機器人競賽驅(qū)動學生培養(yǎng)機制改革的研究

陶大鵬　普園媛　趙征鵬　王一荃

［摘 要］ 針對目前大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力總體偏低，無法結(jié)合專業(yè)知識提升自身創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的問題，云南大學信息學院在新工科建設背景下，以本科生課程“機器人學導論”為例，探索并實踐了“項目—競賽—實踐”三位一體的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)新機制。云南大學信息學院以產(chǎn)學研用為目標，在教學過程中引入全國大學生機器人大賽內(nèi)容，加強了學科融合；引入貼合實際工程應用的實踐操作及實驗室軟硬件設施，激發(fā)了學生的創(chuàng)新意識。通過分析課程改革實施以來取得的成效，充分說明了信息學院改革模式的有效性，在培養(yǎng)具備深厚理論知識、高水平技術(shù)技能和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識的復合型人才中發(fā)揮了重要作用，也為相關課程的改革提供了新的思路。

［關鍵詞］ 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力；機器人競賽；人才培養(yǎng)；教學模式改革

［基金項目］ 2021年度云南省高等教育教學成果培育項目“產(chǎn)教融合助力機器人競賽的學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)機制探索及實踐”；2021年度云南大學教育教學改革研究重點項目“產(chǎn)教融合助力學科競賽的學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)機制探索及實踐”；2021年度云南省研究生導師團隊建設項目“機器人與智能系統(tǒng)博士生導師團隊”；2020年度教育部新工科研究與實踐項目“面向新工科的信號與信息系統(tǒng)系列課程改革”（E-DZYQ20201402）

［作者簡介］ 陶大鵬（1977—），男，安徽無為人，博士，云南大學信息學院教授，主要從事人工智能、機器視覺研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）22-0022-04［收稿日期］ 2022-07-13

引言

學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力是國家經(jīng)濟建設、科技進步和社會發(fā)展的重要因素。2018年4月，教育部印發(fā)了《高等學校人工智能創(chuàng)新行動計劃》；2021年9月，國務院辦公廳印發(fā)了《關于進一步支持大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的指導意見》；2019年云南省政府工作報告指出，搶抓數(shù)字經(jīng)濟機遇，全力建設“數(shù)字云南”。積極、有序、穩(wěn)妥推進“數(shù)字云南”建設［1］。由此可見，國家和云南省對大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的支持力度逐年增加，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)將成為時代發(fā)展的必然要求。深化高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革是國家實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的需要，也是推進高等教育綜合改革、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要突破口［2］。然而，在此背景下，大學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的不足在許多方面弊端初顯，以至于影響了學校乃至社會創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的進一步提升。

國內(nèi)外名校都在探索提高大學生工程實踐和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的方法。美國要求培養(yǎng)計劃密切聯(lián)系國民經(jīng)濟發(fā)展和社會發(fā)展需求；德國采取“雙元制”模式，學校和企業(yè)各為一元，促使學生的專業(yè)理論和職業(yè)實踐有機對接。我國清華大學發(fā)揮校企雙導師和多學科導師組的效用，取得了明顯的成效；深圳大學實施了“競賽驅(qū)動、科研引領”的機械類創(chuàng)新拔尖人才培養(yǎng)模式，提出了“三體融合、四階遞進”的培養(yǎng)方案，凝練了創(chuàng)新拔尖人才［2-3］。然而，目前我國大學生創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案依舊處于探索階段，很難滿足高等院校培養(yǎng)創(chuàng)新型高層次科研工作者和工程技術(shù)工作者的需求。

本文以云南大學本科生“機器人學導論”課程為例，以RoboMaster（RM）機器人比賽為載體，以產(chǎn)學研用為目標，提出學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的新模式，旨在建立課程理論與實踐之間的聯(lián)系，充分挖掘和鍛煉大學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。新模式通過引入競賽，革新傳統(tǒng)課堂內(nèi)容和教學手段。競賽作為實踐活動的特殊形式，不僅可以增強學生的學習能力，同時也可以成為專業(yè)課程學習效果測評的新手段。

