基于水下機(jī)器人競(jìng)賽的培養(yǎng)模式探索與實(shí)踐

郝帥 冀大雄 黃豪彩 宋偉 詹舒越 王曉萍

摘? 要：全國(guó)大學(xué)生水下機(jī)器人學(xué)科競(jìng)賽是一項(xiàng)面向全國(guó)海洋工程、海洋技術(shù)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的全國(guó)性的大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽，浙江大學(xué)結(jié)合三年“水下機(jī)器人設(shè)計(jì)”校內(nèi)競(jìng)賽的經(jīng)驗(yàn)，為全國(guó)海洋學(xué)子提供一個(gè)可以互相學(xué)習(xí)、互相研討、互相競(jìng)技、共同提高的專(zhuān)業(yè)性交流平臺(tái)。文章在充分分析水下機(jī)器人學(xué)科競(jìng)賽與大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出“課-賽”結(jié)合的人才培養(yǎng)模式。全國(guó)大學(xué)生水下機(jī)器人學(xué)科競(jìng)賽與專(zhuān)業(yè)課程結(jié)合的實(shí)踐表明：“課-賽”結(jié)合的人才培養(yǎng)模式的實(shí)施成效顯著，可以作為其他學(xué)科培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力的參考。

關(guān)鍵詞：水下機(jī)器人;“課-賽”結(jié)合;培養(yǎng)模式;創(chuàng)新能力

中圖分類(lèi)號(hào)：G640? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2021）14-0021-04

Abstract： The underwater robotics competition of national university students is a national competition for marine engineering and marine technology majors. Base on the competition experience of "underwater robot design" in three years， Zhejiang University established a professional communication platform for marine students to learn from each other， discuss with each other， compete with each other， and improve together. The "class-race" combined talent training model was proposed based on a full analysis of the relationship between the underwater robotics discipline competition and the cultivation of university students' practical innovation ability. The practice of combining the national university students' underwater robotics competitions with professional courses shows that the talent training model of "class-race" combination has achieved remarkable results and can be used as a reference for cultivating students' innovative thinking and training their practical abilities in other disciplines.

Keywords： underwater robot; "class-race" combination; training mode; innovative ability

在國(guó)家大力發(fā)展海洋事業(yè)，重視海洋戰(zhàn)略意義的大背景下，浙江大學(xué)海洋學(xué)院應(yīng)運(yùn)而生。2015年搬遷至中國(guó)第一大群島和重要港口城市浙江省舟山市，身負(fù)為國(guó)家輸送海洋綜合型人才的重任[1]。浙江大學(xué)海洋學(xué)院在加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的培養(yǎng)等方面一直在進(jìn)行探索與實(shí)踐，旨在培養(yǎng)高素質(zhì)海洋領(lǐng)域高端人才。

2019年以前海洋工程、海洋技術(shù)類(lèi)專(zhuān)業(yè)尚未有全國(guó)性的大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽，全國(guó)海洋學(xué)子缺少一個(gè)可以互相學(xué)習(xí)、互相研討、互相競(jìng)技、共同提高的專(zhuān)業(yè)性交流平臺(tái)?；诟?jìng)賽平臺(tái)的大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式被越來(lái)越廣泛認(rèn)同[2-6]。浙江大學(xué)結(jié)合三年“水下機(jī)器人設(shè)計(jì)”校內(nèi)競(jìng)賽的經(jīng)驗(yàn)，聯(lián)合中國(guó)海洋學(xué)會(huì)海洋技術(shù)裝備專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，創(chuàng)辦了全國(guó)大學(xué)生水下機(jī)器人學(xué)科競(jìng)賽。競(jìng)賽秘書(shū)處單位設(shè)立在浙江大學(xué)海洋學(xué)院，與專(zhuān)業(yè)委員會(huì)秘書(shū)處聯(lián)署，負(fù)責(zé)競(jìng)賽的組織和開(kāi)展。

一、全國(guó)大學(xué)生水下機(jī)器人學(xué)科競(jìng)賽建設(shè)情況概述

（一）發(fā)展歷程

2017年結(jié)合專(zhuān)業(yè)綜合設(shè)計(jì)課程，創(chuàng)辦了第一屆“水下機(jī)器人”競(jìng)賽;2018年該競(jìng)賽被認(rèn)定為校級(jí)競(jìng)賽。2018年成功舉辦了“遨拓杯”浙江大學(xué)第二屆“水下機(jī)器人設(shè)計(jì)”競(jìng)賽，有30支隊(duì)伍87名大學(xué)生參賽，競(jìng)賽影響力逐步擴(kuò)大，首次有外?！獊?lái)自大連理工大學(xué)的參賽隊(duì)參加。

