以機(jī)器人大賽為契機(jī)的農(nóng)業(yè)院校工科專業(yè)實(shí)踐創(chuàng)新模式探索

宇海萍，馮靈清，劉琪芳，劉振宇，楊懷卿

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太谷 030801)

以機(jī)器人大賽為契機(jī)的農(nóng)業(yè)院校工科專業(yè)實(shí)踐創(chuàng)新模式探索

宇海萍，馮靈清，劉琪芳，劉振宇，楊懷卿

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太谷 030801)

隨著素質(zhì)教育和高校改革的推進(jìn)，大學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)顯得尤為重要。針對(duì)農(nóng)業(yè)院校學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的不足，以機(jī)器人大賽為契機(jī)，提出了增強(qiáng)農(nóng)業(yè)院校實(shí)踐創(chuàng)新能力的模式。該模式以綜合機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室為平臺(tái)，立體化實(shí)踐教學(xué)體系為主線，機(jī)器人創(chuàng)新梯隊(duì)為主體，探索了農(nóng)業(yè)院校學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實(shí)踐表明“以賽促教、以賽促學(xué)、以賽促改”的教育模式對(duì)于提高教師業(yè)務(wù)能力和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力具有較好的促進(jìn)作用。

實(shí)踐創(chuàng)新模式；機(jī)器人大賽；農(nóng)業(yè)院校；立體化實(shí)踐教學(xué)

DOI號(hào)：10.13320/j.cnki.jauhe.2017.0049

機(jī)器人大賽作為高科技、高技術(shù)對(duì)抗賽，是多學(xué)科知識(shí)應(yīng)用的綜合，其比賽的宗旨就在于提高學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。它是培養(yǎng)大學(xué)生理論和實(shí)踐相結(jié)合的良好平臺(tái)。機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程也是不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程，是理論和實(shí)踐的高度結(jié)合[1]。

現(xiàn)在的機(jī)器人大賽已經(jīng)不局限于機(jī)器人功能的競(jìng)賽，而更多地考量機(jī)器人的創(chuàng)意和創(chuàng)新，能最大化地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力。機(jī)器人大賽的大部分項(xiàng)目需要多人參與，這就需要參賽隊(duì)員之間的默契和合作，只有隊(duì)員之間分工明確、通力合作才能達(dá)到1+1>2的效果。

一、農(nóng)業(yè)院校信息科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)現(xiàn)狀

(一)農(nóng)業(yè)院校信息科學(xué)與工程專業(yè)的特點(diǎn)

1.專業(yè)平臺(tái)基礎(chǔ)偏弱。農(nóng)業(yè)院校的工科信息類專業(yè)并不是學(xué)校的優(yōu)勢(shì)專業(yè)，與工科院校相比，扶持力度較小，由此導(dǎo)致專業(yè)物質(zhì)條件相對(duì)較差。而對(duì)于此類專業(yè)，農(nóng)業(yè)院校與工科院校無(wú)論在學(xué)科發(fā)展還是學(xué)生就業(yè)方面都存在弱勢(shì)[2]。

2.師資隊(duì)伍偏年輕。一般而言，農(nóng)業(yè)院校的信息科學(xué)與工程類專業(yè)建設(shè)較晚，師資隊(duì)伍偏年輕，不管是教學(xué)經(jīng)驗(yàn)還是科研水平與工科院校相比都存在一定的差距。

3.學(xué)生實(shí)踐基礎(chǔ)普遍偏差。與其他高校相比，農(nóng)業(yè)院校學(xué)生大部分來(lái)自農(nóng)村，接觸計(jì)算機(jī)與電子類產(chǎn)品的機(jī)會(huì)比城市孩子要少，這就造成了很大的差距。

4.實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)薄弱。農(nóng)業(yè)院校實(shí)踐教學(xué)通常只是作為輔助教學(xué)，只側(cè)重理論知識(shí)的演示和驗(yàn)證，學(xué)生解決問(wèn)題的能力及創(chuàng)造性思維遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到產(chǎn)業(yè)需求的標(biāo)準(zhǔn)[3]。