一、傳統(tǒng)培養(yǎng)模式的弊端

傳統(tǒng)培養(yǎng)模式中，教師的教學內(nèi)容、教學能力和教學水平等因素決定了教學質(zhì)量，學生的聽課程度決定了其知識掌握的效果［4］。然而，大部分課程教學是教師按照教學大綱講述知識，忽略了知識與實踐結(jié)合的關系，限制了學生能力的提升。從教學情況和結(jié)果反饋看，傳統(tǒng)培養(yǎng)模式存在以下幾方面問題。

（一）培養(yǎng)模式落后

傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式多為課堂教學，大多數(shù)是學生和授課教師之間的互動，缺乏與科研團隊或?qū)嶒炇业慕Y(jié)合［5］。單一的教師指導有難以避免的問題，即缺乏完善的平臺和系統(tǒng)引導，學生的學習緊迫感不強、學習動力不足。此外，由于受教學經(jīng)費等影響，培養(yǎng)模式中前沿知識更新慢，實驗內(nèi)容長時間得不到更新與補充，教學儀器逐漸滿足不了教學需求，學生在課堂上學習的理論知識難以在實驗課程中得到驗證。

（二）應用教學薄弱

傳統(tǒng)教學過程中，培養(yǎng)模式與應用場景聯(lián)系不緊密，學生解決問題的思路不清晰、創(chuàng)新性較弱，難以激發(fā)學生對專業(yè)知識的學習興趣。此外，傳統(tǒng)培養(yǎng)模式缺少將課堂教學和課外競賽相結(jié)合的成功案例，難以為培養(yǎng)學生提供深入研究、思考和實踐的參考［6］。在實驗教學過程中，傳統(tǒng)教學無法根據(jù)每個學生的專業(yè)特長設計個性化培養(yǎng)方案，而且實驗室的設備有限，極大限制了學生實踐與創(chuàng)新能力的提升［7］。

（三）實踐培養(yǎng)不足

傳統(tǒng)培養(yǎng)模式并沒有將創(chuàng)新落到實處，學生缺乏行業(yè)信息的指引，只能泛泛談創(chuàng)新，不能實踐應用。這種培養(yǎng)模式下，學生往往無法將專業(yè)知識應用于未來工作中。

二、“三位一體”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)機制

“機器人學導論”課程專業(yè)性較強，課程內(nèi)容涵蓋了人工智能、電子信息等專業(yè)的必備基礎知識，傳統(tǒng)授課方式無法滿足國家的培養(yǎng)要求。本文提出的項目—競賽—實踐“三位一體”的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)機制，是一種遞進式工程實踐創(chuàng)新培養(yǎng)體系，旨在培養(yǎng)和提高本專業(yè)大學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，探索一條提升大學生綜合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的新模式，并為機器人等專業(yè)的深化改革提供參考。

（一）項目依托的“以研促創(chuàng)”培養(yǎng)手段

當前，我國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力總體偏低，主要原因可以歸為高校缺乏創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的完整體系，學生對專業(yè)方向理解不深。云南大學信息學院采用項目式學習（Problem-based Learning， PBL）方式，導師負責制，將創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃嵌入項目研究和成果研發(fā)工作中，在科研成果的培育與轉(zhuǎn)化中推動以研促創(chuàng)。信息學院機器人教學團隊開展了機械臂智能抓取項目，針對具體課程組學生的興趣及研究方向，為每個學生設計詳細定制化的科研任務。學生通過參與探索性項目，迅速把握領域前沿，激發(fā)參與科研項目的熱情。新模式以科研團隊為依托，強化資源共享，可以提升導師培養(yǎng)學生的能力，同時提高學生的合作與創(chuàng)新素養(yǎng)，力爭培養(yǎng)出素質(zhì)、能力全面發(fā)展的優(yōu)秀人才。

（二）競賽載體的“以賽勵創(chuàng)”培養(yǎng)模式

針對大學生學業(yè)知識到創(chuàng)業(yè)能力轉(zhuǎn)化不足的問題，信息學院鼓勵學生報名參加“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、RM大賽等，夯實學生的專業(yè)知識基礎，推動學生成果轉(zhuǎn)化，提升學生的就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力。通過將機器人比賽作為教學載體，信息學院建立了以賽勵創(chuàng)的培養(yǎng)模式。

