基于水下機器人的大學生協(xié)同創(chuàng)新能力培養(yǎng)

薛文濤， 王玉龍， 曾慶軍， 施興華， 王 彪， 方喜峰

(江蘇科技大學a.電子信息學院;b.船舶與海洋工程學院;c. 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

胡錦濤總書記在慶祝清華大學建校100 周年大會上關于“要積極推動協(xié)同創(chuàng)新”的重要講話，以及教育部實施“高等學校創(chuàng)新能力提升計劃”，標志著我國高等教育系統(tǒng)又一項體現(xiàn)國家意志的重大戰(zhàn)略舉措［1］。為了推動知識創(chuàng)新、技術創(chuàng)新，江蘇省將在近幾年內培育建設50 個左右的“高校協(xié)同創(chuàng)新中心”，旨在引導和支持高校突破學科、學校、行業(yè)及地區(qū)等壁壘，與國內國際創(chuàng)新要素深度合作，更好地服務地方經(jīng)濟社會發(fā)展。因此，協(xié)同創(chuàng)新不僅是科技發(fā)展進步的內在要求，也是培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的必然要求。實施協(xié)同創(chuàng)新教育，對于大力提升高等學校的創(chuàng)新能力，全面提高高等教育質量，深入實施科教興國、人才強國戰(zhàn)略，都具有十分重要的意義。

以“數(shù)字化智能制造”為核心的第三次工業(yè)革命浪潮已經(jīng)到來，而這個革命的主角就是工業(yè)機器人。機器人技術綜合了機械設計、信息傳感技術、自動化技術、智能控制等多學科領域的技術。通過機器人教育這種形式可使我們的素質教育找到一個好的切入點［2］。作為一種工作于水下的極限作業(yè)機器人，水下機器人將使海洋開發(fā)進入一個全新的時代，在人類爭相向海洋進軍的21 世紀，水下機器人技術作為人類探索海洋最重要的手段必將得到空前的重視和發(fā)展［3］。因此，江蘇科技大學借助水下機器人教學和實驗平臺，結合學校的行業(yè)特色，積極探索適合高素質創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的途徑和方法，通過水下機器人的課程教學和實驗激發(fā)學生的想象力，培養(yǎng)學生的設計能力、多學科知識的綜合應用能力;利用科技競賽和科研項目開發(fā)促進學生的創(chuàng)新思維，努力提升大學生的綜合素質及協(xié)同創(chuàng)新能力。

1 協(xié)同創(chuàng)新能力培養(yǎng)的改革思路

目前，我國高等教育已進入以質量提升為核心的內涵式發(fā)展階段。從十六大全面推進素質教育以來，我國的創(chuàng)新教育得到了長足的發(fā)展。但是，與國外高校的大學生協(xié)同創(chuàng)新能力培養(yǎng)還有較大差距，主要的原因可以歸納為三個因素:

(1)教育因素。大學的課程體系側重于傳統(tǒng)學科知識的傳承，課程之間壁壘嚴重，新興學科、邊緣學科、交叉學科和前沿學科課程數(shù)量嚴重不足。同時，部分教師局限于封閉式、獨立式的思維慣習，在教學過程中僅強調知識的灌輸、教學方法單一。另一方面，隨著學生就業(yè)競爭的加劇，一些高校陷于應試教育的模式，就業(yè)指標成為其價值取向，熱衷于鼓勵學生參加研究生考試、各種業(yè)務考證，忽視了素質教育、創(chuàng)新教育［4］。

(2)學生因素。當前國內高校部分學生缺乏大膽求新的精神以及自主學習的能力，局限于書本知識所教授的定理規(guī)律，而不思破舊立新、深層次探索，這在很大程度上局限了創(chuàng)新能力的提升;另外，校園中的學業(yè)競賽和爭優(yōu)評比加劇，大學生個體的合作意識和合作能力被弱化。

(3)管理因素。部分高校的二級學院各自為政，缺乏構建學科交叉融合的課程體系和學術環(huán)境;一些高校實施的產學研項目呈現(xiàn)出對內自我封閉、分散重復、效率不高;創(chuàng)新實驗室建設缺乏有效的整合與組織創(chuàng)新，無法成為大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的孵化器。

