课赛结合的机器人创客平台建设探索

陈新兵， 龙晓莉， 陈 虹， 谢斌盛， 张方樱

(广州大学 实验中心 ，广东 广州 510006)



课赛结合的机器人创客平台建设探索

陈新兵， 龙晓莉， 陈 虹， 谢斌盛， 张方樱

(广州大学 实验中心 ，广东 广州 510006)

在国家实施创新驱动发展战略的背景下，如何培养创客人才已成为高校的重要课题。论文首先阐述了创客对于高校创新创业教育的重要意义，讨论了实习教学与课外创新的对接设计，然后结合广州大学现状，介绍了依托电子实习中心，整合智能车/机器人相关资源，构建一体化机器人创客教育平台的总体思路，并从创客平台、电子实习、生产实习和课外创新等方面，对课赛结合的建设方式进行了积极的探索，立足普及机器人技术，引领学生以循迹智能车为基础，进行创意机器人设计。实践表明，一体化平台的建设解决了机器人技术门槛较高的问题，有效提升了学生的工程能力和创新意识，促进了跨学科创客人才的培养。

电子实习； 创客教育； 人才培养； 教学设计； 机器人

0 引 言

国内外兴起的创客运动，强调实践、创新与分享，改变着大学生的学习方式，成为高校提升学生实践创新能力的新途径[1-2]。2015年初国务院先后颁布《关于发展众创空间推进大众创新创业的指导意见》和《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》，提出了发展众创空间平台，降低创新创业门槛，营造创新文化氛围，激发大众创造活力，创新驱动发展等举措，把推进创新创业教育作为高等教育综合改革的突破口，顺应了网络时代万众创新的趋势，对推动大学生实践创新活动，从小众过渡到大众普及型，具有宏观指导意义。

电子实习是培养大学生实践创新能力的关键环节。长期以来，实习教学侧重于通用实践技能的培养，在对接课外创新方面存在不足，加上学时少，年级低等因素，造成较多学生因门槛高，机会少等原因，未能如期走上课外创新之路，一些高校采用分层次教学、设置创新训练内容、实行自主开放等措施[3-4]，取得一定效果，却未能从根本上解决实习和课外创新对接不足的问题。面向人人的众创理念[5]，强调实践的创客运动[6]和跨学科的机器人技术[7]，为构建校级实践创新一体化平台带来了新思路。

以推进创新教育综合改革为目标，广州大学依托校电子实习中心构建了机器人创客基地(下称“基地”)，整合资源建设了一体化创客教育平台，采用课内课外相结合的贯通式教学设计，建立了自主学习、自由探索的育人环境，营造了积极实践、鼓励创新的文化氛围[8-9]，提升了创新人才培养水平，下面从平台建设、实习改革和课外创新等方面进行介绍。

1 一体化创客平台

电子实习中心负责全校硬件工程实训，根据跨学科创新人才培养的需要，以机器人技术为主题，整合了现有的“电工电子实习”“电类生产实习”、科普活动、相关赛事及其选修课(图1)，构建了“一体化、分阶段”的校级创客教育平台，工程教育回归工程应用，立足普及机器人技术，探索以课赛结合方式引领机器人创新工程，使学生得到系统的工程历练，培养创新型工程人才。

图1 校级机器人创客教育平台

机器人作为《中国制造2025》计划的重要内容，对我国智能制造和产业升级至关重要，也对高校传统的专业人才培养模式提出了挑战。机器人技术综合性强，涉及学科多，入门门槛高，投入精力大，基地根据智能车是机器人技术基础的特点，制订了先智能车后机器人的分阶段渐进式培养计划，施行课内外对接的贯通式教学设计，具体如下。

1.1 电工电子实习

电工电子实习又称电子工艺实训，是面向理工科专业开设的工程训练课程，包含安全用电、电工技能和电子制作等内容，培养大学生的实践动手能力[10]，教学改革须解决与后续课外创新关联不够的问题。

为系统性地提升学生的工程能力，基地把该课程纳入了机器人创客教育整体规划，采用了机器人的基础原型—智能车，进行机器人入门教育，降低了普及难度，以焊接、调试训练为重点简化了智能车设计，将整车分解为电源模块、寻迹模块、驱动模块、车灯模块和核心模块，课堂教学侧重单片机外围电路，明晰了各模块教学内容和培养目标(见表1)，采用模块化设计满足了各学科需求，工程教育回归工程应用，学生在动手实践基础上，对智能车有一个整体系统概念，初步具备解决硬件领域电类问题的工程实践能力。

表1 电工电子实习教学设计

实习设置了课外自学进阶模块，基于“做中学”理念制作了教学课件，科普单片机应用编程，共享了智能车软件源码，学生课外自主完成整机的软硬件联调，解决了课内学时少的问题，实现了课内课外的无缝对接，保障了工程的完整性和实践的连续性，激发了学生深入学习的兴趣，实现了普及目标。此外，核心模块预留了硬件扩展接口，方便学生以此为硬件平台，改进智能车设计，进行扩展应用，把智能车设计为学生未来工程实践的创新起点，提升了学生的工程实践能力和自主学习能力。

