大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽的多學(xué)科融合實(shí)踐教學(xué)研究

秦緒彬 蔡曉敏 卞宇

摘要：人工智能及機(jī)器人技術(shù)在國(guó)內(nèi)外高校已被列入本科生和研究生課程，高校大力發(fā)展符合國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展需求的新型專業(yè)，著重培養(yǎng)一大批高科技人才，助力國(guó)家科技發(fā)展。在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)各類活動(dòng)中，機(jī)器人競(jìng)賽成為工科學(xué)生主流賽事之一，吸引了很多隊(duì)伍競(jìng)技。機(jī)器人競(jìng)賽下分服務(wù)類、無人機(jī)類、仿真類等各類機(jī)器人，橫跨計(jì)算機(jī)、電子信息、人工智能、自動(dòng)化等多種學(xué)科知識(shí)體系，該文重點(diǎn)研究多學(xué)科融合的以賽促學(xué)和以學(xué)促賽的機(jī)器人教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人競(jìng)賽;多學(xué)科融合;課程思政;人工智能

中圖分類號(hào)：TP311? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）30-0224-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

人工智能及機(jī)器人領(lǐng)域近年來在各個(gè)領(lǐng)域飛速發(fā)展，已經(jīng)從理論走向了實(shí)際的應(yīng)用。包括中國(guó)在內(nèi)的很多國(guó)家都將機(jī)器人技術(shù)列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展規(guī)劃。工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人更是全面覆蓋人類生產(chǎn)、生活和學(xué)習(xí)過程中。隨著芯片技術(shù)、通訊技術(shù)、信息化技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，人工智能及機(jī)器人技術(shù)在不遠(yuǎn)的將來，必然迎來飛速的發(fā)展。國(guó)內(nèi)各高校對(duì)機(jī)器人以及機(jī)器人各垂直領(lǐng)域的研究也越來越深入。很多高校將人工智能原理、模式識(shí)別等機(jī)器人相關(guān)知識(shí)列入了研究生和本科生的培養(yǎng)計(jì)劃。

對(duì)于獨(dú)立學(xué)院來講，如何更好地培養(yǎng)“新型應(yīng)用型人才”，是實(shí)踐教學(xué)任務(wù)中必須探討的。而機(jī)器人技術(shù)作為人工智能領(lǐng)域中重要的一個(gè)分支，對(duì)學(xué)生了解科技前沿，對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力、應(yīng)用能力的培養(yǎng)及將來的就業(yè)都有積極的意義和深遠(yuǎn)的影響。機(jī)器人技術(shù)是一門多學(xué)科多領(lǐng)域高度交叉的學(xué)科，大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽[1]中使用到的學(xué)科內(nèi)容包括機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)等，其中計(jì)算機(jī)語言就包括C、C++、Java、Python等主流語言。而目前本科培養(yǎng)計(jì)劃的知識(shí)寬度和深度與實(shí)際的應(yīng)用存在不小的差距。僅以編程語言為例，從學(xué)生層面，無論競(jìng)賽中還是今后工作中使用到的編程能力幾乎都集中在高級(jí)語言中的“面向?qū)ο蟆辈糠?，而教學(xué)內(nèi)容上，除計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生外，其他學(xué)院的語言類教學(xué)都是以各門語言的基礎(chǔ)語法為主。另一方面，作為本科院校，從學(xué)生教學(xué)培養(yǎng)計(jì)劃上看，低年級(jí)學(xué)生課程任務(wù)較重，大三大四學(xué)生主要精力放在考研和就業(yè)上，真正適合培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的時(shí)間較短，難以形成系統(tǒng)全面的應(yīng)用型人才的培養(yǎng)體系。

機(jī)器人競(jìng)賽能提高大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和專業(yè)技能及理論聯(lián)系實(shí)際能力[2]。同時(shí)機(jī)器人作為多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的載體，在高校的教學(xué)和研究中得到廣泛應(yīng)用 [4]。

為了適應(yīng)學(xué)院應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，迫切需要結(jié)合各獨(dú)立學(xué)院實(shí)際的教學(xué)培養(yǎng)計(jì)劃，探索并形成一套符合實(shí)際情況的兼顧常規(guī)教學(xué)、學(xué)生應(yīng)用能力培養(yǎng)及競(jìng)賽成績(jī)的多學(xué)科融合的培養(yǎng)體系。依托機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室和江蘇省大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽，重點(diǎn)從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、創(chuàng)新培養(yǎng)模式等方面進(jìn)行研究。確定從教學(xué)實(shí)踐任務(wù)、教學(xué)任務(wù)序列、教學(xué)策略、教學(xué)內(nèi)容等方面對(duì)多學(xué)科融合的大學(xué)生競(jìng)賽培養(yǎng)體系進(jìn)行研究。

