机器人技术跨学科创新实践教学研究

陈虹 韩晓英

（广州大学实验中心 广东 广州 510006）

机器人技术跨学科创新实践教学研究

陈虹 韩晓英

（广州大学实验中心 广东 广州 510006）

机器人技术是集机械、电子、传感器、计算机、网络、材料、控制等多学科交叉融合的前沿高新技术，随着信息化、自动化、智能化的社会进程的推进，单一课程体系教学已不能满足社会对大学毕业生的要求。以机器人技术作为创新实践平台，开展跨学科创新实践教学探索研究，培养跨学科机器人技术人才，为中国制造逐步转变为中国智造进行人才储备。本文介绍开展实践教学的方法及取得的成果，表明开展跨学科机器人技术创新工程实践教学研究具有重大现实意义和深远的历史意义。

机器人技术；跨学科；创新；实践教学

一、机器人技术实践教学创新的必要性

机器人技术是集机械、电子、传感器、计算机、网络、材料、控制等多学科交叉融合的前沿高新技术，不但技术附加值高，而且对带动智能装备发展、提高突发事件处理水平、改善人民生活质量及增强军事国防实力都具有十分重要的意义，有望成为未来战略性新兴产业。世界各国纷纷将发展机器人技术及产业摆在本国科技发展的重要战略地位。高等院校肩负高素质、创新型科技人才培养的重任，根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》深化教学改革，全面提高人才培养质量和办学水平，促进多学科交叉和融合，重点扩大应用型、复合型人才培养规模。随着信息化进程的飞速发展，单一专业课程体系已不能满足社会对学生的知识需求，机器人技术天然具有多学科背景，利用机器人技术平台，培养高素质、创新型的科技人才是最贴近现实的应用，符合我国经济社会发展的迫切需求，在高校开展机器人技术的跨学科创新实践教学研究具有重大的现实意义和深远的历史意义。

（一）我国机器人技术发展的机遇与挑战

近年来，世界机器人的发展潮流势不可当，工业机器人稳步提升，服务类机器人处于爆发式增长时期的前沿。我国对机器人的需求逐年增长，成为机器人应用大国，但我国制造业自动化程度还不高，与工业4.0、智能工厂的要求还有很大差距。随着劳动力成本的持续增长，企业正面临产业转型，产业加速升级的挑战和机遇，由中国制造逐步转变为中国智造成为关键，而其核心在于人才的升级，只有吸收大量的优秀的创新人才，才能使企业在产业升级浪潮中不被淘汰，还能获得更广阔的发展空间。尤其是新型的制造业不再是简单的来料加工，而是在多个学科的通力配合下完成新产品的设计、开发和制造。培养富有创新精神，具备工程项目经验和拥有自主研发能力的高校毕业生，将成为高校培养学生的目标，这样的毕业生适应社会需求，更容易脱颖而出，获得企业青睐并成为技术骨干及管理精英。

近年来机器人技术应用在我国飞速发展，为机器人技术的人才培养也提供了机遇。为迎接机器人的发展机遇与挑战，我国高校的机器人教育有了很大的发展，机器人逐步成为大学技术课程和综合实践课程的良好载体。我国高校很多硕士、博士研究生在从事机器人技术方面的研究，高校也开设了很多机器人技术课程。在国内已经有学者提出机器人技术与多学科教学整合的想法。从中国高等教育发展的长期情况来看，要想满足企业转型升级对这些复合型人才的需求，高校必须打破传统教育观念，构建培养创新意识和提高创新能力的有自身特色的新的教育模式。

（二）国内开展机器人实践教学的不足

目前国内以机器人技术为载体开展创新工程实践的大多数高校都是利用各自条件开展以竞赛为目的的实践动手为主的方式，不仅参加实践的学生数量有限，且往往都是同学院同专业的学生组成的队伍，过分强调专业化和科学化而割裂工程本身的多学科性，罕见跨学科开展教学实践[1]。针对高校当前建制由学院各自为政，单一学科相近专业学生过于集中学习的局面，应转向多开展综合学科、由专业教育转向素质教育的创新工程实践教学。