(二)農(nóng)業(yè)院校信息科學(xué)與工程專業(yè)參加學(xué)科競(jìng)賽的現(xiàn)狀

近幾年，越來(lái)越多的農(nóng)業(yè)院校以學(xué)科競(jìng)賽為平臺(tái)，努力彌補(bǔ)農(nóng)業(yè)院校信息科學(xué)與工程專業(yè)的不足，提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

2008年，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)高云等[4]發(fā)表了《淺談電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽與農(nóng)業(yè)工程專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)》；2014年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的李震等[5]發(fā)表了《電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽對(duì)電子類課程體系和內(nèi)容改革的促進(jìn)作用——以華南農(nóng)業(yè)大學(xué)為例》；2015年，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)的陳文凱等[6]發(fā)表了《基于學(xué)科競(jìng)賽的大學(xué)生專業(yè)技能培養(yǎng)方式探究》；2016年，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的束德勤等[7]發(fā)表了《以學(xué)科競(jìng)賽為依托促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)——高等農(nóng)林院校對(duì)教學(xué)改革的探索與實(shí)踐》。

另外，隨著國(guó)際、國(guó)內(nèi)各類機(jī)器人大賽的舉行，農(nóng)業(yè)院校在大賽中也逐漸嶄露頭角。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)生在2012中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup公開(kāi)賽中獲得了機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)速比賽一等獎(jiǎng)；在2015中國(guó)機(jī)器人大賽中榮獲二等獎(jiǎng)兩項(xiàng)、三等獎(jiǎng)兩項(xiàng)。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)在2015中國(guó)機(jī)器人大賽中獲得陸空勘探機(jī)器人比賽一等獎(jiǎng)；在2016中國(guó)機(jī)器人大賽武術(shù)擂臺(tái)賽標(biāo)準(zhǔn)無(wú)差別2V2項(xiàng)目決賽中一舉奪冠，在武術(shù)擂臺(tái)賽輕量組項(xiàng)目中獲得二等獎(jiǎng)。湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)從2008年開(kāi)始連續(xù)多年參加了中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup公開(kāi)賽，以及全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽(Robocon)，取得了多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。 東北林業(yè)大學(xué)和西北農(nóng)林科技大學(xué)參加了2016RoboMasters全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽，分別取得了分賽區(qū)一等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)。

二、機(jī)器人實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)平臺(tái)的搭建

高校中機(jī)器人實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)的服務(wù)對(duì)象和功能，大致可以分成以下幾類:(1)電子類、機(jī)械類、計(jì)算機(jī)類學(xué)生的課程實(shí)驗(yàn);(2)電子類、機(jī)械類、計(jì)算機(jī)類學(xué)生的綜合課程設(shè)計(jì);(3)電子類、機(jī)械類、計(jì)算機(jī)類學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì);(4)機(jī)器人競(jìng)賽;(5)教師科研[8]。為適應(yīng)不同學(xué)科、不同層次學(xué)生的需求，利用綜合機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室為平臺(tái)，通過(guò)改革實(shí)踐教學(xué)體系和加強(qiáng)梯隊(duì)建設(shè)來(lái)彌補(bǔ)農(nóng)業(yè)院校學(xué)科專業(yè)的不足，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新教育提升的目的。

(一)搭建綜合機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)

根據(jù)服務(wù)對(duì)象和功能的不同，機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室依照從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的原則構(gòu)建了4個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：開(kāi)放式基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、競(jìng)賽平臺(tái)、自主創(chuàng)新平臺(tái)、科研平臺(tái)(如圖1所示)。

圖1 機(jī)器人綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)層次結(jié)構(gòu)

1.開(kāi)放式基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。開(kāi)放式基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要針對(duì)中、低年級(jí)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐課程開(kāi)放，采用半開(kāi)放式管理模式，學(xué)生可以利用該平臺(tái)進(jìn)行學(xué)科基本能力的鍛煉，包括計(jì)算思維能力、算法設(shè)計(jì)與分析能力、程序設(shè)計(jì)能力、開(kāi)發(fā)應(yīng)用能力等，并能夠動(dòng)手組裝和調(diào)試簡(jiǎn)單電路、編寫(xiě)控制軟件等[9]。