2019年學(xué)院組織了第一屆全國(guó)大學(xué)生水下機(jī)器人學(xué)科競(jìng)賽，來(lái)自浙江大學(xué)、杭州電子科技大學(xué)、浙江海洋大學(xué)、上海海洋大學(xué)、上海海事大學(xué)、河海大學(xué)、江蘇海洋大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院等9所院校的20支隊(duì)伍參賽。彌補(bǔ)海洋工程、海洋技術(shù)類(lèi)專(zhuān)業(yè)尚無(wú)全國(guó)性的大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽的缺憾。2020年，進(jìn)一步擴(kuò)大賽事影響力，把全國(guó)水下機(jī)器人學(xué)科競(jìng)賽推向全國(guó)涉海高校和涉海專(zhuān)業(yè)，建設(shè)成為有影響力的有知名度的全國(guó)性的海洋學(xué)科競(jìng)賽，推進(jìn)與企業(yè)合作共贏，加快競(jìng)賽成果的轉(zhuǎn)化和研發(fā)。

（二）目標(biāo)定位

全國(guó)大學(xué)生水下機(jī)器人學(xué)科競(jìng)賽是面向全國(guó)大學(xué)生的海洋工程與海洋技術(shù)類(lèi)學(xué)科，通過(guò)大學(xué)生參與競(jìng)賽，提高大學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力和知識(shí)運(yùn)用水平，增強(qiáng)學(xué)生們對(duì)海洋的熱愛(ài)，開(kāi)闊學(xué)生們的視野，為我國(guó)廣大海洋學(xué)子提供一個(gè)展示風(fēng)采的平臺(tái)。競(jìng)賽的主要任務(wù)是：加強(qiáng)大學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的培養(yǎng);提高大學(xué)生了解和運(yùn)用海洋工程與海洋技術(shù)知識(shí)、解決實(shí)際問(wèn)題、領(lǐng)略海洋機(jī)器人技術(shù)的能力;同時(shí)激發(fā)創(chuàng)新思維，促進(jìn)“海洋工程”和“海洋技術(shù)”類(lèi)專(zhuān)業(yè)與機(jī)電光算控相關(guān)專(zhuān)業(yè)的交叉與融合;促進(jìn)海洋工程與海洋技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，推動(dòng)賽事成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合。

浙江大學(xué)以水下機(jī)器人學(xué)科競(jìng)賽為牽引，提煉多年競(jìng)賽組織的經(jīng)驗(yàn)，提出“課-賽”結(jié)合的人才培養(yǎng)模式，探索實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式。

二、“課-賽”結(jié)合特色課程構(gòu)建和實(shí)施

（一）健全的硬件保障——校企共建實(shí)踐基地

大學(xué)生創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力培養(yǎng)離不開(kāi)實(shí)踐創(chuàng)新基地[7-9]。學(xué)校與博雅工道（北京）機(jī)器人科技有限公司合作，建設(shè)了水下機(jī)器人實(shí)踐基地（圖1）。為“課-賽”結(jié)合的人才培養(yǎng)模式提供了優(yōu)質(zhì)的硬件條件。博雅工道（北京）機(jī)器人科技有限公司提供該基地所需大部分設(shè)備、硬件條件以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和方案，促進(jìn)實(shí)踐基地各種科研教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展，提高實(shí)踐教學(xué)水平;根據(jù)學(xué)校的具體教學(xué)活動(dòng)情況，中心構(gòu)建一個(gè)具有多種功能的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，包括水下機(jī)器人調(diào)試實(shí)驗(yàn)區(qū)、創(chuàng)意水下機(jī)器人實(shí)驗(yàn)區(qū)、機(jī)器人活動(dòng)展示區(qū)，構(gòu)成完整的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。擴(kuò)建了大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地：擴(kuò)建后的水下機(jī)器人聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室設(shè)有16張工作臺(tái)，每張工作臺(tái)分兩組，分別配套了專(zhuān)用儀器、工具箱、常用耗材等，可容納96名學(xué)生同時(shí)使用。實(shí)踐基地全天候開(kāi)放，由學(xué)生自主管理，可充分支持課程、競(jìng)賽、SRTP的學(xué)生使用。