2 江蘇省大學(xué)生機(jī)器人大賽多學(xué)科實(shí)踐

2.1 依托機(jī)器人競(jìng)賽，明確實(shí)踐教學(xué)任務(wù)

明確實(shí)踐任務(wù)，就是根據(jù)機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)目的相關(guān)規(guī)則制定出完整、明確的教學(xué)實(shí)踐任務(wù)。教學(xué)實(shí)踐任務(wù)的設(shè)定一般包括所需的前置條件、參賽要完成的預(yù)設(shè)目標(biāo)和一系列活動(dòng)等。在設(shè)定時(shí)可以參考本院往年參賽的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行展示，并根據(jù)往年比賽總結(jié)進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)組委會(huì)要求，高爾夫比賽分三場(chǎng)舉行，三場(chǎng)比賽機(jī)器人和球的起始位置如圖1所示（白色圓為球初始位置，橙色三角為機(jī)器人初始位置，藍(lán)圓為球洞位置）。三場(chǎng)比賽場(chǎng)地及開球規(guī)則如下：

第一場(chǎng)：球和球洞中間無任何阻擋，球洞距離開球點(diǎn)3米。機(jī)器人在場(chǎng)內(nèi)直接開球。

第二場(chǎng)：引入障礙物，放置位置如圖。障礙物長(zhǎng)度為15cm（高度20cm，厚度15cm）的白色木塊。機(jī)器人從場(chǎng)外走入場(chǎng)內(nèi)，把高爾夫球在規(guī)定的桿數(shù)內(nèi)打入球洞。

第三場(chǎng)：球位置如圖所示，機(jī)器人從場(chǎng)外走入場(chǎng)內(nèi)，把高爾夫球在規(guī)定的桿數(shù)內(nèi)打入球洞。

比賽規(guī)則為：每個(gè)隊(duì)比賽總用時(shí)20分鐘，參賽隊(duì)場(chǎng)中隊(duì)員將機(jī)器人放置于機(jī)器人起始位置進(jìn)行開球。可以用語音或觸摸指令來控制機(jī)器人開始擊球，并完成整個(gè)進(jìn)洞過程，整個(gè)過程必須是機(jī)器人自主完成。擊球出界時(shí)，裁判將球放置到邊界上，讓機(jī)器人繼續(xù)擊球，并給予1分罰分。

根據(jù)比賽任務(wù)要求，將比賽任務(wù)分解如下：

（1）機(jī)器人步態(tài)：機(jī)器人行走步態(tài)設(shè)計(jì)及算法;

（2）機(jī)器人擊球：機(jī)器人擊球動(dòng)作設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn);

（3）物體識(shí)別：包括高爾夫球的識(shí)別和球洞標(biāo)志物的識(shí)別;

（4）其他功能：包括喚醒、摔倒起身等。

2.2 優(yōu)化實(shí)踐內(nèi)容，按學(xué)生學(xué)科形成大學(xué)生教學(xué)任務(wù)序列

要完成高爾夫機(jī)器人參賽任務(wù)，需要參賽學(xué)生掌握多學(xué)科多領(lǐng)域的知識(shí)，需要多個(gè)學(xué)科的學(xué)生發(fā)揮各自學(xué)科優(yōu)勢(shì)，組建團(tuán)隊(duì)共同完成分解的任務(wù)。根據(jù)任務(wù)分解情況需要的專業(yè)領(lǐng)域包括：通信工程、圖像處理、信號(hào)處理、機(jī)械學(xué)、電子信息、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)及軟件工程等。為了合理化教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容，提高教學(xué)實(shí)踐效率，緊密結(jié)合多學(xué)科知識(shí)和競(jìng)賽培訓(xùn)體系，先形成兩個(gè)前置體系列表：

（1）學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)體系列表：形成不同年級(jí)、不同專業(yè)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系;

（2）競(jìng)賽項(xiàng)目知識(shí)列表：將參賽項(xiàng)目所需要的知識(shí)技能形成列表，并梳理出每項(xiàng)知識(shí)技能的前置知識(shí)技能，形成競(jìng)賽項(xiàng)目知識(shí)技能結(jié)構(gòu)圖。

最終參賽學(xué)生由來自機(jī)電專業(yè)、自動(dòng)化專業(yè)、電氣專業(yè)、計(jì)算機(jī)專業(yè)和信息管理專業(yè)的學(xué)生組成，并配置各專業(yè)教師予以專業(yè)知識(shí)輔導(dǎo)。根據(jù)任務(wù)分解情況，組成三個(gè)方向小組：

