典型多地區(qū)創(chuàng)意救援主題下競教結(jié)合模式分析與實踐

孫遠韜，何俊杰，趙嘉偉，魯鵬，沈穎慧

摘? 要：為進一步完善基于專業(yè)認證課程的教學(xué)改革，實現(xiàn)以競促教、競教結(jié)合的教學(xué)改革理念，文章結(jié)合典型地區(qū)的教育現(xiàn)狀調(diào)研和學(xué)科競賽經(jīng)驗，指出典型地區(qū)推行救援主題下機器人競賽的途徑及內(nèi)容，并根據(jù)我們競賽教育中的不足，提出改進意見及方案，通過不斷實踐與持續(xù)改進，提高學(xué)生的綜合能力和教學(xué)質(zhì)量，較好實現(xiàn)競教結(jié)合。

關(guān)鍵詞：機器人;競教結(jié)合;創(chuàng)意救援;實踐教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）07-0012-04

Abstract： The purpose of the study is to further improve the teaching reform of professional certification courses and realize the teaching reform idea of competition promoting teaching and combination of competition and teaching. This paper points out the ways and contents of promoting robot competition in typical areas based on the investigation of education status and experience of subject competition in typical areas， and puts forward improved suggestions and plans according to the shortcomings of our competition education. In addition， we carry out continuous improvement in practice to improve the students' comprehensive ability and teaching quality， and better realize the combination of competition and teaching.

Keywords： robot; combination of competition and teaching; creative rescue; practical teaching

競教結(jié)合是我國高校人才培養(yǎng)的新模式，是以“競賽”為龍頭，以“人才培養(yǎng)”為核心，通過“內(nèi)外互通，層塊連融”的運行機制，有機地將學(xué)?！案傎惢顒?、學(xué)科教學(xué)”統(tǒng)一起來，實現(xiàn)了人才培養(yǎng)與學(xué)校學(xué)科教育工作各環(huán)節(jié)之間的優(yōu)勢互補、共生及有機統(tǒng)一[1-3]。競教結(jié)合的培養(yǎng)模式精髓在于將高校人才培養(yǎng)和學(xué)科競賽建設(shè)融合在一起，通過理論學(xué)習(xí)與競賽實踐融合與支撐，實現(xiàn)了學(xué)生創(chuàng)新能力的雙輪驅(qū)動，從而培養(yǎng)新世紀所需要的具有強基礎(chǔ)和創(chuàng)新能力的人才。

在競賽主題的拓展方面，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)4.0時代的到來推動了智能化產(chǎn)業(yè)和科技日益蓬勃的發(fā)展，機器人作為智能制造的產(chǎn)物已經(jīng)在自然資源開發(fā)、隧道挖掘和外空間以及海洋探索等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[4]。而以機器人為主題的競賽活動也在教育領(lǐng)域得到大力推廣，并且呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。從1996年第一屆FIRA機器人世界杯足球比賽開始，相繼舉辦了機器人滅火比賽、機器人奧林匹克競賽和FLL世錦賽。經(jīng)過20多年的發(fā)展，機器人競賽的種類越來越豐富。目前世界上比較主流的機器人競賽活動主要有VEX工程挑戰(zhàn)賽、FLL挑戰(zhàn)賽、機器人滅火、FIRA、Robo Cup等[5]。我國也相繼開始舉辦一些機器人相關(guān)的競賽，并且拓展到中小學(xué)進行大力開展，例如青少年電腦機器人競賽、中小學(xué)電腦制作活動等，越來越多的青少年通過參加機器人競賽逐漸接觸到機器人這一高科技產(chǎn)物?？梢哉f機器人競賽不僅是作品的比賽，更是參賽學(xué)生邏輯思維、動手操作、知識整合、團結(jié)合作、臨場應(yīng)變等能力的綜合比拼，是學(xué)生綜合素質(zhì)能力的競賽[6-8]。然而從某種程度上說，目前各類機器人競賽的主題大同小異，主要是智能家居（服務(wù)），格斗類型的比賽居多，比賽的多樣性和所設(shè)計機器人功能、結(jié)構(gòu)形式突破不多，新穎性面臨動力不足的問題。

