独立学院开展机器人创新设计实训课程探索

谢鹏飞++夏庆锋++张燕++邹发光

摘要：机器人创新设计实训的目的在于培养具有创新精神的应用型人才，本文重点介绍独立学院在开展机器人创新设计实训课程的设计的讨论，目的在于培养学生独立自主学习的能力，对机器人自主感知，分析处理数据，判断与决策等方面知识有一定了解。

关键词：独立学院；机器人；创新设计；课程

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）04-0148-03

Exploration of innovative design training course for Independent Colleges

XIE Peng-fei， XIA Qing-feng， ZHANG Yan， ZOU Fa-guang

（Jinling College of Nanjing University， Nanjing 210089， China）

Abstract： Training innovative robot design aims to cultivate applied talents with innovative spirit， this paper focuses on the discussion of Independent Colleges in the design of robot innovative design training courses， aims to cultivate students' ability of independent learning， the autonomous robot sensing， data analysis， judgment and decision making and other aspects of a certain understanding.

Key words ：Independent college； robot； Innovative design； course

为深入贯彻《南京大学金陵学院“431”产学研深度融合人才培养模式改革实施方案》，探索应用型人才的协同培养机制，促进我校的转型发展，鼓励广大教师积极开展教学改革的研究与实践，切实提高人才培养质量，南京大学金陵学院（以下简称金陵学院）开展了2014年度校级教学改革研究项目的申报立项工作。

2014年度教学改革研究项目主要围绕应用拓展课程建设，以创新创业课、新型实训课为立项重点，扎实推进教学改革的研究与实践。

新型实训课，既不同于传统意义上的实习课，也不等同于开放实验课，是一种新型的、综合的、基于更广阔学科背景的，综合培养学生文化素质和职业素养的探究性新型实践训练课[1]。与传统的验证性实习实训不同，新型实训课旨在通过知识融合的平台，引导学生参与性、探究性的学习，自然实现从“要我学”到“我要学”的转变，并在更高的层面上实现知识与技能的整合，从而提升学生的职业素养。

信息科学与工程学院（以下简称信工学院）智能机器人实验室机器人团队在多年从事机器人相关课程教学、机器人竞赛、基于机器人的创新创业项目以及以机器人为主题的毕业设计过程中，总结和积累了很多宝贵经验，正式提出并成功申报了《机器人创新设计实训》这一校级重点课题。

1 课程简介

机器人创新设计实训的目的在于培养具有创新精神的应用型人才，将机器人方面的理论知识及专业知识，通过实践项目的形式直观地展示出来，让学生在校期间能充分地接触机器人创新设计实践，将信工学院各专业的核心技术通过机器人平台有机融合在一起，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，培养学生申报项目、组织管理和实施项目的能力，培养学生撰写技术文档和学术论文的能力，培养学生的就业和工作的能力和素养，以期达到提升学生的綜合素质的效果。结合金陵学院学生的特点以及信工学院的软硬件条件，探索建立新型概念课的方法和方式，把知识的学习、素质的培养和实际应用联系起来，为后期建设实践创新基地打下坚实的基础[2]。

本课程严格树立以学生为本、知识传授与能力培养并举、素质提高与协调发展并重的教学观念，以创新思维和创新能力培养为核心，以实验技能训练为基本要求，注重团队合作和实际应用设计[3]。本课程面向信工学院所有专业学生开放，旨在让不同专业的学生组成一系列团队，按照公司运行的机制让学生学习新知识和锻炼各项技能。课程强调不同专业学生间的相互学习，强调项目申报、组织管理和实施的能力，希望达到毕业设计导师喜欢、硕士生导师想要、工作单位认可的效果。

本课程是一门教学与实践相结合、学习与工作相融合、专业知识与技能技巧相协调、传统教育与新型教育相交融的新型实训课程。本课程充分借鉴英国Essex大学先进的教学理念和教学方式，具有强烈金陵学院特色，适用于应用型本科学校。

预期效果及目标：通过本课程的学习，学生可以达到以下一项以上成果。

（1）部分学生可以在毕业前发表至少一篇学术论文；

（2）部分学生可以申请到江苏省大学生创新创业训练计划；

（3）部分学生可以参加省级以上学科竞赛；

（4）部分学生可以申请到实用新型专利；

（5）部分学生可以获得国内一流高校（如北京大学工学院）或者科研院所（中科院沈阳自动化研究所）短期交流学习机会；

（6）部分学生可以获得到一流公司的实习机会。

同时，获得本课程成绩良好以上者，能够成为我院承担毕业设计的各位导师最青睐的学生，能够在考研复试时轻松赢得面试官的认可，能够在找工作时显示出明显优于别人的竞争力。当然，为了保证教学效果，本课程每学期承担的总人数一般限制在40以下。

