獨(dú)立學(xué)院開展機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)課程探索

謝鵬飛++夏慶鋒++張燕++鄒發(fā)光

摘要：機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)的目的在于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的應(yīng)用型人才，本文重點(diǎn)介紹獨(dú)立學(xué)院在開展機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)課程的設(shè)計(jì)的討論，目的在于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立自主學(xué)習(xí)的能力，對機(jī)器人自主感知，分析處理數(shù)據(jù)，判斷與決策等方面知識有一定了解。

關(guān)鍵詞：獨(dú)立學(xué)院；機(jī)器人；創(chuàng)新設(shè)計(jì)；課程

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）04-0148-03

Exploration of innovative design training course for Independent Colleges

XIE Peng-fei， XIA Qing-feng， ZHANG Yan， ZOU Fa-guang

（Jinling College of Nanjing University， Nanjing 210089， China）

Abstract： Training innovative robot design aims to cultivate applied talents with innovative spirit， this paper focuses on the discussion of Independent Colleges in the design of robot innovative design training courses， aims to cultivate students' ability of independent learning， the autonomous robot sensing， data analysis， judgment and decision making and other aspects of a certain understanding.

Key words ：Independent college； robot； Innovative design； course

為深入貫徹《南京大學(xué)金陵學(xué)院“431”產(chǎn)學(xué)研深度融合人才培養(yǎng)模式改革實(shí)施方案》，探索應(yīng)用型人才的協(xié)同培養(yǎng)機(jī)制，促進(jìn)我校的轉(zhuǎn)型發(fā)展，鼓勵廣大教師積極開展教學(xué)改革的研究與實(shí)踐，切實(shí)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，南京大學(xué)金陵學(xué)院（以下簡稱金陵學(xué)院）開展了2014年度校級教學(xué)改革研究項(xiàng)目的申報(bào)立項(xiàng)工作。

2014年度教學(xué)改革研究項(xiàng)目主要圍繞應(yīng)用拓展課程建設(shè)，以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課、新型實(shí)訓(xùn)課為立項(xiàng)重點(diǎn)，扎實(shí)推進(jìn)教學(xué)改革的研究與實(shí)踐。

新型實(shí)訓(xùn)課，既不同于傳統(tǒng)意義上的實(shí)習(xí)課，也不等同于開放實(shí)驗(yàn)課，是一種新型的、綜合的、基于更廣闊學(xué)科背景的，綜合培養(yǎng)學(xué)生文化素質(zhì)和職業(yè)素養(yǎng)的探究性新型實(shí)踐訓(xùn)練課[1]。與傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)不同，新型實(shí)訓(xùn)課旨在通過知識融合的平臺，引導(dǎo)學(xué)生參與性、探究性的學(xué)習(xí)，自然實(shí)現(xiàn)從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的轉(zhuǎn)變，并在更高的層面上實(shí)現(xiàn)知識與技能的整合，從而提升學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)。

信息科學(xué)與工程學(xué)院（以下簡稱信工學(xué)院）智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人團(tuán)隊(duì)在多年從事機(jī)器人相關(guān)課程教學(xué)、機(jī)器人競賽、基于機(jī)器人的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目以及以機(jī)器人為主題的畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，總結(jié)和積累了很多寶貴經(jīng)驗(yàn)，正式提出并成功申報(bào)了《機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)》這一校級重點(diǎn)課題。

1 課程簡介

機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)的目的在于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的應(yīng)用型人才，將機(jī)器人方面的理論知識及專業(yè)知識，通過實(shí)踐項(xiàng)目的形式直觀地展示出來，讓學(xué)生在校期間能充分地接觸機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐，將信工學(xué)院各專業(yè)的核心技術(shù)通過機(jī)器人平臺有機(jī)融合在一起，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生申報(bào)項(xiàng)目、組織管理和實(shí)施項(xiàng)目的能力，培養(yǎng)學(xué)生撰寫技術(shù)文檔和學(xué)術(shù)論文的能力，培養(yǎng)學(xué)生的就業(yè)和工作的能力和素養(yǎng)，以期達(dá)到提升學(xué)生的綜合素質(zhì)的效果。結(jié)合金陵學(xué)院學(xué)生的特點(diǎn)以及信工學(xué)院的軟硬件條件，探索建立新型概念課的方法和方式，把知識的學(xué)習(xí)、素質(zhì)的培養(yǎng)和實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來，為后期建設(shè)實(shí)踐創(chuàng)新基地打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[2]。