在“機器人學導論”課程教學過程中，教師從RoboMaster大賽機器人的設計與制作實際出發(fā)，開設機械臂智能抓取、視覺定位、云臺控制、自動控制等多個培養(yǎng)方向。每個方向細分了機器人結(jié)構(gòu)設計、機器人加工制作、嵌入式控制硬件設計與制作等多個環(huán)節(jié)，最后將機器人的完成度、電路及邏輯復雜度、軟件控制精度等性能指標納入學生課程綜合評價范疇。在機器人比賽的激勵下，學生不僅可以在實踐中檢驗理論知識，還能增強團隊協(xié)作能力，提高學習興趣及實際動手能力。

（三）實踐驅(qū)動的“以練激創(chuàng)”培養(yǎng)機制

目前，機器人專業(yè)的就業(yè)方向主要包括機器人架構(gòu)設計師、機器人集成系統(tǒng)工程師和機器人應用工程師等。在具體教學過程中，結(jié)合與云南產(chǎn)業(yè)熱點領域相契合的課題與項目，如智慧物流、消防救援、反恐協(xié)作等，教師可為學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等多個科學競賽課題提供廣泛的選題范圍與技術(shù)支撐。以實踐為驅(qū)動，建立以練激創(chuàng)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)新機制，既是校企雙方的合作，又是學校、學生、企業(yè)、社會四方對人才培養(yǎng)模式的新探索。例如，云南大學信息學院為支撐機器人專業(yè)的建設與發(fā)展，與大疆公司開展“智能抓取零件系統(tǒng)”等可以直接落地的項目，建立了具有專業(yè)針對性的人才培養(yǎng)新機制。同時，與大疆、優(yōu)必選等機器人公司展開多方合作，將更多軟硬件資源引入教學過程，快速提升學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)水平，最終達到學校教育、人才培養(yǎng)以及企業(yè)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的協(xié)同發(fā)展。在“以練激創(chuàng)”培養(yǎng)機制下，充分發(fā)揮學校、企業(yè)、科研單位的優(yōu)勢，把學校教育與生產(chǎn)實踐、科研實踐有機結(jié)合，以促進成果轉(zhuǎn)化，服務社會，為培養(yǎng)出高素質(zhì)的、具有創(chuàng)新意識的應用型人才提供了新的思路。

三、培養(yǎng)機制的特點及成效

（一）培養(yǎng)機制特點

1.整合多方資源，加強學科融合。機器人競賽作為一項跨專業(yè)、跨學科的賽事，具有強大的資源整合力。云南大學信息學院采用的“三位一體”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)機制，通過深化信息、軟件、物理等多個學科之間的相關性、相融性和互補性，打破了現(xiàn)有課程專業(yè)的壁壘，專注于探索學生的問題解決能力和綜合創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)。

云南大學信息學院Future機器人戰(zhàn)隊自2017年組建以來，匯集了多學院的60多名不同專業(yè)、年級的研究生和本科生，建立了一支跨年級（本科生、研究生）、跨學科（信息、軟件、物理、材料、管理）、跨高校（中國科學院大學）的競賽隊伍，有效實現(xiàn)了跨學科融合教學，打破了學科間的壁壘，提高了學生的學習效率。

2.激發(fā)學生的創(chuàng)新意識和科技報國熱情。對畢業(yè)學生的調(diào)研結(jié)果及學生自評報告顯示，教學活動通過競賽的任務機制牽引，一方面可以提升學生創(chuàng)新的積極性；另一方面，可以讓大學生通過了解機器人發(fā)展歷程和我國機器人發(fā)展概況，提升科技報國、為國爭先的熱情。Future機器人戰(zhàn)隊的多名學生參加了國家自然科學基金的重點項目“面向柔性定制作業(yè)的工業(yè)機器人視覺感知與理解問題研究”，并獲得突出成績?？梢?，機器人競賽驅(qū)動的培養(yǎng)機制有助于增強學生的創(chuàng)新意識，激發(fā)學生的科技報國熱情。

（二）培養(yǎng)機制成效

1.教學效果提升。由于云南大學信息學院“機器人學導論”課程在教學實踐環(huán)節(jié)引入了RoboMaster機器人設計與制作課題，學生掌握了嵌入式電控知識和視覺算法基礎，參與機器人競賽和加入科研團隊的積極性明顯提高，在課堂上和教師互動的情況明顯增多，取得了十分理想的教學效果。