目前由于社會進步，其分工專業(yè)化，且環(huán)境、節(jié)奏更為多樣迅捷，所面臨的災(zāi)難和突發(fā)公共事件也更為復(fù)雜、極端，對智能裝備要求也越高，這為利用機器人替代人類完成各種危險的救援任務(wù)開辟了創(chuàng)新之路。在2020年初的新冠肺炎這一具有高危傳染性的疾病面前，我國部分地區(qū)已經(jīng)采用智能機器人進行物資的運送，這大大降低了各種人群正面接觸而產(chǎn)生交叉感染的風(fēng)險。因此，本文以機器人救援為主題，結(jié)合典型地區(qū)教育現(xiàn)狀的相關(guān)調(diào)研分析，分析競教結(jié)合模式。根據(jù)上海市創(chuàng)意機器人挑戰(zhàn)賽利用以機器人為代表的智能化產(chǎn)物開展救援主題的機器人競賽活動，拓展賽事影響力和比賽組織模式，提高競教結(jié)合效果，這對學(xué)科專業(yè)認證在競賽活動主題上的可持續(xù)性傳承具有重要的社會意義。

一、典型地區(qū)救援主題下競教結(jié)合情況調(diào)研分析

（一）基礎(chǔ)教育階段各地開展情況與對策

目前我國各階段各地區(qū)的教育情況存在明顯差異，這與各地的經(jīng)濟水平息息相關(guān)。教育落后地區(qū)往往經(jīng)濟情況也不好，而經(jīng)濟情況常常又和地理位置掛鉤。北上廣深等一線城市經(jīng)濟發(fā)達，常年吸引了大量的優(yōu)質(zhì)青年涌入，成為各行業(yè)杰出人才的聚集地，其教育資源配比也遠遠超過二三四線小城及山區(qū)，這無疑對當(dāng)?shù)氐慕逃纬闪藧盒匝h(huán)。

我們調(diào)研了蘇南蘇北的幾所學(xué)校，其特點是城鄉(xiāng)之間的教育資源差異較大，相比城區(qū)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)基礎(chǔ)教育設(shè)施不完善;另外教師隊伍質(zhì)量參差不齊。目前一些志愿者機構(gòu)已經(jīng)組織起來，有針對性地補充優(yōu)秀大學(xué)生進行文化課教育，加強創(chuàng)新實踐方面的引導(dǎo)。在教育設(shè)施落后的鄉(xiāng)村學(xué)校，開展一些不需要太多設(shè)備的文化活動，在活動中教育成長。

而對于競賽主題方面，相比常規(guī)格斗類來說，創(chuàng)意救援任務(wù)如滅火、越障等更易于開展，學(xué)習(xí)時間要求不高，又能夠引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手能力。在這個過程中更多的是提供編輯好的軟件讓孩子們自由設(shè)計，發(fā)揮創(chuàng)意。但是目前這些活動主要是點對點的針對個別學(xué)生進行開展，在賽事層面還比較缺乏。

福建閩北地區(qū)多山，經(jīng)濟和教育發(fā)展較為落后，大部分學(xué)校除語數(shù)英以外的實踐或者興趣拓展課程成體系地進行講授的可能性微乎其微?？茖W(xué)、信息技術(shù)、綜合實踐等課程既缺乏專職且合格的教師（很多老師更大程度上屬于客串而身兼數(shù)個教職），常常不能提供相應(yīng)的教學(xué)場地和滿足需要的器材。有的學(xué)校甚至沒有微機室進行編程教學(xué)，由于信息相對閉塞，造成教師的教育觀念滯后，使得素質(zhì)教學(xué)質(zhì)量也存在短板，不利于活動開展。

對于山西地區(qū)我們的調(diào)研主要集中在大同市以及天鎮(zhèn)縣。天鎮(zhèn)縣原本是國家級貧困縣，在脫貧后加大了在教育方面的投入，但彌補歷史因素所造成的學(xué)科競賽方面的軟硬件缺陷還需要很長一段時間。我們發(fā)現(xiàn)該地區(qū)環(huán)境比較復(fù)雜，具備相應(yīng)機器人救援的基礎(chǔ)，便于針對復(fù)雜地形生動開展救援主題競教活動。山西大同城區(qū)的部分學(xué)校有著一定的機器人教育基礎(chǔ)，曾經(jīng)開展過諸如校足球機器人競賽或競速活動。但是學(xué)生們對于機器人方面的知識還停留在機械結(jié)構(gòu)方面，校內(nèi)創(chuàng)新活動的作品也大多是簡單的科技小制作。