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括的機(jī)器人有智能人形機(jī)器人、立體視覺(jué)系統(tǒng)機(jī)器人套件、動(dòng)作投影系統(tǒng)機(jī)器人套件和安卓移動(dòng)開(kāi)發(fā)教學(xué)機(jī)器人。這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有操作簡(jiǎn)單、形象直觀和適用面廣等特點(diǎn)。

2.競(jìng)賽平臺(tái)。此平臺(tái)在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上，強(qiáng)化了機(jī)器人軟硬件，拓展了機(jī)器人的功能，主要針對(duì)參加機(jī)器人大賽的學(xué)生開(kāi)放。平臺(tái)機(jī)器人由參賽學(xué)生和指導(dǎo)教師采用借取的方式，在保證機(jī)器人套件的完整性和無(wú)損性的條件下自由使用，確保參賽學(xué)生有充足的時(shí)間準(zhǔn)備比賽。

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)連續(xù)4年在機(jī)器人大賽上取得佳績(jī)，競(jìng)賽平臺(tái)的搭建既積累了往屆比賽的經(jīng)驗(yàn)，也為今后的比賽提供了平臺(tái)。競(jìng)賽平臺(tái)的機(jī)器人包括了武術(shù)擂臺(tái)機(jī)器人組件、模塊化機(jī)器人套件(標(biāo)準(zhǔn)版)、水中機(jī)器人創(chuàng)新套件中級(jí)版、多水下機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)、八旋翼植保飛行器等。

3.自主創(chuàng)新平臺(tái)。此平臺(tái)針對(duì)高年級(jí)有競(jìng)賽經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生和教師開(kāi)放，主要用于課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)，以及創(chuàng)新項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)等。該平臺(tái)的機(jī)器人有模塊化機(jī)器人套件(高級(jí)版)、機(jī)器人創(chuàng)新套件(高級(jí)版)。教師可以指導(dǎo)學(xué)生制作與農(nóng)業(yè)服務(wù)相關(guān)的創(chuàng)新型機(jī)器人。

4.科研平臺(tái)。農(nóng)業(yè)院校的信息科學(xué)與工程專業(yè)只有和農(nóng)業(yè)相結(jié)合為農(nóng)業(yè)服務(wù)，才能得到更好的發(fā)展?？蒲衅脚_(tái)的機(jī)器人包括自主移動(dòng)機(jī)器人、四輪全地形機(jī)器人、航拍飛行器等，它們提供了多個(gè)傳感器，不僅能為農(nóng)業(yè)服務(wù)，還可以有效地傳回大量的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)為教師科研服務(wù)。

(二)建立立體化實(shí)踐教學(xué)體系

機(jī)器人的設(shè)計(jì)、制作過(guò)程涉及到機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等專業(yè)的多門(mén)學(xué)科內(nèi)容，為學(xué)生提供了多學(xué)科交叉融合的綜合創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)作為農(nóng)業(yè)院校，把實(shí)踐教學(xué)作為創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要途徑，將機(jī)器人綜合實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐課程分為基礎(chǔ)課程、綜合課程、創(chuàng)新課程，建立了基礎(chǔ)課程、綜合課程、創(chuàng)新課程相結(jié)合的立體化實(shí)踐教學(xué)體系[10](如圖2所示)。

圖2 實(shí)踐課程的分類

基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)主要為專業(yè)基礎(chǔ)課的原理性實(shí)驗(yàn)；綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐主要為給定設(shè)計(jì)要求,由學(xué)生獨(dú)立完成的課程設(shè)計(jì)課題；創(chuàng)新實(shí)踐則完全為開(kāi)放式教學(xué)方式，學(xué)生自主完成具有創(chuàng)新意義的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題或競(jìng)賽項(xiàng)目。3個(gè)層次的實(shí)踐教學(xué)分級(jí)分層、循序漸進(jìn)，從基礎(chǔ)到綜合，再到設(shè)計(jì)與創(chuàng)新[11]。