（二）精準(zhǔn)的教學(xué)目標(biāo)——全力打造特色課程

三年前學(xué)院開(kāi)始精心設(shè)計(jì)打造《綜合實(shí)踐訓(xùn)練型課程——水下機(jī)器人設(shè)計(jì)》課程，以課程為載體，以競(jìng)賽為牽引和考核，讓學(xué)生經(jīng)歷從設(shè)計(jì)、動(dòng)手、調(diào)試到競(jìng)賽、答辯等科研項(xiàng)目的全過(guò)程（圖2為學(xué)生在水下機(jī)器人實(shí)踐基地為競(jìng)賽做準(zhǔn)備）。課程與競(jìng)賽結(jié)合，科研與教學(xué)結(jié)合，多學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用、跨專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域?qū)嵺`能力訓(xùn)練，受到學(xué)生歡迎和好評(píng)，學(xué)生反饋這是一門(mén)投入最多、學(xué)到東西最多、感受最深的課程。

課程通過(guò)水下機(jī)器人設(shè)計(jì)原理的教學(xué)，以及學(xué)生自主研讀相關(guān)論文，互相交流討論相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和科研結(jié)果等，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)研究興趣及動(dòng)力;通過(guò)以小組為單位設(shè)計(jì)并動(dòng)手制作一種水下機(jī)器人，使學(xué)生掌握水下機(jī)器人動(dòng)力建模設(shè)計(jì)、控制理論與應(yīng)用、結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)、電力電子線路、軟件開(kāi)發(fā)、傳感器信息及信號(hào)處理、材料分析等基本方法，并在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中了解最佳性能評(píng)估的方法，包括靜水性能分析：浮性及穩(wěn)性，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式和系列圖表等方法來(lái)預(yù)估水下機(jī)器人的水動(dòng)力性能和推力需求; 通過(guò)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)，掌握耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、配重等方法;通過(guò)控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，掌握控制電路設(shè)計(jì)、控制算法設(shè)計(jì)和調(diào)試;結(jié)合推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，估算推進(jìn)功率及航速。最后，學(xué)生能依靠團(tuán)隊(duì)力量，分工協(xié)作，制作水下機(jī)器人實(shí)物樣機(jī)，并通過(guò)競(jìng)賽進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。

（三）豐富的教學(xué)內(nèi)容——全面提升學(xué)生能力

課程第一周發(fā)布競(jìng)賽題目并對(duì)題目、課程講解，前四周為理論課，介紹設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)推進(jìn)、控制系統(tǒng)、電路設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容，后十二周學(xué)生分組開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。按照水下機(jī)器人設(shè)計(jì)的原理，實(shí)驗(yàn)課程分為四個(gè)基礎(chǔ)模塊實(shí)驗(yàn)和一個(gè)綜合實(shí)物競(jìng)賽，順利完成模塊實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行綜合實(shí)物競(jìng)賽的基礎(chǔ)?；A(chǔ)模塊實(shí)驗(yàn)包括：1.水下機(jī)器人外形及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);2.水下機(jī)器人推進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及推進(jìn)器選型;3.水下機(jī)器人通信系統(tǒng)及電路集成設(shè)計(jì);4.水

下機(jī)器人控制導(dǎo)航算法設(shè)計(jì)及調(diào)試。每個(gè)模塊實(shí)驗(yàn)為8個(gè)學(xué)時(shí)，學(xué)生課外還需要完成相關(guān)內(nèi)容的調(diào)研和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，課內(nèi)利用1學(xué)時(shí)進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果計(jì)入實(shí)驗(yàn)過(guò)程成績(jī)。學(xué)生通過(guò)“課-賽”結(jié)合模式，實(shí)踐能力全面提升。

三、“課-賽”結(jié)合特色課程的實(shí)踐成果

（一）學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與實(shí)踐能力明顯提升

通過(guò)“課-賽”結(jié)合，以競(jìng)賽為牽引讓學(xué)生經(jīng)歷從設(shè)計(jì)、制作、集成、調(diào)試到競(jìng)賽、答辯等科研工作的全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)知識(shí)從“珍珠到項(xiàng)鏈”的串聯(lián)，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生多學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，激發(fā)了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)自豪感。學(xué)生通過(guò)解決實(shí)際問(wèn)題，領(lǐng)略海洋機(jī)器人的魅力。