本課程嚴(yán)格樹立以學(xué)生為本、知識傳授與能力培養(yǎng)并舉、素質(zhì)提高與協(xié)調(diào)發(fā)展并重的教學(xué)觀念，以創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心，以實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練為基本要求，注重團(tuán)隊(duì)合作和實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)[3]。本課程面向信工學(xué)院所有專業(yè)學(xué)生開放，旨在讓不同專業(yè)的學(xué)生組成一系列團(tuán)隊(duì)，按照公司運(yùn)行的機(jī)制讓學(xué)生學(xué)習(xí)新知識和鍛煉各項(xiàng)技能。課程強(qiáng)調(diào)不同專業(yè)學(xué)生間的相互學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目申報(bào)、組織管理和實(shí)施的能力，希望達(dá)到畢業(yè)設(shè)計(jì)導(dǎo)師喜歡、碩士生導(dǎo)師想要、工作單位認(rèn)可的效果。

本課程是一門教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合、學(xué)習(xí)與工作相融合、專業(yè)知識與技能技巧相協(xié)調(diào)、傳統(tǒng)教育與新型教育相交融的新型實(shí)訓(xùn)課程。本課程充分借鑒英國Essex大學(xué)先進(jìn)的教學(xué)理念和教學(xué)方式，具有強(qiáng)烈金陵學(xué)院特色，適用于應(yīng)用型本科學(xué)校。

預(yù)期效果及目標(biāo)：通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以達(dá)到以下一項(xiàng)以上成果。

（1）部分學(xué)生可以在畢業(yè)前發(fā)表至少一篇學(xué)術(shù)論文；

（2）部分學(xué)生可以申請到江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃；

（3）部分學(xué)生可以參加省級以上學(xué)科競賽；

（4）部分學(xué)生可以申請到實(shí)用新型專利；

（5）部分學(xué)生可以獲得國內(nèi)一流高校（如北京大學(xué)工學(xué)院）或者科研院所（中科院沈陽自動化研究所）短期交流學(xué)習(xí)機(jī)會；

（6）部分學(xué)生可以獲得到一流公司的實(shí)習(xí)機(jī)會。

同時(shí)，獲得本課程成績良好以上者，能夠成為我院承擔(dān)畢業(yè)設(shè)計(jì)的各位導(dǎo)師最青睞的學(xué)生，能夠在考研復(fù)試時(shí)輕松贏得面試官的認(rèn)可，能夠在找工作時(shí)顯示出明顯優(yōu)于別人的競爭力。當(dāng)然，為了保證教學(xué)效果，本課程每學(xué)期承擔(dān)的總?cè)藬?shù)一般限制在40以下。

2 課程體系設(shè)計(jì)

本課程分為基礎(chǔ)部分和高級部分?；A(chǔ)部分以機(jī)器人基礎(chǔ)教學(xué)為主，以機(jī)器人競賽平臺為背景，講解機(jī)器人競賽相關(guān)的入門知識，以此來選拔學(xué)生。實(shí)驗(yàn)教材建議各部分指導(dǎo)老師參考各類機(jī)器人技術(shù)手冊來編寫講義。表1列舉了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，隨著課程的進(jìn)一步開展可以繼續(xù)進(jìn)行豐富和修改。筆者主要負(fù)責(zé)武術(shù)擂臺部分的教學(xué)和團(tuán)隊(duì)的指導(dǎo)。

3.2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)與創(chuàng)新平臺＼&2學(xué)時(shí)＼&實(shí)驗(yàn)教學(xué)＼&智能四輪小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＼&智能四輪小車的設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu)方案、感知方案、控制策略

智能四輪小車自主躲避障礙物、巡線、走迷宮、語音控制、視頻控制[4][5]＼&6學(xué)時(shí)＼&水中機(jī)器人運(yùn)動控制＼&水中機(jī)器人概述

機(jī)器魚結(jié)構(gòu)

機(jī)器魚運(yùn)動控制

水中機(jī)器人全局視覺比賽技術(shù)

水中機(jī)器人2D仿真比賽技術(shù)

水中機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)＼&6學(xué)時(shí)＼&項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)＼&＼&輪式移動機(jī)器人運(yùn)動控制——自選實(shí)踐項(xiàng)目（27學(xué)時(shí)+）

足式移動機(jī)器人設(shè)計(jì)與運(yùn)動控制——自選實(shí)踐項(xiàng)目（27學(xué)時(shí)+）

機(jī)器蛇運(yùn)動控制——自選實(shí)踐項(xiàng)目（27學(xué)時(shí)+）

全局視覺機(jī)器魚協(xié)作頂球算法研究——自選實(shí)踐項(xiàng)目（27學(xué)時(shí)+）

水中機(jī)器人2D仿真比賽技術(shù)——自選實(shí)踐項(xiàng)目（27學(xué)時(shí)+）

仿人機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)——自選實(shí)踐項(xiàng)目（27學(xué)時(shí)+）＼&＼&]

