和開展機(jī)器人課程、有關(guān)機(jī)器人的課外活動(dòng)、機(jī)器人主題夏令營和利用機(jī)器人技術(shù)作為輔助手段等四種途徑來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。目前美國高校的機(jī)器人教育主要表現(xiàn)為：（1）越來越多的美國高校在工程類一年級(jí)新生中開設(shè)機(jī)器人公開課以及相關(guān)的機(jī)器人課程；（2）機(jī)器人作為課程學(xué)習(xí)的平臺(tái)，已逐漸應(yīng)用到高校其他課程中。日本是世界上機(jī)器人教育水平和機(jī)器人文化普及最高的國家之一。在日本，不僅每所大學(xué)都有高水平的機(jī)器人研究會(huì)、而且定期舉辦機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制作大賽。通過大賽，不僅加速了日本機(jī)器人技術(shù)的普及，而且培養(yǎng)了一批創(chuàng)新型人才和機(jī)器人研究應(yīng)用人才。近年來，韓國充分認(rèn)識(shí)到了機(jī)器人教育的重要性，也加大投入開展機(jī)器人教育方面的研究工作。同時(shí)新加坡、臺(tái)灣和香港地區(qū)，也在機(jī)器人教育方面取得了長足的進(jìn)步。目前，國內(nèi)已有部分高校研制開發(fā)出了較為成型的機(jī)器人教學(xué)研究設(shè)備，例如上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)等。上海交通大學(xué)以國際和國內(nèi)的機(jī)器人競技比賽為基礎(chǔ)，構(gòu)建了開放式學(xué)生創(chuàng)新平臺(tái)，并規(guī)劃和設(shè)計(jì)了基于發(fā)現(xiàn)式教學(xué)方法的實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生發(fā)揮自己的創(chuàng)造力和想象力提供了一個(gè)開放的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。綜上所述，建設(shè)機(jī)器人創(chuàng)新機(jī)制，以先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)自主創(chuàng)新研究平臺(tái)、提升該領(lǐng)域創(chuàng)新能力、促進(jìn)學(xué)科建設(shè)與發(fā)展為目的，已成為國內(nèi)外創(chuàng)新人才教育的重要途徑和手段。因此，本文提出探索機(jī)器人教育平臺(tái)對(duì)如何培養(yǎng)創(chuàng)新理工科人才就顯得尤為重要。

2 機(jī)器人教育創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)

我們提出以機(jī)器人為教育平臺(tái)，以提高理工科大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力為主線，以培養(yǎng)出社會(huì)急需的創(chuàng)新型工程技術(shù)創(chuàng)新人才為目標(biāo)的思想，重點(diǎn)突出實(shí)踐教學(xué)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)相結(jié)合；科學(xué)新技術(shù)與工程實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合，探索出創(chuàng)新型工程技術(shù)人才培養(yǎng)與提高創(chuàng)新能力的路子。具體來講，我們以機(jī)器人技術(shù)為技術(shù)，從課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、科技競賽和參與科研等五個(gè)方面來培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

課程教學(xué)中是以近機(jī)電類工程技術(shù)類學(xué)生為試點(diǎn)，大力開展與機(jī)器人技術(shù)相關(guān)的課程教學(xué)，廣泛征求有關(guān)專家意見并汲取兄弟院校在此方面提供的寶貴經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合創(chuàng)新目的在近機(jī)電類工程類本科教學(xué)計(jì)劃中設(shè)置“機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用”相關(guān)理論課程。在《機(jī)械原理》、《微機(jī)原理》、《傳感器技術(shù) 》、《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》等課程中添加章節(jié)介紹機(jī)器人相關(guān)技術(shù)。充分利用各種教育資源，采取多種教學(xué)手段，如多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)現(xiàn)場演示，從中穿插旨在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力的機(jī)器人組裝、調(diào)試等內(nèi)容。

實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中廢除陳舊的實(shí)驗(yàn)，減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，增設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。以理論和實(shí)踐相結(jié)合的形式，在實(shí)驗(yàn)課中，鼓勵(lì)學(xué)生“大膽實(shí)踐”，各種傳感器、電路板的制作和焊接完全自己動(dòng)手，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)盡可能熟練拆裝。學(xué)生加深對(duì)機(jī)器人技術(shù)涉及的多學(xué)科門類的了解。