學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與實(shí)踐能力明顯提升。海洋學(xué)院學(xué)子在國(guó)內(nèi)外多個(gè)“水下機(jī)器人”競(jìng)賽中嶄露頭角，獲得了多個(gè)一等獎(jiǎng)獎(jiǎng)項(xiàng)。除了成功舉辦校級(jí)競(jìng)賽，學(xué)院還鼓勵(lì)學(xué)生向外拓展，走向?qū)W校以外的競(jìng)技舞臺(tái)，并取得了亮眼的成績(jī)。2018年5月21-25日在澳大利亞舉行的國(guó)際機(jī)器人與自動(dòng)化會(huì)議軟體材料機(jī)器人挑戰(zhàn)賽上，海洋學(xué)院學(xué)子獲得軟體抓手挑戰(zhàn)賽一等獎(jiǎng)等多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng);2018年7月10-11日在上海臨港機(jī)器人競(jìng)賽中，海洋學(xué)院代表隊(duì)躋身前三甲，獲得較好成績(jī);2018年7月26-27日，在大連舉行的第十一屆國(guó)際水中機(jī)器人大賽中，海洋學(xué)院首次組隊(duì)參賽即創(chuàng)佳績(jī)，獲得3項(xiàng)一等獎(jiǎng)、2項(xiàng)二等獎(jiǎng)和1項(xiàng)三等獎(jiǎng);2018年8月12日，海洋學(xué)院本科生在第七屆全國(guó)航行器設(shè)計(jì)大賽上獲得設(shè)計(jì)制作類(lèi)（水下組）一等獎(jiǎng)。

（二）創(chuàng)辦國(guó)家級(jí)競(jìng)賽

通過(guò)三屆學(xué)生的“課-賽”結(jié)合、三次校級(jí)“水下機(jī)器人競(jìng)賽”的歷練，2019年海洋學(xué)院發(fā)起并創(chuàng)辦了“遨拓杯”第一屆全國(guó)大學(xué)生水下機(jī)器人學(xué)科競(jìng)賽（如圖3、圖4所示）。為全國(guó)海洋學(xué)子提供了國(guó)家級(jí)的交流競(jìng)技平臺(tái)，并且該賽事被列入中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)工程教育專(zhuān)業(yè)委員會(huì)聯(lián)合浙江大學(xué)機(jī)器人研究院首次發(fā)布的“全國(guó)高校機(jī)器人競(jìng)賽創(chuàng)新指數(shù)”中。中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)工程教育專(zhuān)業(yè)委員會(huì)與浙江大學(xué)機(jī)器人研究院共采集18項(xiàng)高校機(jī)器人競(jìng)賽。從競(jìng)賽貢獻(xiàn)、組織貢獻(xiàn)兩個(gè)維度構(gòu)建評(píng)估模型，以開(kāi)設(shè)“機(jī)器人工程”專(zhuān)業(yè)的本科院校為對(duì)象，發(fā)布“全國(guó)高校機(jī)器人競(jìng)賽指數(shù)（本科）”清單，浙江大學(xué)排名TOP10%。

（三）促進(jìn)海洋領(lǐng)域高端人才培養(yǎng)

面對(duì)世界海洋強(qiáng)國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)，加強(qiáng)海洋人才的培養(yǎng)對(duì)建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)具有重要的意義。海洋學(xué)院正處在融入國(guó)家戰(zhàn)略、浙江大灣區(qū)和舟山群島新區(qū)，把海洋學(xué)院建設(shè)成為太平洋西岸重要的海洋科教中心，為國(guó)家海洋戰(zhàn)略培養(yǎng)更優(yōu)秀的各類(lèi)海洋人才，全面加快發(fā)展的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期。當(dāng)前我國(guó)海洋科技的整體實(shí)力明顯增強(qiáng)，急需人才。通過(guò)實(shí)踐“課-賽”結(jié)合的人才培養(yǎng)模式、創(chuàng)辦海洋領(lǐng)域國(guó)家級(jí)競(jìng)賽，不僅培養(yǎng)了本校學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，也可以吸引相關(guān)工程類(lèi)人才對(duì)海洋領(lǐng)域的關(guān)注，為國(guó)家海洋戰(zhàn)略培養(yǎng)更優(yōu)秀的高端海洋人才。

四、結(jié)束語(yǔ)

基于全國(guó)大學(xué)生水下機(jī)器人學(xué)科競(jìng)賽“課-賽”結(jié)合的人才培養(yǎng)模式，彰顯了海洋學(xué)院的課程設(shè)計(jì)特色，加強(qiáng)了大學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的培養(yǎng)，為學(xué)生提供了綜合運(yùn)用海洋工程與技術(shù)知識(shí)、解決實(shí)際問(wèn)題、領(lǐng)略海洋機(jī)器人魅力的優(yōu)質(zhì)平臺(tái)，是學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，教學(xué)科研結(jié)合的良好探索和實(shí)踐。

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