二、开展机器人技术跨学科创新实践教学

广州大学在已有综合性创新实践工程研究成果的基础上，提出一种基于多学科教学整合进行创新工程实践的新方法。它由单一专业人才培养向复合型人才培养的方向发展，体现出科学与技术基础之上的包括社会、经济、文化、环境等多因素的“卓越工程师”教育。围绕机器人技术以创新性工程产品作为实践教学的主线，运用项目式教学法，建立以项目为引领的跨学科创新工程实践教学。首先，利用智能车项目，3人自由组队，制作智能车，然后分组竞速比赛。这一过程使同学们认识到不同专业知识所起的作用。其次，列出若干个项目，由5—7名学生自由组队选项制作完成，项目组有意识地组合来自不同学院、不同专业的学生，各成员之间各司其职、分工合作，充分发挥各自专业优势，完成从市场调研到产品设计、开发、制作，到产品包装与市场营销等一系列工作，极大提升了大学生科技创新意识，培养了大学生科学创新和创业能力，锻炼了互助合作的团队精神。再次，由学生自己找项目，做自己感兴趣的事，激发了学生创新的热情，充分挖掘学生的自主创新能力。根据学生年级、能力建立分层次项目资源，全程有老师跟踪指导，定期检查。学生参加项目的过程可以与学科竞赛相结合，目标明确，参与科技创新实践活动的积极性更高。因此，超越传统专业教育的框架，接受跨学科创新工程实践教学的大学生为将来成为卓越工程师作了储备。一方面，接受过创新工程教育的学生，他们的学习领悟能力和接受新鲜事物的能力比其他毕业生更具有优势；另一方面，经过创新工程学习的学生基本达到工作两年以上的专业从业人员水平，且知识面更宽广，眼界更开阔，更富有创新精神。

（一）创新为核心

在“大众创业，万众创新”的大背景下，创新是创业的基础，创新性教育显得尤其重要，创新教育应该渗透到所有教育活动之中，培养学生的创新能力成为所有教育活动的基本内容[2]。利用机器人技术平台提升大学生科技创新意识、培养大学生科学创新能力是当前教学方法的重要补充手段，今后应提高其地位，更加充分尊重学生在学习活动中的主体地位，引导学生自觉地参加合作学习，以项目为引领，明确实践主题，从而提升学习兴趣，提高学习效率。根据“学习金字塔”理论，从图1中可以看出实践教学对知识掌握的重要性。将学习方法结合起来，用耳朵去听讲授理论，用眼睛去阅读文献，视听结合；将演示教学法、分组讨论法、练习操作实践法、向别人讲授相互教学法、快速使用法等教学手段，最终落实到实践教学过程，提高学生掌握知识的效率和牢固程度。

图1 学习方法与效率图

（二）因材施教

大学生科技创新实践活动是培养优秀人才的重要举措，需要深化教学改革与教学资源建设，体现现代教育思想。针对学生对机器人的好奇心，充分运用现代教育技术，通过视频、实物展示，引导学生的兴趣，使他们期待学习掌握机器人技术；保持教材具有技术先进性、科学性和适用性，使学生始终保持学习机器人技术的热情，进而挑战机器人先进技术；及时指导学习机器人技术的方法与手段，使学生能解决有关机器人的具体问题，享受到实践的乐趣，增强学习的自信心。

针对机器人技术学习，从基础培训到项目设计进而掌握应用，做到想学能学、想问能问、有问必答，使学生在学习过程中能读得懂教材理论，学得会技术实践，做得出技术项目，让学生各取所需，把被动式传授学习转变为积极主动的做中学的实践过程。

提高教学有效性的关键在于因材施教，瞄准未来所需，考虑社会的未来、学生的未来，不是今天学了什么而是未来能做什么。机器人即将重复电脑崛起的道路，机器人进入家庭不再是遥远的梦想，以提高创新型、复合型、应用型人才培养质量为主线，现在就准备好机器人技术基础，通过学习开阔眼界、提高境界、夯实知识能力素质，面向未来的实际问题与未被发现的知识促进学生进行自主学习、研究型学习，培养学生的实践能力和创新精神。

（三）因人施教

在因材施教的基础上因人施教。第一，从对低年级学生开展强化培训基础知识开始，设立不同难度的实践项目指导由学生选做，由易渐难，根据个人能力做出相应的项目作品，小心呵护学生的自尊心，提升学生的自豪感。第二，辅导学生参加学科竞赛，指导学生参与竞争，有所成就。第三，指导优秀学生参加科研项目，与实际项目结合，充分发挥学生的积极主动性，激发学生潜能，实现拔尖人才培养。第四，提供足够的项目数量让学生有选择的空间[3]，学到的知识有应用的空间，使学生把知识转化为实践作品，使知识与技术想用能用、想用会用。总之，要促进学生各取所需，激发学生各尽其能，引导学生各自发展，培养学生各具特色。