畢業(yè)設(shè)計(jì)中向畢業(yè)班學(xué)生開放此平臺(tái)，鼓勵(lì)他們?cè)诋厴I(yè)設(shè)計(jì)中盡可能發(fā)揮自己的聰明才智，搞出一些有顯著創(chuàng)新特色的項(xiàng)目。提出以智能機(jī)器人為開發(fā)平臺(tái)的相關(guān)設(shè)計(jì)課題，根據(jù)學(xué)生各自的特點(diǎn)，可分成機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)組、功能擴(kuò)展組、軟件設(shè)計(jì)組，幾個(gè)組相互協(xié)調(diào)，齊頭并進(jìn)。給予一定的資助，能把學(xué)生的設(shè)計(jì)成果以創(chuàng)新產(chǎn)品形式制造出來。

科技競賽中根據(jù)機(jī)器人技術(shù)涉及學(xué)科門類多、知識(shí)領(lǐng)域廣的特點(diǎn)，同時(shí)也為了使更多的同學(xué)了解機(jī)器人科學(xué)，定期進(jìn)行機(jī)器人課外活動(dòng)，定期舉辦機(jī)器人講座，在全校范圍內(nèi)組織機(jī)器人大賽，開設(shè)機(jī)器人比賽論壇，為機(jī)器人愛好者開辟一個(gè)發(fā)表新見解、交流新思想的窗。

在參與教師科研中，讓大學(xué)生參與到老師的機(jī)器人相關(guān)的科研項(xiàng)目中，為學(xué)生參與科研活動(dòng)提供平臺(tái)，可以使學(xué)生較早進(jìn)入科研狀態(tài)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新意識(shí)極為有益。

3 機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)制作

依托新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院大學(xué)生機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，本校5名本科生在教師指導(dǎo)下，對(duì)普通電動(dòng)輪椅進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)制作一款全自動(dòng)智能電動(dòng)輪椅，如圖1所示。

作為開放式的移動(dòng)平臺(tái)，此款移動(dòng)機(jī)器人完全遵循國際先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)理念，將移動(dòng)機(jī)器人與PC的概念融為一體。高度開放的軟、硬件結(jié)構(gòu)，便于用戶擴(kuò)展、添加軟件算法與硬件設(shè)備，全面支持電氣、電子、控制、機(jī)械、計(jì)算機(jī)等學(xué)科教學(xué)、科研研究，適合于高等院校作為綜合的科研開發(fā)平臺(tái)，具有性能穩(wěn)定、硬件精度高、軟件可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，如圖1所示。

整個(gè)機(jī)器人的電氣控制模塊開發(fā)如圖2所示，此智能輪椅可實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建非機(jī)構(gòu)化環(huán)境的地圖，高精度和高可靠性的自定位，靈敏迅捷的避障，自動(dòng)路徑規(guī)劃，局部動(dòng)態(tài)環(huán)境中的自主導(dǎo)航，手動(dòng)與自主雙模式可切換，基于無線網(wǎng)絡(luò)的遙控操作，基于觸摸顯示器和語音識(shí)別的人機(jī)交互，基于語音和視頻的多媒體導(dǎo)游等功能（如圖2）。

4 結(jié)語

機(jī)器人創(chuàng)新培養(yǎng)是近年來各高校教學(xué)改革一個(gè)非?；钴S的方向，文本提出以機(jī)器人為教育平臺(tái)，從課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、科技競賽和參與科研等五個(gè)方面來培養(yǎng)創(chuàng)新人才。并以機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能等學(xué)科作為典型載體，使得各個(gè)專業(yè)的工程技術(shù)類學(xué)生都可以參與到機(jī)器人創(chuàng)新中，不但要設(shè)計(jì)出機(jī)器人所需的各種零件，并且要參與加工和制作。并以智能輪椅為例進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)制作，這樣不但能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，并且增強(qiáng)了他們的動(dòng)手能力。

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