可以看到由于各地條件不同，我們需要根據(jù)當(dāng)?shù)靥厣剿鞲偨探Y(jié)合模式下具體展開工作方式。而針對這些典型地區(qū)的競教結(jié)合模式及共性問題，我們考慮依托并吸取支教團隊比較好的做法：

加強開展相關(guān)工作的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。由于部分學(xué)校的基礎(chǔ)設(shè)施比較落后，沒有可以進行教學(xué)活動的輔助設(shè)施，例如實驗室或多媒體教學(xué)設(shè)備。支教團隊可以幫助搭建多媒體教室，提供某些實驗器具幫助學(xué)生對所接觸到的機器人知識有更深入的理解。

著力普及相關(guān)基礎(chǔ)知識。例如機械結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計方法以及控制理論知識，讓學(xué)生能夠?qū)仍畽C器人的設(shè)計過程有基本的認識。在確定學(xué)生已經(jīng)有了一定基礎(chǔ)之后，再結(jié)合實際展開相關(guān)活動。針對一些學(xué)校的學(xué)生絕大部分精力放在課程成績的提升上，往往缺乏相關(guān)的訓(xùn)練，在動手操作以及團隊合作方面表現(xiàn)較差。支教團隊可以通過基礎(chǔ)類科學(xué)實驗的開展培養(yǎng)學(xué)生必需的科學(xué)素養(yǎng)、動手能力以及合作解決問題的能力。在確定學(xué)生具備所需的能力之后，對于機器人基礎(chǔ)知識的教授及專業(yè)基礎(chǔ)訓(xùn)練才能進一步展開。

（二）高等教育階段各地開展情況與對策

對于大學(xué)層次，一線城市如上海相對硬件基礎(chǔ)較好，大部分學(xué)校通過大創(chuàng)基地組織管理一系列學(xué)科競賽。在以往高等教育競賽中，通常是教師教學(xué)理念由授課者逐漸向指導(dǎo)者轉(zhuǎn)變，以學(xué)科競賽為載體，成立學(xué)科競賽指導(dǎo)委員會和學(xué)科競賽委員會，組織和指導(dǎo)學(xué)生參加各類主題的機器人競賽，組建高質(zhì)量競賽隊伍和高水平教師競賽指導(dǎo)隊伍。通過自行組織相應(yīng)的院級比賽、校級比賽，與學(xué)校密切溝通，完善獎勵機制，激發(fā)師生的熱情，使學(xué)生在競賽的過程中學(xué)習(xí)相關(guān)知識，準確高效有力地推動創(chuàng)新型、實踐型學(xué)生的培養(yǎng)[9-11]。

但是對于專業(yè)結(jié)合上面還存在一些脫節(jié)，首先從理論教學(xué)來看，其作用就是科學(xué)打造今后個人發(fā)展的知識結(jié)構(gòu)體系，其基礎(chǔ)作用不可替代，有些同學(xué)一味追求創(chuàng)新，參加大量實踐活動，輕視理論學(xué)習(xí)，套用現(xiàn)成解決方案，最后其知識結(jié)構(gòu)體系具有很大的缺陷，不能理解現(xiàn)象背后的核心原理、底層創(chuàng)新難，過多的是從經(jīng)驗角度去熟練“技巧”，不能多層次多角度理解創(chuàng)新背后的理論支撐，導(dǎo)致后期創(chuàng)新后勁受限、持續(xù)創(chuàng)新能力受到一定阻礙。另外賽事主題上也有一定講究，例如一些難度較大的救援主題競賽會影響學(xué)生參與競賽的積極性。另外，競賽對于機械設(shè)計本身的引導(dǎo)偏弱，更多的是從控制方面進行比拼，不利于機械設(shè)計，機械原理的理解和應(yīng)用。