協(xié)同創(chuàng)新強調創(chuàng)新主體之間的互動聯(lián)接和集體創(chuàng)新，以協(xié)同創(chuàng)新方式促進創(chuàng)新活動的發(fā)展。大學生協(xié)同創(chuàng)新能力，除了要求大學生具備創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力，還要自己有清晰的角色定位，具有較強的互動溝通能力和協(xié)同合作能力［5］。因此，在大學生的培養(yǎng)中，我們要考慮人才、學科、科研協(xié)同與互動，增強創(chuàng)新要素的有效集成，從而提升高校的創(chuàng)新能力。從教學層面，要激發(fā)大學生的學習興趣，提高其作為個體參與協(xié)同創(chuàng)新的可能性與積極性;在科研層面，圍繞科研攻關項目，形成多學科融合、多團隊協(xié)同的協(xié)同創(chuàng)新體。通過建立科學的考核評價標準，合理的協(xié)調學生、教師和學校的利益，使得各主體能夠從中得到利益，這樣就能形成良性循環(huán)，相互促進、相互發(fā)展，從而有利于學生的全面發(fā)展、教師隊伍的提高和高校學科建設的推動。

2 革新教學方法，提供協(xié)同創(chuàng)新的教育環(huán)境

美國學者戴爾提出了學習金字塔模型理論，研究表明個人學習或被動學習的學習保存率在30%以下，這包括聽講、閱讀和視聽等，而團隊學習、主動學習和參與式學習的學習保存率在50%以上的，其中做中學習或動手實踐方式的學習保存率為75%［6］。因此，在教學中，發(fā)揮團隊優(yōu)勢，采用協(xié)作式和探究式教學模式，鼓勵學生自主性、探索性的學習和實踐，在實踐中不斷地獲得創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)的提升。

2.1 教學團隊的協(xié)同教學

由于水下機器人技術具有多學科交叉融合和集成性的特點，其知識涉及到電子、計算機、流體、結構、材料、液壓、水聲和導航控制等多門學科［7］。因此，水下機器人課程的教學任務由承擔水下機器人科研項目的成員承擔，由電子信息學院、機械學院和船舶海洋學院等教師組成團隊進行協(xié)同教學。在教學過程初期，為了使學生了解水下機器人相關學科的背景知識，各專業(yè)教師針對水下機器人相關的學科知識進行不少于2個學時的授課。后續(xù)部分由開課主講教師對水下機器人組成、基本工作原理以及設計基礎、運動學與動力學和運動控制等進行理論教學。

課題組依托江蘇省產學研前瞻性聯(lián)合研究項目，研制了一種面向海洋工程水下結構檢測與清污的新型ROV 系統(tǒng)，如圖1 所示。研發(fā)過程中，機械學院教師指導學生使用SolidWorks 軟件完成各子模塊的虛擬建模、結構布置和虛擬裝配;船舶海洋學院教師指導基于有限元計算對載體框架、耐壓電子艙等模塊的強度校核，檢驗其是否符合潛水作業(yè)和水下檢測要求;電子信息學院教師指導動力推進系統(tǒng)的設計，保證水下機器人能夠實現(xiàn)升沉、進退、轉艏、縱搖四個自由度的浮游運動以及爬壁清污作業(yè)。通過協(xié)作式教學模式，加深對自動控制、機械設計和水聲通信技術等專業(yè)知識的理解，促使學生以多學科的視角來學習和思考所學課程，有利于激發(fā)學生的學習興趣，調動學習積極性。

圖1 帶纜遙控水下機器人

2.2 倡導探究式教學方式

通過深入研究國內外的教學方法，從傳統(tǒng)的教師授課、灌輸知識為主的方式，向與專業(yè)教學相適應的注重研究方法、提出問題的方式過渡。積極開展基于項目的探究式教學，讓學生在項目實施中發(fā)揮自主性和創(chuàng)造性，并通過團隊合作完成課程設計和實踐［8］。根據(jù)“自主式水下機器人智能控制”項目開展實驗教學，如圖2 所示。①根據(jù)不同主題任務將學生分成不同的學習小組，通過水下機器人實驗平臺，引導學生認識水下機器人的浮體、配重艙等結構、軟硬件系統(tǒng)構成和工作原理，了解機器人設計和控制的基本方法;②教師分析水下機器人的運動特點，指導學生建立其合適、準確的運動與動力學數(shù)學模型;并介紹先進的智能控制算法、控制方面的國內外研究現(xiàn)狀，提出水下機器人運動控制系統(tǒng)的設計要求;③學生以小組為單位開展學習活動，經(jīng)過一系列的理論學習、查閱文獻和相互交流，提出水下機器人動力學模型的控制方案，并通過實驗驗證結果。