本課程由機(jī)器人團(tuán)隊(duì)多名教師共同承擔(dān)。不同的項(xiàng)目分別由相應(yīng)的老師負(fù)責(zé)講授，分別對全體學(xué)生介紹信工學(xué)院各專業(yè)各門課程在機(jī)器人技術(shù)中的應(yīng)用情況，并講授機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)所需要的基本知識和基本技能，介紹我院以及兄弟院校學(xué)生在參加機(jī)器人競賽中所用到的技術(shù)；介紹機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)所需要用到的工具及其使用方法、各種軟件以及使用方法、硬件電子電路基礎(chǔ)知識、編程技巧以及智能四輪小車的設(shè)計(jì)與控制、機(jī)器魚運(yùn)動控制等內(nèi)容[6]。

項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)環(huán)節(jié)將所有學(xué)生分成5組，每組學(xué)生控制在5-12人，由指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)擬定5-10個具有一定創(chuàng)新性的機(jī)器人設(shè)計(jì)項(xiàng)目，由學(xué)生團(tuán)隊(duì)自主選題，也可以由學(xué)生根據(jù)智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器人設(shè)備自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目，分組后每位指導(dǎo)老師負(fù)責(zé)一個團(tuán)隊(duì)，以項(xiàng)目組織實(shí)施的方式對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)和管理。

在學(xué)生學(xué)時(shí)方面，前8周所有學(xué)生一起上課，第9周開始分成5組，每位老師負(fù)責(zé)一個項(xiàng)目，由學(xué)生自主選擇項(xiàng)目，每位老師負(fù)責(zé)的學(xué)生控制在5-12人。從第9周開始，學(xué)生的上課時(shí)間和上課形式可以在不違反學(xué)校教學(xué)規(guī)章制度的前提下，大膽探索和勇于嘗試，力求在實(shí)踐中探索出一條具有強(qiáng)烈金陵學(xué)院特色的教學(xué)方法和教學(xué)手段。原則上，學(xué)生實(shí)際全身心投入課程的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過27學(xué)時(shí)。

3 課程的教學(xué)方式

（1）本課程教學(xué)方法與手段靈活多變，包含課堂講授、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)等環(huán)節(jié)，其中課堂教學(xué)中重點(diǎn)采用案例教學(xué)法，為適應(yīng)我院學(xué)生的基礎(chǔ)，所舉的例子盡量采用院往屆學(xué)生在機(jī)器人競賽、江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)中的作品以及用到的方法，并通過播放視頻與制作動畫等形式加強(qiáng)學(xué)生的理解；實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)注重與理論知識的結(jié)合，力求通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步解釋理論知識，讓學(xué)生通過切身體會進(jìn)一步鞏固知識；項(xiàng)目驅(qū)動環(huán)節(jié)力求模擬公司的運(yùn)行機(jī)制，讓以“工作”的方式執(zhí)行課程任務(wù)，以達(dá)到把知識的學(xué)習(xí)、素質(zhì)的培養(yǎng)和生產(chǎn)實(shí)踐聯(lián)系起來的效果[7]。在講完相應(yīng)的理論課之后，根據(jù)比賽項(xiàng)目的分工，本項(xiàng)目組五位老師分別帶領(lǐng)一部分學(xué)生，開展項(xiàng)目式教學(xué)，為了完成比賽項(xiàng)目，學(xué)生需要自主查閱相關(guān)資料、根據(jù)自身優(yōu)勢進(jìn)行分工、并且按照一定的方式開展合作，以保證整個項(xiàng)目的順利推進(jìn)。為了取得較好的效果，有的學(xué)生自己去請教其他專業(yè)課老師，有的跑到相關(guān)企業(yè)進(jìn)行咨詢，有的跑到其他學(xué)校進(jìn)行取經(jīng)，基本上可以模擬公司的運(yùn)行機(jī)制。

（2）鑒于場地和設(shè)備的限制，為了達(dá)到更好的教學(xué)效果，本實(shí)訓(xùn)課程要求學(xué)生總數(shù)限制在40左右，即在項(xiàng)目驅(qū)動環(huán)節(jié)，每位老師最多指導(dǎo)兩個課題的項(xiàng)目，人數(shù)限制在5-12人。