（四）项目为引领

将学生以不同项目分组，实践项目任务式教学方法。以学习研究实现一个实际项目作品为目标，围绕项目寻求解决方法，将传授知识为主的传统教学转变为以完成任务而解决一系列问题为主的主动式、交互式学习的教学方法。例如，“智能消防车”项目由机械、电气、电子、计算机、数学不同专业的学生组成项目组在一起学习实践，项目涉及的知识有机械设计、电路、单片机、电气自动化、无线通信等，最后实现智能消防车能自动取水储水、自动喷水，云台能上下伸缩运动，云台上的喷头能左右俯仰喷水，“消防车”能进退转弯自如，且所有动作均能用手机完成操控。通过共同合作完成此项目，项目组学生在掌握本专业知识的基础上，也了解了机械基础知识、电路知识、单片机知识、手机通信知识、自动控制知识等多学科的知识，达到了学科交叉、知识融汇的目的，极大地扩展了学生的知识面。

不同专业、不同年级的学生共同完成机器人技术的一个科研项目，既锻炼了独当一面的工作能力又培养了分工合作的团队精神，增进了同学们之间的情谊，起到了传帮带作用。在学习实践过程中，通过讨论实现知识传播，通过思考加深知识融合，通过实践掌握多学科知识，从而达到通过机器人技术实现跨学科创新实践教学的目的。

三、机器人技术跨学科实践教学成果

开展跨学科机器人技术创新工程实践教学培养学生的终身学习能力和人文精神，倡导多学科学生之间的合作，将本科工程教育的核心价值观融入到实践教学中。

（一）提高大学生的就业竞争力

通过跨学科机器人技术创新工程实践环节，以“工程教育回归工程”的思想为指导[4]，加深了大学生对于从理论到实践，再到理论的知识理解；认识到产品的可靠性、可维护性、安全性等方面的工程知识；同时通过以项目为引领的教学实践内容，提高了学生解决实际问题的工程能力，并在撰写项目报告中列出参加项目的历程，总结经验教训，思考得失，提高了个人综合能力，特别是科技创新能力。在理论学习基础上，开展项目实践；在完成项目的基础上，将设计制作过程写成报告用书面语言表达出来；通过总结会，用语言表达出来。这样，学生通过项目实践，被锻炼成能做、能写、能说的复合型人才。通过跨学科机器人技术创新工程实践的学生在招聘企业和研究生入学面试过程中，都能表现出较强的优势。志向于参加工作的学生基本上都是最早被企业签约的且待遇比其他同学明显要高，他们大部分具备扎实的工程实践能力和科技创新能力，在工作岗位上能很快上手投入工作。机器人技术实现跨学科创新实践教学能为就业质量提供支撑和保障，有力地促进了就业率向就业质量的转变。

（二）指导学生参加学科竞赛

学科竞赛在对培养学生的实践能力、创新能力、创业能力和团队精神培养方面具有重要的意义。随着科学技术的发展，以往单一学科的竞赛靠单一学科知识已经不能胜任。例如：“大学生机械创新设计大赛”，如果只凭机械知识，构建机械模型很难取得评委认可，要想取得好成绩就需要拿出创新作品，就要结合多学科知识；“全国大学生电子设计竞赛”虽然注重电子知识，但最近几年的竞赛题目都有汽车方面的项目，这就需要参赛学生掌握一定的汽车知识，而每年的“飞思卡尔智能车大赛”更是对多学科知识掌握的考验；“中国机器人大赛暨ROBOCUP公开赛”直接检验机器人技术教学实践成果。

通过开展跨学科机器人技术创新工程实践教学，每年指导学生参加各类大学生学科竞赛，“挑战杯”项目近年连续获得省赛一等奖，参加“中国机器人大赛暨ROBOCUP公开赛”家庭服务机器人组与中国科学技术大学、上海交通大学、浙江大学等名校同台竞技，“大学生机械创新设计大赛”“全国大学生电子设计竞赛”均取得了较好成绩，参赛学生保研、考研、读研比例大大提高。