圖2 水下機器人的水下控制

通過營造一種基于問題、基于創(chuàng)造的知識傳播與創(chuàng)新性學習的新型關系，鼓勵學生敢于突破思維定勢的障礙，學會獨立思考，和教師一起團結協(xié)作攻關難題。由于沒有固定的思維模式和教條的標準答案，學生完全在一個開放性的環(huán)境中進行自主式的探索和研究。在教師的指導下，學生之間相互交流與合作，不斷完善各自的方案設計。這種以項目為導向的教學方法，不但注重知識的有效傳授，而且重視學生技能培養(yǎng)。小組討論及團隊合作，有效地增強了學生對專業(yè)知識的掌握程度，有助于培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和團隊協(xié)作的能力。

2.3 多渠道提高教學效益

創(chuàng)新能力是在大學生學習、實踐、生活的過程中自覺形成，而且知識、能力水平是影響自主創(chuàng)新意識的前提條件［4］。通過引進現(xiàn)代教育技術，將一些信息量大、抽象的教學課程，通過動畫、多媒體等輔助教學課件用最直接方式引入課堂，便于學生理解水下機器人的構造和工作原理，激發(fā)學生的學習積極性。同時，支持本科生根據(jù)自己的興趣和課題需要，選學一些研究生的課程，在新的課程學習中拓寬專業(yè)知識面，培養(yǎng)了學習能力和創(chuàng)新意識。

通過實驗教學將抽象理論實際化、具體化，幫助學生理解和掌握水下機器人的關鍵技術，并學會在實際環(huán)境中加以應用。改變過去只重視理論驗證性實驗的教學模式，而把重心放在培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)造性思維能力上，盡量多地提供綜合性設計實驗以提高學生的綜合素質。課題組依托船舶與海洋工程控制系統(tǒng)實驗室提供的實驗平臺，開設了水下機器人的動力推進系統(tǒng)設計等特色實驗。動力推進系統(tǒng)如圖3所示，包括垂向推進模塊、縱向推進模塊、模態(tài)切換模塊、爬行清污模塊。實驗要求了解四個模塊的工作原理，并設計控制器驅動五個推進器實現(xiàn)水下機器人的四個自由度的浮游運動以及爬行清污作業(yè)。

圖3 動力推進單元

鼓勵學生在現(xiàn)有實驗項目下進行大膽創(chuàng)新，開拓新的實驗項目或課題，形成一系列多層次、遞進式的教學實驗內容［9］。例如在水下機器人的水密實驗中，最初檢測只是在耐壓電子艙和爬行清污模塊可能漏水的地方(包括水密接頭、艙體內部)放置漏水檢測試紙。為了提高檢測效率和部件的絕緣性，學生提出了一些改進措施，如設計漏水報警模塊，通過上位機軟件實時反饋信號來辨別是否漏水;在接合處放置橡膠密封圈等方法來加強水密性。這種倡導以本科生為主體的創(chuàng)新性實驗改革，調動了學生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，使得能力較強的學生的創(chuàng)新潛能得以充分發(fā)揮，也促進了實驗教學質量的提高。

3 科研與教學結合，促進創(chuàng)新主體的共同發(fā)展

協(xié)同創(chuàng)新要求人才、學科、科研協(xié)同與互動，增強創(chuàng)新要素的有效集成，從而提升創(chuàng)新能力［10］。因此，需要發(fā)揮創(chuàng)新主體的主觀能動性，協(xié)調各方利益分配，促使影響大學生協(xié)同創(chuàng)新能力的各要素優(yōu)化組合，共同發(fā)揮積極作用，以形成有利于協(xié)同創(chuàng)新系統(tǒng)健康運行的合力，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供新的模式和平臺，實現(xiàn)高校創(chuàng)新能力和人才培養(yǎng)質量的同步提升。