2.升學率提高。近年來，依托機器人競賽，信息學院培養(yǎng)了200余名優(yōu)秀本科畢業(yè)生。畢業(yè)生中攻讀碩士、博士學位的學生占95%以上，其中出國留學的學生占10%以上。在碩士和博士研究生階段，眾多學生利用他們在機器人競賽中學習到的技能和知識，在實驗室科研工作和機器人競賽中繼續(xù)發(fā)揮骨干作用。

3.獲獎數(shù)量增加。三年以來，信息學院Future機器人戰(zhàn)隊以RoboMaster大賽為主戰(zhàn)場，累計斬獲國家級和省部級獎項近100項。尤其在2020年RoboMaster大賽上，代表云南大學獲得了數(shù)十項國家級和省部級獎項。其中包括團體獲獎證書11項（團體一等獎1項、團體二等獎8項、團體三等獎1項、優(yōu)秀外觀設計獎1項）、學生獲獎證書49項（一等獎5項、二等獎38項、三等獎5項、優(yōu)秀隊長1項）、優(yōu)秀指導教師獎16項。

4.科研產(chǎn)出增多。機器人是多學科交叉融合的領域，信息學院鼓勵學生圍繞競賽的技術(shù)難點進行畢業(yè)設計和論文研究，讓科研產(chǎn)出更具創(chuàng)新實用價值。近年來，信息學院Future機器人戰(zhàn)隊獲發(fā)明專利十余項，優(yōu)秀學士學位論文9篇。其中，學生論文On Comparing Different Metric Learning Schemes for Deep Feature based Person Reidentification with Camera Adaption被收錄入2019年實時計算與機器人國際會議（IEEE RCAR）論文集，并獲得最佳學生論文獎。

結(jié)語

本文以云南大學信息學院“機器人學導論”課程為例，探索并實踐了以項目—競賽—實踐“三位一體”的人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)新模式。自改革實施以來，信息學院共參與了五屆全國大學生機器人RM比賽，不僅實現(xiàn)了對課程理論、實踐教學內(nèi)容的改革及對本專業(yè)學生的培養(yǎng)，更是匯聚了全校多個學院不同專業(yè)的學生組隊參與賽事，累計獲得國家級和省部級獎項近100項，取得了豐碩成果。綜合來看，本文提出的教學改革模式能夠達到新工科背景下大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)目標。

參考文獻

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Research on the Reform of Robot-driven Student Training Mechanism

TAO Da-peng1， PU Yuan-yuan1，2， ZHAO Zheng-peng1， WANG Yi-quan1

（1. School of Information， Yunnan University， Kunming， Yunnan 650500， China; 2. University Key Laboratory of Internet of Things Technology and Application of Yunnan Province， Kunming，

Yunnan 650091， China）

Abstract： The overall innovation and entrepreneurship capabilities of current university students tend to be subpar， and they encounter challenges in enhancing their innovation and entrepreneurship abilities through the integration of professional knowledge. In the context of the national “Emerging Engineering Education” initiative， the School of Information Science and Engineering at Yunnan University has explored and implemented a novel mechanism to nurture and foster the development of innovation and entrepreneurship capabilities. This mechanism integrates the triad of “projects， competitions， and practical experiences”， exemplified by the undergraduate course “Introduction to Robotics”. With the aim of integrating production-education-research-application， the School of Information Science and Engineering at Yunnan University has incorporated the content of the China University Robot Competition into the teaching process. Practical operations and laboratory hardware and software facilities， directly relevant to real-world engineering applications， have been introduced during the teaching process， which stimulates students innovation awareness. The analysis of the achievements since the implementation of the curriculum reform fully demonstrates the effectiveness of the reform model. This model has significantly contributed to the cultivation of individuals endowed with profound theoretical acumen， advanced technical proficiencies， and a resolute spirit of innovation and entrepreneurship. Moreover， it serves as a catalyst for generating fresh insights and novel perspectives regarding the reform of related courses.

Key words： innovation and entrepreneurship capabilities; robot competition; talent cultivation; teaching mode reform