（1）機(jī)器人步態(tài)小組：研究機(jī)器人行走步態(tài)及算法實(shí)現(xiàn)，機(jī)器人摔倒起身動(dòng)作及算法實(shí)現(xiàn);

（2）機(jī)器人擊球小組：研究機(jī)器人擊球動(dòng)作、位置設(shè)計(jì)及算法實(shí)現(xiàn)，機(jī)器人喚醒及停止程序設(shè)計(jì);

（3）物體識(shí)別小組：研究高爾夫球及球洞標(biāo)志物的識(shí)別、定位的算法實(shí)現(xiàn)。

依托機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，通過對(duì)多學(xué)科的實(shí)踐資源的融合，力圖在加深學(xué)生對(duì)本專業(yè)知識(shí)理解的基礎(chǔ)上，提升綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)、電子學(xué)、自動(dòng)化等多學(xué)科內(nèi)容的問題分析能力、解決能力、合作能力、整合能力[4]。

2.3 實(shí)施多學(xué)科互動(dòng)教學(xué)和多元化教學(xué)策略

學(xué)科競(jìng)賽過程中主要的指導(dǎo)策略包括：講解、展示、實(shí)操和應(yīng)用。參加競(jìng)賽的學(xué)生一般具有一定的公共學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)，在具體指導(dǎo)過程中先讓學(xué)生回憶學(xué)過的知識(shí)，然后講解涉及的新學(xué)科知識(shí)或把新知識(shí)與舊知識(shí)、本學(xué)科和其他學(xué)科知識(shí)聯(lián)系起來，然后對(duì)以上知識(shí)進(jìn)行綜合展示，最后讓學(xué)生有機(jī)會(huì)應(yīng)用知識(shí)。機(jī)器人學(xué)是高度交叉的學(xué)科，內(nèi)容包括機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)等相關(guān)內(nèi)容，如果在短時(shí)間里講授所有內(nèi)容顯然是不符合實(shí)際的，必須對(duì)課程的內(nèi)容進(jìn)行合理的選擇。根據(jù)三個(gè)方向小組的劃分和學(xué)生知識(shí)技能掌握，實(shí)施針對(duì)性的實(shí)踐教學(xué)：

（1）針對(duì)大一的學(xué)生，可重點(diǎn)講解機(jī)器人的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。大一學(xué)生剛剛開始學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)語言，可配合其計(jì)算機(jī)語言的學(xué)習(xí)進(jìn)度重點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用類的實(shí)踐，如編寫簡(jiǎn)單的機(jī)器人行走程序、擊球程序和物體識(shí)別程序，形成專業(yè)課學(xué)習(xí)和機(jī)器人應(yīng)用實(shí)踐的相互促進(jìn)。授課教師應(yīng)對(duì)機(jī)器人領(lǐng)域各學(xué)科有一定理解，在實(shí)施教學(xué)過程中，應(yīng)能夠兼顧其他知識(shí)的介紹。

（2）針對(duì)高年級(jí)各專業(yè)學(xué)生，可根據(jù)學(xué)生分組任務(wù)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)指導(dǎo)，如機(jī)器人的步態(tài)設(shè)計(jì)、機(jī)器人行進(jìn)算法、物品識(shí)別及抗干擾算法、多進(jìn)程算法設(shè)計(jì)等。教師在指導(dǎo)過程中應(yīng)始終以學(xué)生為中心，以學(xué)生為主體，讓學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)思考，鼓勵(lì)學(xué)生多動(dòng)手多實(shí)踐，教師只有在必要環(huán)節(jié)給予學(xué)生關(guān)鍵點(diǎn)的指導(dǎo)。

（3）以老帶新，充分發(fā)揮高年級(jí)學(xué)生作用：相比低年級(jí)學(xué)生，高年級(jí)學(xué)生不但具有更專業(yè)和全面的知識(shí)儲(chǔ)備，還有豐富的參賽和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)踐教學(xué)中讓部分高年級(jí)學(xué)生充當(dāng)助教角色，充分發(fā)揮示范作用和引領(lǐng)作用，帶動(dòng)整體學(xué)習(xí)和實(shí)踐氛圍。同時(shí)對(duì)這部分高年級(jí)同學(xué)來講，也是另一層面的應(yīng)用實(shí)踐。