3.1 科研資源的共享

江蘇科技大學擁有國家、省學科重點實驗室，工程中心和研發(fā)中心，這些科研平臺積累了豐富的硬件資源、信息資源和人才資源。但由于分屬不同的部門，各方不同的利益追求阻礙了部分院系的科研合作和資源共享。而船舶工業(yè)領域內某些重大課題研究大多涉及多學科知識，需要跨學科團隊協(xié)同合作與聯(lián)合攻關。因此，學校鼓勵與支持不同院系教師聯(lián)合申報重大科研項目，實行資源共享、利益共贏，從而提升學校整體科研水平，帶動多學科多專業(yè)的協(xié)同發(fā)展。

水下機器人技術綜合了多學科的研究成果，代表了高新技術的發(fā)展前沿。借助水下機器人技術項目研究，源自教師自身的合作需求，不同專業(yè)方向的教師組成團隊進行課題攻關，通過院系之間的合作，實現(xiàn)了科研平臺與資源共享，不但減少了儀器設備資源的浪費，而且形成了學科優(yōu)勢互補。依托實驗室平臺，可以將最新研究成果轉化為教學內容，促進教學知識的更新，加強教學與科研的結合;可以通過科研提高教師的工程實踐能力，增強教師的教學技能［11］?？蒲衅脚_的共享和教師團隊的合作，為開展創(chuàng)新性活動提供了物質保障和技術支撐。

3.2 鼓勵優(yōu)秀學生參加創(chuàng)新活動

依托國內機器人競賽平臺和水下機器人項目，吸引和選拔優(yōu)秀本科生進入課題組。同時，利用演示實驗將科研團隊的研究成果制作成視頻展示給學生，讓學生了解水下機器人技術研究前沿，激發(fā)學生的對科學探索的求知欲，也吸納一些有興趣和潛力的學生加入科研團隊進行更深入的研究［12］。通過將“教室”搬到實驗室，將學生帶進知識探索的前沿、創(chuàng)新活動的一線，一方面使學生盡早感受社會的創(chuàng)新需求，激發(fā)其內在的創(chuàng)新潛能;另一方面可以讓學生較深入地了解科研工作的各個環(huán)節(jié)，有利于學生合理規(guī)劃未來的學術生涯。

經(jīng)過學生申請和課題組選拔，選擇大三年級中部分學有余力、具有扎實的基礎理論知識和較強動手能力的同學進入實驗室。利用研究生在知識結構和科研經(jīng)驗上的優(yōu)勢，對本科生發(fā)揮傳幫帶作用，在導師的指導下參與課題組活動和開展學術研究，有序地開展創(chuàng)新活動。

3.3 教學促進科研，科研反哺教學

教學水平的提高，有利于促進科研領域的不斷拓展與深化、推動專業(yè)建設水平的提升，進一步加快優(yōu)勢學科與特色專業(yè)的培育［13］。同樣，科研水平的提高，有利于提升教育教學的質量，促進本科教學內容的更新，為本科人才培養(yǎng)提供創(chuàng)新研究的平臺和機會［14］。

依托電信學院“國家特色專業(yè)”——自動化專業(yè)的發(fā)展優(yōu)勢，課題組在教學過程中，注重學生理論學習與實踐應用的有機結合，不斷更新教學內容和改善教學方法，積極探索以優(yōu)勢學科、特色實驗室為載體的創(chuàng)新團隊建設。在取得高水平研究成果的同時，注重及時把科研成果融入教材、引進課堂和實驗室，不斷豐富、充實和提升教學資源，做到科研反哺教學。近幾年學院撥出專項經(jīng)費進行“控制理論”、“電機與電氣控制”、“計算機控制”等課程的建設，創(chuàng)建了以創(chuàng)新能力培養(yǎng)和提高綜合素質為目標的課程群。課題組在完善“船舶與海洋自動化系統(tǒng)”實驗室管理的基礎上，建設了“自動控制原理”、“最優(yōu)控制”和“線性系統(tǒng)理論”等本科、研究生精品課程，完成10 多項江蘇省和江蘇科技大學教學改革與教學研究項目，獲得兩項國家自然科學基金資助，發(fā)表學術論文和教改論文30 多篇，并榮獲江蘇科技大學優(yōu)秀教學成果獎一等獎和二等獎各1 次。