（3）教學(xué)方法、作業(yè)、考試等教改舉措

教學(xué)方法與傳統(tǒng)的課程有較大改革，尤其是在項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，指導(dǎo)教師相當(dāng)于合同中的甲方，學(xué)生相當(dāng)于乙方，但是指導(dǎo)教師除了擔(dān)任甲方的職責(zé)之外，還需要對學(xué)生因材施教，主動發(fā)現(xiàn)每個學(xué)生的特點(diǎn)及特長，對其進(jìn)行引導(dǎo)與指導(dǎo)，使其充分發(fā)揮自己在團(tuán)隊(duì)中的作用。這里還強(qiáng)調(diào)學(xué)生間的相互學(xué)習(xí)，本課程授課對象應(yīng)該來自信工學(xué)院每個專業(yè)，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程不再單純是向老師學(xué)習(xí)，還應(yīng)該注重主動向同組同學(xué)學(xué)習(xí)相近專業(yè)知識，這種學(xué)習(xí)方式對于學(xué)生來講會減輕壓力，往往具有很好的效果。

作業(yè)也與傳統(tǒng)的課程有較大區(qū)別，為了突出分工，引導(dǎo)不同的學(xué)生發(fā)揮自己的特長，每個人的作業(yè)形式可以有所不同，根據(jù)本課程的創(chuàng)新考核方式（達(dá)到相關(guān)指標(biāo)者可以申請免考），每個同學(xué)可以自主選擇作業(yè)形式，作業(yè)形式可以是撰寫一篇學(xué)術(shù)論文、申請江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃、參加省級以上學(xué)科競賽、申請實(shí)用新型專利等。

4 考核方式

在考核方面，大膽創(chuàng)新，由實(shí)物演示、設(shè)計(jì)報(bào)告和答辯等三個環(huán)節(jié)組成，分別按照30%、30%、40%的比例構(gòu)成[8]。答辯環(huán)節(jié)由5位指導(dǎo)教師以及邀請1-3位專業(yè)教師或者分院領(lǐng)導(dǎo)組成。學(xué)生如果達(dá)到以下成果之一可免于答辯，并直接獲得優(yōu)秀的成績：

（1） 撰寫一篇學(xué)術(shù)論文，經(jīng)指導(dǎo)老師審核通過后成功投稿者

（2） 申請到江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃者

（3） 參加省級以上學(xué)科競賽并獲得省級一等獎或者國家級二等獎以上者

（4） 申請實(shí)用新型專利一項(xiàng)

（5） 所有指導(dǎo)教師一致認(rèn)為作品優(yōu)秀者

5總結(jié)

本課程旨在打破教育部白皮書的課程框架，建立新型概念課，把知識的學(xué)習(xí)、素質(zhì)的培養(yǎng)和生產(chǎn)實(shí)踐聯(lián)系起來，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的應(yīng)用型人才構(gòu)建新平臺。2016年，我校成功開設(shè)了本課程，受限于場地和硬件條件，在近200名報(bào)名同學(xué)中篩選出了60名同學(xué)進(jìn)行授課。課程結(jié)束后，筆者對這60名同學(xué)的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行了總結(jié)，如表2所示。

表2 課程初步成果

[撰寫論文數(shù)量＼&申報(bào)省級大創(chuàng)項(xiàng)目＼&參與機(jī)器人競賽人數(shù)＼&獲獎數(shù)＼&3人共投稿3篇（已錄用2篇）＼&4人組隊(duì)申報(bào)成功1項(xiàng)＼&9人次＼&一等獎2項(xiàng)，二等獎3項(xiàng)，三等獎4項(xiàng)＼&]

本課程建設(shè)的目標(biāo)是給學(xué)生提供一種模擬公司運(yùn)行的機(jī)制和環(huán)境，以設(shè)計(jì)產(chǎn)品為導(dǎo)向，以項(xiàng)目課題為目標(biāo)，學(xué)生在對于機(jī)器人自主感知，分析處理數(shù)據(jù)，判斷與決策等方面知識有一個系統(tǒng)了解基礎(chǔ)上，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中體會工作的流程，熟悉項(xiàng)目的運(yùn)作流程，在設(shè)計(jì)中增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)的能力，在團(tuán)隊(duì)中掌握分工協(xié)作與交流溝通的技巧，在答辯時(shí)積累結(jié)題的經(jīng)驗(yàn)以及撰寫報(bào)告的方法，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生申報(bào)項(xiàng)目、組織管理和實(shí)施項(xiàng)目的能力，培養(yǎng)學(xué)生撰寫技術(shù)文檔和學(xué)術(shù)論文的能力，培養(yǎng)學(xué)生的就業(yè)和工作的能力和素養(yǎng)，以期達(dá)到提升學(xué)生的綜合素質(zhì)的效果。

參考文獻(xiàn)：

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