（三）实现师生双赢

通过开展跨学科机器人技术创新工程实践教学培养学生的同时，指导教师本身也获得了很好的学习提升机会。学生项目对应指导老师，往往是学生的热情感染老师，迫使老师不断地学习新知识；学生激发出的学习潜力反过来又指导老师，老师也被带领着一起进步，在带领学生实践教学过程中，探索形成了许多创新教学方法，成功申请多项省、市、校级的教研项目，师生互相促进，实现教学相长。

运用现代信息技术手段，通过科技创新项目管理和机制，指导老师和项目组学生共同完成项目的专利申请、论文撰写、设计报告撰写等，成果共享。建立分层次科技创新优质资源共享机制[5]，利用开展跨学科机器人技术创新工程实践，将其选修课“智能车硬件基础”“智能车软件基础”等课程内容植入“电工电子基础实习”课程，形成学校资源共享平台，实现机器人技术跨学科创新实践教学研究活动的软硬件资源的最大跨度共享，以提高优质科技教育资源的使用效率。

四、总结

笔者在探索跨学科培养创新工程实践人才的新模式，围绕全面提高教育质量，提高人才培养质量，增强社会服务能力，促进多学科交叉和融合，重点扩大应用型、复合型人才培养规模等方面，做了有益的尝试，得到了学校肯定，带动了更多的学生积极参与。机器人技术涉及多学科，以机器人为实践教学平台，不仅吸引理工科专业的学生积极参加，如机械设计与自动化专业学生参与机器人外形、机械结构设计、制作，工业设计专业学生参与机器人外观设计，电子与电气专业学生参与机器人传感器检测、电机控制等设计制作，计算机、数学专业的学生负责机器人语音识别、地图建模、图像信息处理等工作。另外，还吸纳商科的学生对机器人进行市场营销，如市场营销、会计等专业学生和技术专业学生组成创业营销团队进行营销。此外，还有音乐舞蹈学院指挥专业的学生训练机器人跟随音乐学习指挥动作。来自不同专业、不同年级的学生组成跨学科的团队，各自发挥专业优势，同时学习汲取其他专业知识，使各学科知识交叉融汇，达到扩展知识面，传帮带进行知识传播与更新的目的，使得机器人技术的学习和创新实现可持续发展。

[1]张辉,晓宁,积武,庆泉.机器人技术课程实践教学研究——基于项目任务的教学法[J].包头职业技术学院学报,2010，(10)：56-57.

[2]王章豹,刘光复,吴玉程.强化工科实践教学 培养学生的工程实践与创新能力[J].合肥工业大学学报(社会科学版),2006，(20)：1-5.

[3]张辉,王庆泉,陈燕.机器人技术实践教学方法的研究[J].实验教学与仪器,2010，(10)：56-57.

[4]张莉娟.电气工程实践教学内容和教学方法改革[A].第五届全国高校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集,2008，(1)：119-121.

[5]傅水根,张学政,严绍华,裴文中.工程实践教学中分层次开展创新教育的探讨[J].清华大学教育研究,2001，(3)：170-172.

（责任编辑 杜丹丹）

Research on Interdisciplinary Innovative Practical Teaching of Robot Technology

CHEN Hong,HAN Xiaoying
(Experimental Center,Guangzhou University,Guangzhou,Guangdong,China 510006)

Robot technology is a cutting-edge high-tech with the integration of multiple disciplines like mechanics,electronics,sensor,computer,network,materials,control and etc..With the social development of informatization,automation and intelligentization,single curriculum system teaching has been unable to meet the requirements of the society for college graduates.Taking robot technology as an innovative practice platform, the author carried out interdisciplinary innovation practice teaching research,in order to cultivate interdisciplinary robot technical talents and make a talent pool for the transformation from "made in China" to "China made".This paper introduces the methods and results of practical teaching and it shows that the research on the practical teaching of interdisciplinary robot technology innovation project is of great practical significance and far-reaching historical significance.

robot technology;interdisciplinary;innovation;practical teaching

G4

A

2096-0069（2016）03-0031-05

2016-03-24

本文是广东省高等教育教学改革项目（编号：GDJG20142254）的阶段性成果。

陈虹（1962— ），女，湖北武汉人，广州大学高级工程师，主要从事实验教学研究；韩晓英（1978— ），女，河南南阳人，广州大学实验师，主要从事实验教学研究。