通過科研與教學的結合，大學生和教師相互作用與反作用，共同組成一種良好的教育機制，實現(xiàn)創(chuàng)新主體的共贏局面。①提高了教師的整體素質和學術理論水平，②啟迪了學生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)了學生的探索精神和合作精神，③也為高校創(chuàng)造了經(jīng)濟效益，促進了優(yōu)勢學科和特色專業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4 完善考核評價機制，合理協(xié)調利益

由于教師職稱評審往往過分重視科研成果，輕視教學業(yè)績考核。因此，這就造成教師將大量精力花在課題申報、論文發(fā)表和專著出版上，而忽視教學質量的提高。以往對學生的考核僅僅依賴于理論考試，很難檢驗學生的學習效果，也不利于對教學效果的評估。在教師管理方面，要把教學質量、教學成果等作為績效考核、職稱評聘的重要依據(jù)。針對學生而言，要擯棄惟“考試分數(shù)”的單一評價方式，切實將課堂參與、批判性思維能力、探索與創(chuàng)新精神、實踐技能、綜合素質等列入評價體系［15］。因此，通過建立科學的考核評價標準，合理協(xié)調教師之間的利益和學生的利益，充分調動雙方的積極性和主動性，使得協(xié)同創(chuàng)新主體能夠從科研和教學過程中各有所得。

在水下機器人教學中，對于教師的績效考核不僅僅局限于論文和項目，也對教學質量進行評定，不但重視科研成果的質量，也注重學生的滿意度。偏重于學術性的教師主要承擔理論教學，偏重于工程實踐的教師主要承擔實驗教學，大家共享科研成果，投入的經(jīng)費既支持科學研究，也支持教育教學。

由于期末考試的一份試卷很難反映出學生的真實水平，因此課程除了理論知識的常規(guī)考核外，還添加實際動手操作和創(chuàng)新思維的考核。對于學生的考核方式采用綜合性考評，課程總成績=期末考試(30%)+實驗考核(25%)+平時成績(20%)+課程論文(25%)。其中，實驗成績根據(jù)學生的實驗工作態(tài)度、出勤、實驗操作、實驗結果和實驗報告等各環(huán)節(jié)由指導老師和學生團隊共同評定;課程論文要求學生通過大量閱讀文獻撰寫報告，成績根據(jù)報告的學術水平、創(chuàng)新性進行評定，其中優(yōu)秀的報告經(jīng)教師修改后推薦期刊投稿。對參加本科創(chuàng)新計劃和國內機器人比賽活動的學生，學院給予科研經(jīng)費的支持，成績突出的優(yōu)先推薦保研。

5 結 語

通過水下機器人教學和實踐活動的開展，學生對參加大學生創(chuàng)新設計比賽和電子競技大賽興趣高漲，學生們的創(chuàng)新能力和實踐動手能力有了顯著地提高。近3 年來，我們培養(yǎng)的學生在各種比賽中獲得了較好的成績，其中2012 年參加第三屆全國電子信息實踐創(chuàng)新作品評選中獲得一等獎，第七屆全國信息技術應用水平大賽電氣控制應用設計獲得團體賽二等獎;2013年參加教育部“西門子杯”全國大學生工業(yè)自動化挑戰(zhàn)賽設計開發(fā)型競賽高校組獲得分賽區(qū)三等獎，全國大學生電子設計競賽獲得省級二等獎;2014 年參加OI中國水下機器人大賽，“面向海洋工程水下結構檢測與清污的新型ROV 研制”和“面向海洋工程水下結構檢測與清污的新型ROV 導航與控制研究”均獲得了優(yōu)勝獎。實踐證明教學改革提高了大學生學習的主動性、積極性，培養(yǎng)了他們的科學創(chuàng)新精神和協(xié)作意識;同時，也調動了教師的積極性和創(chuàng)造性，促進了高校發(fā)展與教師自身發(fā)展的統(tǒng)一。教學實踐對開展創(chuàng)新教育具有很好的參考價值，也對大學生培養(yǎng)機制的改革和高校創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供了有益的借鑒。

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