二、我們在競教結(jié)合下的救援主題學(xué)科競賽與拓展

（一）上海市創(chuàng)意機器人挑戰(zhàn)賽概況

作為2018-2020年上海市教委連續(xù)支持的比賽，“上海市創(chuàng)意機器人挑戰(zhàn)賽”（以下簡稱創(chuàng)挑賽）由同濟大學(xué)承辦。競賽以救援為主題，旨在培養(yǎng)同學(xué)創(chuàng)新能力、專業(yè)實踐能力及團隊合作能力，并且突出了機械本身的構(gòu)思，將機械原理、機械方案放在非常重要的地位，然后通過智能控制方法予以實現(xiàn)。賽事發(fā)起后就受到了上海市各個高校的積極響應(yīng)。2018年大賽主題為“拯救佩奇”，2019年大賽的主題為“高塔救援”，2020年大賽主題為“高塔排爆”，各組創(chuàng)意機器人將在盡可能短的時間內(nèi)通過攀爬等方式接近救援對象，排除危險源并幫助救援對象安全撤離，如圖1所示。

決賽中參賽隊伍的救援機器人形態(tài)多樣、創(chuàng)意十足，各類輪式、履帶式底盤結(jié)構(gòu)展示了各自的越障能力;雙輪、四輪、萬向輪以及鉸接車身等構(gòu)造展示了轉(zhuǎn)向的靈活性;多自由度的機械手實現(xiàn)了被救援模型的抓取;無線電、藍牙、WiFi結(jié)合手柄、觸屏、手機、計算機實現(xiàn)圖像傳輸、操作控制。同學(xué)們現(xiàn)場分享了自己所在隊伍的開發(fā)經(jīng)歷，并再次重現(xiàn)了大賽的作品表演，多個參賽組取得了很好的成績。通過兩年的競賽實踐，我們初步形成了一種“以競促教、競教結(jié)合”的教學(xué)模式，既在學(xué)科競賽上獲得了優(yōu)異成績，也使實踐教學(xué)內(nèi)容豐富和實用了很多，提高了教學(xué)效果。

（二）競教結(jié)合的途徑

從所調(diào)研情況和其他學(xué)校的開展措施看，開展學(xué)科競賽活動本質(zhì)上還是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，如前所述我們重點依托的是競教結(jié)合的方式，強調(diào)理論原理的掌握，還是以這些案例為引子，通過練習(xí)、討論，反復(fù)說明創(chuàng)意背后所需支撐的理論基礎(chǔ)。比如在結(jié)構(gòu)力學(xué)及有限元基礎(chǔ)課程中，重點指導(dǎo)學(xué)生建立清晰的機械承載結(jié)構(gòu)及其力學(xué)概念，能夠?qū)?fù)雜機械結(jié)構(gòu)承載狀態(tài)、內(nèi)力分析、位移計算、應(yīng)力分析等基本問題進行識別、判斷和分解，為復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)的進一步分析、設(shè)計和研究提供依據(jù)。但是同學(xué)們往往對于相對枯燥的理論推導(dǎo)有所抗拒，從而影響了機器人在救援過程中，各部件受力分析的準確程度。通過競賽過程，逐步理解了結(jié)構(gòu)力學(xué)的分析原理，能夠?qū)⒕唧w問題抽象為理論模型選擇合適的方法進行求解，通過將計算結(jié)果繪制成內(nèi)力圖、應(yīng)力分布云圖、位移云圖等對求解結(jié)果進行分析、得出有用的結(jié)論，使得所制機器人具有較好的機械性能。

再比如嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計課程采用課堂講授和實驗相結(jié)合的教學(xué)方法。首先從認識常用元器件和學(xué)習(xí)PCB板基礎(chǔ)知識開始，然后進行PCB板元器件焊接實驗、電路設(shè)計基礎(chǔ)學(xué)習(xí)、PCB板設(shè)計和編程測試實驗。但許多同學(xué)感覺還停留在理論層面上，通過競賽過程，逐步明白該從哪里入手，同時針對課程教學(xué)的不足，每年對所授課程的教學(xué)方式和實驗方法進行不斷地改革和創(chuàng)新，以更有效地提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