在各階段的授課過程中，應(yīng)積極發(fā)揮多媒體教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，采用大量實(shí)際參賽的圖片、視頻等方式來結(jié)合理論進(jìn)行講解。更重要的是讓學(xué)生能在授課過程中更多地接觸和操作機(jī)器人，通過由淺入深的操作，對(duì)機(jī)器人及機(jī)器人領(lǐng)域產(chǎn)生興趣。通過多個(gè)學(xué)期機(jī)器人課程的教學(xué)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)這種讓學(xué)生直接操作的方式更能激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，能夠快速提高學(xué)生對(duì)機(jī)器人領(lǐng)域的認(rèn)知。在講授的內(nèi)容和方法上，要以激發(fā)學(xué)生對(duì)機(jī)器人的學(xué)習(xí)興趣為最初的目標(biāo)。授課過程中，要強(qiáng)調(diào)機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用、發(fā)展前景和社會(huì)需求，讓學(xué)生感覺到所學(xué)的知識(shí)對(duì)將來的深造和就業(yè)有實(shí)際幫助[5]。

2.4 實(shí)踐氛圍的常態(tài)化和實(shí)踐參與范圍的擴(kuò)大

機(jī)器人競(jìng)賽應(yīng)用實(shí)踐的特征十分突出，因此在制定教學(xué)策略時(shí)，應(yīng)充分考慮如何更好地增加學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力。依托機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室資源，在校內(nèi)形成“競(jìng)賽常態(tài)化”的氛圍，即定期在校內(nèi)（或相關(guān)學(xué)生）范圍內(nèi)，根據(jù)高爾夫機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)目規(guī)則，模擬賽事，組織內(nèi)部聯(lián)賽，促使學(xué)生“多用、活用”形成良好的學(xué)習(xí)和競(jìng)賽氛圍，提高學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力。

獨(dú)立學(xué)院培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)是針對(duì)全體學(xué)生，以競(jìng)賽為抓手促進(jìn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，不應(yīng)只局限于參賽學(xué)生這個(gè)小范圍小群體，只有面向廣大學(xué)生，提高廣大學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力，教學(xué)實(shí)踐的研究才有意義。通過舉辦學(xué)校范圍機(jī)器人競(jìng)賽（聯(lián)賽）、定期舉行機(jī)器人相關(guān)知識(shí)的培訓(xùn)、機(jī)器人相關(guān)任選課選修課的開設(shè)來擴(kuò)大機(jī)器人競(jìng)賽的影響，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。機(jī)器人方向只是應(yīng)用的一個(gè)方面，通過對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生積極參與各類應(yīng)用實(shí)踐，如智能小車、飛行器、服務(wù)機(jī)器人、工程訓(xùn)練實(shí)踐等等，在校內(nèi)形成最廣泛的應(yīng)用實(shí)踐參與氛圍，提升廣大學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力。

3 總結(jié)

學(xué)科競(jìng)賽和實(shí)踐教學(xué)是不可分割的，機(jī)器人競(jìng)賽和教學(xué)的難點(diǎn)在于機(jī)器人學(xué)是一門高度交叉的前沿學(xué)科，內(nèi)容包括機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)等相關(guān)內(nèi)容，如何統(tǒng)籌不同專業(yè)不同年級(jí)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，合理安排教學(xué)任務(wù)序列是需要持續(xù)進(jìn)行研究和調(diào)整。指導(dǎo)老師不僅要善于用簡(jiǎn)潔、生動(dòng)的語言講述專業(yè)知識(shí)，激發(fā)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的獲取，還需要不斷學(xué)習(xí)，提升自身的思想素質(zhì)和專業(yè)素質(zhì)。本文以江蘇省大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽為背景，討論了基于獨(dú)立學(xué)院的本科生多學(xué)科融合的實(shí)踐教學(xué)方法，提出了一種“明確任務(wù)目標(biāo)、形成任務(wù)序列、多元教學(xué)策略、常態(tài)化實(shí)踐”的新型實(shí)踐教學(xué)模式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 江蘇省大學(xué)生機(jī)器人大賽，http：//js.robot12360.com/

[2] 孟明輝，李莎.基于機(jī)器人競(jìng)賽的學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)研究[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2020，28（21）：158.

[3] 陳妍冰，劉琳靖.基于機(jī)器人競(jìng)賽的教學(xué)改革研究[J].教育教學(xué)論壇，2015（21）：123-124.

[4] 盛漢霖.多學(xué)科融合在大學(xué)生科創(chuàng)競(jìng)賽指導(dǎo)中的實(shí)踐——以國(guó)際空中機(jī)器人大賽為例[J].教育教學(xué)論壇，2020（6）：173-174.

[5] 葛向紅，陳興偉，丁星星.依托學(xué)科競(jìng)賽提高大學(xué)生的創(chuàng)業(yè)就業(yè)能力——以VEX U機(jī)器人工程挑戰(zhàn)賽為例[J].教育教學(xué)論壇，2020（20）：116-117.

【通聯(lián)編輯：梁書】