1.2 电类生产实习

电类生产实习是学生体验生产实际，了解专业知识行业应用，准备就业创业的实训环节。由于企业不提供短期硬件开发类岗位，生产实习普遍存在参与深度不够的问题[11]。

基地以硬件工程师为培养目标，结合机器人创客教育整体规划，改革了生产实习教学内容和实训模式，采用项目驱动教学法(见图2)，重点提升学生的产品开发能力。与企业合作建立了校内生产实习基地，逐步配套了产品设计环境、双面板快速制作系统、自动贴片生产线和调试装配区。学生在产品分析的基础上，结合逆向工程，重点掌握行业主流设计软件Altium Designer，进行电子产品开发的全过程。

实习过程中，每组学生分工合作，开发一台产品级的智能车/机器人，根据实际需求设计电源管理模块、传感及信号调理模块、红外测距模块和电机驱动模块，通过修改程序完成软硬件联调，测试实际性能指标是

图2 生产实习教学设计

否满足设计需求，掌握电子产品的设计、开发、生产、调试到装配的整个流程，通过研发、采购、生产、管理与销售等环节了解企业运作，了解产品开发须注意的实际问题，学会运用专业知识解决应用问题，具备工程师的综合素养，为从事创新创业，和相关领域的生产科研工作积累工程经验。实习教学进行的小批量生产，为智能车/机器人校内选拔赛和科普活动，提供硬件支持，并根据使用反馈不断改进电路设计，提升了学生的设计开发能力、工程能力和团队合作意识。

1.3 课外创新

基地设立了智能车、机器人和无人机三类创客主题，提供环境、设备、工具与创客资源，课赛结合引领课外创新[12]，其中智能车大赛和机器人大赛是全国有较大影响力的跨学科综合赛事，以新兴的的汽车电子/机器人技术为背景，涵盖机械、电子、传感、控制和计算机等多学科内容，融科学性、趣味性和观赏性为一体，包括硬件设计、软件设计、机械设计、控制算法、整车调试等环节，学生组建跨学科团队，通力合作完成一个工程项目的设计、制作、调试和优化，通过现场竞技检验整机的综合性能，成为广受欢迎的跨学科实践创新平台[13-14]。

课外环节是课赛结合教学设计的重点，根据光机电算一体化，跨学科提升STEAM综合素养的育人需求，基地组建了包括企业工程师、资深指导老师和高年级学生的创客导师团队[15]，定期交流经验、根据实际情况制定下一步方案。每个导师负责若干个项目组，跟踪项目进展，提供个性化科研指导，和一站式咨询服务，协助制定符合专业和个性发展的渐进式成长计划，具体如下：

(1) 电工电子实习一结束，学生签订自主管理承诺书，即可入驻创客基地，继续完成预留的智能车软件编程任务，通过软硬件联调实现简单循迹功能，达到快速入门和普及目标。

(2) 通过创客资源库，共享了飞思卡尔智能车光电组、电磁组和摄像头组初级方案，以赛事引领课外实践，学生组成若干跨学科项目组，在实践中分工合作，群策群力完成工程项目及其整体优化工作，积累工程经验，初具创新基础。

(3) 设置工业、救灾、农业、健康、科普等机器人兴趣小组，开源了部分软硬件资源，举办专题讲座和科普活动，开阔学生视野，不同专业学生组建跨学科协同创新团队，共同完成一个机器人科研项目，各展其长，自由探索，玩出创新，组织学生申请创新实验、挑战杯或科普项目资助，通过实践将创意转化为作品，掌握从规划、设计、制作到调试的全过程。

(4) 每年4月份举办智能车/机器人校内选拔赛，设置光电、电磁、摄像头和创意四个组别，通过现场竞技检验师生创新成果，发掘有热情、肯努力、能钻研、有创新潜质的学生组队参加全国全国智能车大赛、中国机器人大赛、电子设计大赛和挑战杯等赛事，组织具备条件的学生参加生产实习培训，准备挑战杯创业大赛或创业就业，形成了“自主学习、积极实践、追求卓越、玩出创新、乐于分享”的创客文化，提升了学生的学习热情、合作意识和实践创新能力。

为解决实践创新过程中的共性问题，基地与企业合作开设了系列选修课，授予创新学分，主讲硬件设计、算法设计、机械设计和跨学科创新思维，基于创造的学习理念和问题驱动法进行教学设计，建立了学生助教制度增进教学互动，引领学生以循迹智能车为基础，进行跨学科机器人创新，实现了实习与机器人课外创新的无缝对接，达到了以赛促学、学以致用的效果，课程如下：