立體化實(shí)踐教學(xué)體系的建立，充分發(fā)揮了實(shí)踐教學(xué)的作用，為農(nóng)業(yè)院校創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提供了有力的保障。

(三)加強(qiáng)機(jī)器人創(chuàng)新梯隊(duì)建設(shè)

針對(duì)學(xué)生的流動(dòng)性和機(jī)器人大賽舉辦的持續(xù)性，成立機(jī)器人協(xié)會(huì)，吸收其他工科專業(yè)的學(xué)生參與其中，組成多專業(yè)跨年級(jí)的機(jī)器人創(chuàng)新梯隊(duì)。該梯隊(duì)共分為3個(gè)層次：指導(dǎo)教師組成第一梯隊(duì)，大二、大三相關(guān)專業(yè)學(xué)生組成第二梯隊(duì)，大一相關(guān)專業(yè)和外專業(yè)學(xué)生組成了第三梯隊(duì)(如圖3所示)。第一梯隊(duì)的教師參與機(jī)器人大賽的全過(guò)程，包括參賽隊(duì)伍的分配、主題的選擇、培訓(xùn)、技術(shù)指導(dǎo)、帶隊(duì)比賽以及其他方面的指導(dǎo)；第二梯隊(duì)的學(xué)生是主力，主要負(fù)責(zé)機(jī)器人的設(shè)計(jì)、組裝、編程、調(diào)試等工作以及指導(dǎo)第三梯隊(duì)的學(xué)生；第三梯隊(duì)的學(xué)生剛加入社團(tuán)，先期進(jìn)行觀摩，后期參與機(jī)器人的組裝和其他配件的制作工作。

圖3 機(jī)器人創(chuàng)新梯隊(duì)

三、平臺(tái)建設(shè)成效與創(chuàng)新人才培養(yǎng)成果

機(jī)器人實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)經(jīng)過(guò)幾年的建設(shè)，不僅在機(jī)器人大賽上獲得了驕人的成績(jī)，促進(jìn)了教學(xué)建設(shè)和實(shí)踐教學(xué)改革，而且提高了師生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

(一)連續(xù)4年在機(jī)器人大賽中取得佳績(jī)

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)師生連續(xù)4年在國(guó)際水中機(jī)器人大賽和華北五省機(jī)器人大賽中取得了優(yōu)異成績(jī)，在國(guó)際水中機(jī)器人大賽2D仿真項(xiàng)目中獲得了一等獎(jiǎng)兩項(xiàng)、二等獎(jiǎng)五項(xiàng)、三等獎(jiǎng)兩項(xiàng)，實(shí)體水中機(jī)器人項(xiàng)目獲得三等獎(jiǎng)兩項(xiàng)；在華北五省機(jī)器人大賽舞蹈賽項(xiàng)目中獲得一等獎(jiǎng)六項(xiàng)、二等獎(jiǎng)兩項(xiàng)、三等獎(jiǎng)一項(xiàng)，仿真組項(xiàng)目中獲得一等獎(jiǎng)三項(xiàng)、二等獎(jiǎng)一項(xiàng)。

從比賽成績(jī)可以看出，舞蹈機(jī)器人和2D仿真項(xiàng)目是山西農(nóng)業(yè)大學(xué)的優(yōu)勢(shì)項(xiàng)目，這兩個(gè)項(xiàng)目重點(diǎn)考察舞蹈的創(chuàng)意和編程能力，但隨著機(jī)器人大賽賽事的不斷更新和發(fā)展，2D仿真項(xiàng)目將逐步被取消，舞蹈的創(chuàng)意創(chuàng)新也越來(lái)越難。這就要求我們要更深地挖掘?qū)W生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，不斷地壯大參賽梯隊(duì)，拓展新項(xiàng)目，爭(zhēng)取給廣大師生創(chuàng)造更多的實(shí)踐創(chuàng)新機(jī)會(huì)。