系統(tǒng)的講解創(chuàng)新過程無論是基礎(chǔ)教育還是高等教育都是必要的，機械與能源工程學(xué)院開設(shè)有機械工程創(chuàng)新設(shè)計，課程為實踐環(huán)節(jié)，授課對象為機械專業(yè)或其他相關(guān)專業(yè)大二學(xué)生。通過本課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生對機械工程主要的數(shù)個市級及國家級課外競賽活動有一個總體的了解與把握，能夠了解與掌握一個競賽活動如何從報名、立項、查閱文獻、方案設(shè)計、計算與分析、三維建?；?qū)嵨镏谱?、調(diào)試與分析、總結(jié)及參賽等全過程。初步具備自主學(xué)習(xí)意識和方法，具有參加各類機械工程競賽項目的能力。在課程過程中，往往會穿插創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（SITP），上海市級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，包括“挑戰(zhàn)杯”“互聯(lián)網(wǎng)+”等國家級大型賽事，邊學(xué)邊做，從而更能深刻感受學(xué)科競賽中系統(tǒng)學(xué)習(xí)的優(yōu)勢。這樣也能較好調(diào)動學(xué)生們的興趣，讓老師們也投身其中，師生配合共同完成比賽，不僅使學(xué)生在實踐中學(xué)到專業(yè)知識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，還能增進師生的互動交流，使老師和學(xué)生共同進步。

而在后續(xù)詳細方案的設(shè)計中，充分利于所學(xué)的理論課程分析各關(guān)節(jié)機構(gòu)的驅(qū)動原理、強度、剛度和可靠性，不斷通過文獻檢索及實踐課程鍛煉，利用現(xiàn)代工具協(xié)同分工完成三維結(jié)構(gòu)建模，運動學(xué)分析、結(jié)構(gòu)校核、電機功率等;架構(gòu)相關(guān)控制模塊、通過控制工程基礎(chǔ)、電機與電力拖動等課程基本原理及相關(guān)計算機原理進行程序的編寫，盡可能實現(xiàn)創(chuàng)意機器人的智能控制。

（三）定西中學(xué)賽事的輻射拓展——救援主題下競教結(jié)合實踐

為了輻射賽事影響，為全國賽事提供前期鋪墊，我們向上海以外學(xué)校進行試驗推廣，甘肅省定西梅川中學(xué)為同濟大學(xué)對口支教學(xué)校，便于從體制上進行推廣賽事和復(fù)制賽事組織的理念，也為救援主題的拓展提供源泉，特別是創(chuàng)意的提煉，有時候基礎(chǔ)教育的同學(xué)更容易碰撞出思想的火花，他們只是缺乏專業(yè)培訓(xùn)而已，所以結(jié)合初中生及西北地區(qū)教育差異，針對性購買可編程機器人，設(shè)計適合初中生的比賽模式并進行專業(yè)培訓(xùn)。

也正是通過典型地區(qū)實施經(jīng)驗，我們確定好了本次的科創(chuàng)啟蒙活動——機器人編程教學(xué)。我們購置了十臺啟蒙編程機器小車。以小車為教學(xué)平臺，設(shè)置了為期一個月的邏輯框圖、傳感器、自動巡航編程等一系列的課程。以此為依托融入創(chuàng)新理念教育和前沿科技的介紹，讓同學(xué)們對科技創(chuàng)新萌生興趣，如圖2所示。

圖2 同濟大學(xué)支教團機器人編程教學(xué)

在一個月的機器人培訓(xùn)之后，學(xué)生產(chǎn)出了不少的創(chuàng)新想法，有同學(xué)設(shè)計了“探月小車”，還有同學(xué)構(gòu)思了一個根據(jù)不同顏色地面能夠自動駕駛的小車。不僅如此，在實踐層面，同學(xué)們利用購置的小車和軟件資源，生成了許多功能各異的小車，有巡邏警車、聲力賽車、自動巡航小車、紅外遙控小車。

三、結(jié)束語

本文結(jié)合我們以往競教模式和實踐內(nèi)容，并通過典型多地區(qū)競教結(jié)合模式的調(diào)研，分析提出了相應(yīng)的改進意見并積極實踐，進一步促進了專業(yè)課程的教學(xué)改革，使學(xué)科競賽與實踐教學(xué)密切結(jié)合，提高培養(yǎng)學(xué)生的能力和教學(xué)質(zhì)量，豐富了理論教學(xué)的內(nèi)涵和實踐的成效。需要看到的是從主題設(shè)置上我們充分考慮了中小學(xué)、大專院校的興趣點，以救援為特色，突出機械與智能控制結(jié)合，突出了創(chuàng)意及其實現(xiàn)方法，擴展了賽事的影響范圍和年齡層次，在不忘初心，砥礪前行思想中尋找一條適合不同年齡層次的競教結(jié)合之路，使得競教結(jié)合具有強大生命力和延續(xù)性。

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