(1) 选修课“智能车硬件设计”进行普及教育。主讲硬件设计，重点介绍使用软件ALTIUM DESIGN设计硬件及制作印刷电路板的流程，采用项目驱动教学法，通过智能车工程实践普及电源技术、驱动技术、传感技术、信号传递电路、接口技术和复杂电路调试，了解PCB结构设计、载流设计和散热设计，了解常见技术性能指标的测定，通过入门和典型两个实例讲解MCU编程及软硬件联调，提高电路设计能力和应用创新能力。

(2) 选修课“智能车/机器人软件设计”进行普及教育。主讲算法设计，重点是智能车导航和机器人姿态控制，普及通用控制算法和控制策略，例如Bang-Bang控制、PID算法、模糊控制、滤波算法和聚类算法，结合实际应用，介绍图像处理流程和信号处理工具，了解路径识别、学习、记忆、预测与规划，提高算法设计与优化能力，准备智能车/机器人校内选拔赛。

(3) 选修课“机器人DIY”进行创新教育。主讲机械设计，介绍使用软件Pro/Engineer设计机械手臂、支架、连杆和底盘等机械零部件，及其3D打印制作流程，通过机器人DIY工程实践，体会设计对重心和整机性能的影响，讲解STM32应用编程，结合机器人产业及其国内外创客活动，启迪创造性思维和跨学科多视角创新，引领机器人创新工程实践，组织申报各类科研项目，为学科赛事和挑战杯创业大赛做准备。

2 建设成效

近3年的持续建设，广州大学电子实习中心向机器人创客基地的升级转型取得了阶段成果，依托省电工电子实验教学示范中心，每年12个专业参与实习，年人机时数超过5万，根据创客成长的需要，逐步新增了机械加工区、贴片流水线、创客资源库、智能车工作坊和机器人工作坊，扩建了自主学习区，入驻了学生创客社团协助活动组织和开放管理工作，通过一体化创客教育平台，实现了分阶段渐进式人才培养。学生在大一通过电工电子实习或类似培训，具备焊接、调试等动手实践能力，根据实习预留任务进行课外实践；大二上学期通过智能车选修课提升学生的软硬件设计能力，组队参加智能车/机器人校内选拔赛，备战全国智能车大赛和机器人大赛；大二下学期通过选修“机器人DIY”引领跨学科机器人创新工程实践，组织学生积极备战机器人赛事、电子设计大赛和挑战杯赛事，提高实践创新水平；大三开设“电类生产实习”，熟悉产品开发和企业运作，为就业创业奠定基础。

基地不断扩展项目渠道，支持更多学生实现创意，在创新中成长，建成全校各学科人才汇聚、创新与分享的创客平台，发挥示范作用。通过组织系列青少年科普活动展示学生作品，如搜救机器人、脑电波机器人、扫地机器人、外骨骼机器人、旅行家平衡车、武术机器人、垃圾分类机器人、巡天无人机等，充实学生经费，服务社会[16]。基地现已建设成为“机器人技术跨学科应用型人才培养模式创新实验区”，出版教材两本，发表论文51篇，专利申请及授权17项，竞赛获奖43项，并被学校推荐为省教学成果奖重点培育项目。

3 结 语

机器人创客基地及其一体化育人平台的建设，打通了电子实习与课外实践，普及了机器人技术及创客文化，促进了跨学科创新型工程人才的培养，为其他高校建设创客基地提供了借鉴。创客人才培养是一项系统工程，如何进一步优化育人环境，支持更多自选主题，以及将创意转化为有竞争力的产品，将是下一阶段的重要任务。

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Construction of Robotic Maker Platform by Course Contest Combining

CHENXin-bing,LONGXiao-li,CHENHong,XIEBin-sheng,ZHANGFang-ying

(Lab Center, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

To implement the strategy of innovation-driven development, how to cultivate maker talents becomes an important subject for universities and colleges. Taking Guangzhou University as an example, the role of maker concepts in innovation and entrepreneurship education is expounded. Started with electronic practice teaching designs related to extracurricular innovation, how to integrate resources and build an integrated robotic maker platform is presented in this paper. Furthermore, measures for course contest combining are introduced in the aspect of platform construction, electronic practice, production practice and extracurricular innovation, which make robots popular and lead to innovative robots design based on traced cars. As a result, entry and universal problem is solved，and students’ engineering ability and creative ability promoted, so more and more interdisciplinary innovative talents are cultivated.

electronic practice; maker education; talents cultivating; teaching designs; robots

2015-10-12

广东省教育教学成果奖(高等教育)培育项目(粤教高函[2015]72号,30)；广州市高等学校第六批教育教学改革项目(穗教高教[2014]34号,17) ；广州市教育科学“十二五”规划项目(2013A051，2013A038)

陈新兵(1978-)，男，河南遂平人，硕士，实验师，电子信息实验室副主任，研究方向：电类实践课程的教学、建设与管理工作。

Tel.：18922168183； E-mail：chenapple@gzhu.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2016)09-0181-04