(二)改革教學(xué)方法，改善教學(xué)效果

利用機(jī)器人綜合實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，建立了立體化實(shí)踐教學(xué)體系，把課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)以“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的方式分配給學(xué)生，機(jī)器人的設(shè)計(jì)、組裝、編程、調(diào)試等過(guò)程全由學(xué)生小組自行完成，教師采用引導(dǎo)式和討論式教學(xué)，不僅能培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考和自主學(xué)習(xí)能力，還能進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。

(三)促進(jìn)學(xué)科交叉創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，為學(xué)生考研和就業(yè)創(chuàng)造有利條件

近幾年，隨著參加機(jī)器人大賽學(xué)生人數(shù)的不斷增多，這項(xiàng)多學(xué)科交叉的創(chuàng)新賽事讓越來(lái)越多的學(xué)生受益，不僅實(shí)踐創(chuàng)新能力有了明顯的提高，而且學(xué)生在就業(yè)和考研中也凸顯了優(yōu)勢(shì)，打破了原有對(duì)農(nóng)業(yè)院校信息科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力低下的偏見(jiàn)。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)參加機(jī)器人大賽的第一屆學(xué)生已于2016年7月畢業(yè)，9名參賽學(xué)生中有6名考上了電子科技大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、西南科技大學(xué)等高校的研究生，另外3名學(xué)生在北京和杭州等地的對(duì)口工作單位就業(yè)；2017年即將畢業(yè)的11名參賽學(xué)生中，有5名學(xué)生通過(guò)了西安電子科技大學(xué)的暑期夏令營(yíng)優(yōu)研活動(dòng)，并取得了考研高分，另外有2名學(xué)生分別考取了中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、內(nèi)蒙古大學(xué)生的研究生，有1名學(xué)生被上海光通信公司錄用。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)4年的探索和實(shí)踐，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)依托機(jī)器人實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)平臺(tái)，不斷地彌補(bǔ)農(nóng)業(yè)院校的不足，在機(jī)器人大賽取得佳績(jī)的同時(shí)，促進(jìn)了實(shí)踐教學(xué)改革，學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力也得到了極大的提高。

未來(lái)的機(jī)器人大賽，將給我們帶來(lái)更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，同時(shí)，也會(huì)對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力提出更高的要求。在今后的工作中，我們將繼續(xù)保持對(duì)機(jī)器人比賽的高度熱情和有力支持，并以此為契機(jī)，不斷地探索實(shí)踐創(chuàng)新教育的新方法。

[1] 胡發(fā)煥，劉祚時(shí)，朱花.以機(jī)器人大賽為契機(jī)探索大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式[J]. 中國(guó)電力教育，2013(28):53-55.

[2] 程建興，邱玲．芻議農(nóng)業(yè)高校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的就業(yè)崗位與實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J]．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007 (S1) :101-103.

[3] 劉振宇，劉琪芳，馬輝棟，等.“大工程觀”下農(nóng)業(yè)信息類專業(yè)課程體系改革[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2016(4):53-55.

[4] 高云，王為，梁秀英.淺談電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽與農(nóng)業(yè)工程專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J]. 湖北農(nóng)機(jī)化,2008(6):30-31.

[5] 李震,王衛(wèi)星,代芬,等.電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽對(duì)電子類課程體系和內(nèi)容改革的促進(jìn)作用——以華南農(nóng)業(yè)大學(xué)為例[J]. 工業(yè)和信息化教育，2013(8):70-73.

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(編輯：劉偉霄)

2017-01-09

2012年山西省教學(xué)改革項(xiàng)目(編號(hào)：000820)。

宇海萍(1982-)，女，山西晉中人，講師，研究方向：農(nóng)業(yè)信息化。

楊懷卿(1964-)，男，山西運(yùn)城人，副教授，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)，研究方向：計(jì)算機(jī)農(nóng)業(yè)應(yīng)用及信息安全技術(shù)。

G642.0

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1008-6927(2017)02-0094-04