2 课程体系设计

本课程分为基础部分和高级部分。基础部分以机器人基础教学为主，以机器人竞赛平台为背景，讲解机器人竞赛相关的入门知识，以此来选拔学生。实验教材建议各部分指导老师参考各类机器人技术手册来编写讲义。表1列举了基础实验内容，随着课程的进一步开展可以继续进行丰富和修改。笔者主要负责武术擂台部分的教学和团队的指导。

3.2 创新设计与创新平台＼&2学时＼&实验教学＼&智能四轮小车的设计与实现＼&智能四轮小车的设计：结构方案、感知方案、控制策略

智能四轮小车自主躲避障碍物、巡线、走迷宫、语音控制、视频控制[4][5]＼&6学时＼&水中机器人运动控制＼&水中机器人概述

机器鱼结构

机器鱼运动控制

水中机器人全局视觉比赛技术

水中机器人2D仿真比赛技术

水中机器人创新设计＼&6学时＼&项目驱动教学＼&＼&轮式移动机器人运动控制——自选实践项目（27学时+）

足式移动机器人设计与运动控制——自选实践项目（27学时+）

机器蛇运动控制——自选实践项目（27学时+）

全局视觉机器鱼协作顶球算法研究——自选实践项目（27学时+）

水中机器人2D仿真比赛技术——自选实践项目（27学时+）

仿人机器人设计与实现——自选实践项目（27学时+）＼&＼&]

本课程由机器人团队多名教师共同承担。不同的项目分别由相应的老师负责讲授，分别对全体学生介绍信工学院各专业各门课程在机器人技术中的应用情况，并讲授机器人创新设计所需要的基本知识和基本技能，介绍我院以及兄弟院校学生在参加机器人竞赛中所用到的技术；介绍机器人创新设计所需要用到的工具及其使用方法、各种软件以及使用方法、硬件电子电路基础知识、编程技巧以及智能四轮小车的设计与控制、机器鱼运动控制等内容[6]。

项目驱动教学环节将所有学生分成5组，每组学生控制在5-12人，由指导教师团队拟定5-10个具有一定创新性的机器人设计项目，由学生团队自主选题，也可以由学生根据智能机器人实验室的机器人设备自主设计项目，分组后每位指导老师负责一个团队，以项目组织实施的方式对学生进行指导和管理。

在学生学时方面，前8周所有学生一起上课，第9周开始分成5组，每位老师负责一个项目，由学生自主选择项目，每位老师负责的学生控制在5-12人。从第9周开始，学生的上课时间和上课形式可以在不违反学校教学规章制度的前提下，大胆探索和勇于尝试，力求在实践中探索出一条具有强烈金陵学院特色的教学方法和教学手段。原则上，学生实际全身心投入课程的时间远远超过27学时。

3 课程的教学方式

（1）本课程教学方法与手段灵活多变，包含课堂讲授、实验教学、项目驱动教学等环节，其中课堂教学中重点采用案例教学法，为适应我院学生的基础，所举的例子尽量采用院往届学生在机器人竞赛、江苏省大学生创新创业训练计划、课程设计、毕业设计中的作品以及用到的方法，并通过播放视频与制作动画等形式加强学生的理解；实验教学环节注重与理论知识的结合，力求通过实验进一步解释理论知识，让学生通过切身体会进一步巩固知识；项目驱动环节力求模拟公司的运行机制，让以“工作”的方式执行课程任务，以达到把知识的学习、素质的培养和生产实践联系起来的效果[7]。在讲完相应的理论课之后，根据比赛项目的分工，本项目组五位老师分别带领一部分学生，开展项目式教学，为了完成比赛项目，学生需要自主查阅相关资料、根据自身优势进行分工、并且按照一定的方式开展合作，以保证整个项目的顺利推进。为了取得较好的效果，有的学生自己去请教其他专业课老师，有的跑到相关企业进行咨询，有的跑到其他学校进行取经，基本上可以模拟公司的运行机制。

（2）鉴于场地和设备的限制，为了达到更好的教学效果，本实训课程要求学生总数限制在40左右，即在项目驱动环节，每位老师最多指导两个课题的项目，人数限制在5-12人。

（3）教学方法、作业、考试等教改举措

教学方法与传统的课程有较大改革，尤其是在项目设计环节，指导教师相当于合同中的甲方，学生相当于乙方，但是指导教师除了担任甲方的职责之外，还需要对学生因材施教，主动发现每个学生的特点及特长，对其进行引导与指导，使其充分发挥自己在团队中的作用。这里还强调学生间的相互学习，本课程授课对象应该来自信工学院每个专业，学生的学习过程不再单纯是向老师学习，还应该注重主动向同组同学学习相近专业知识，这种学习方式对于学生来讲会减轻压力，往往具有很好的效果。

作业也与传统的课程有较大区别，为了突出分工，引导不同的学生发挥自己的特长，每个人的作业形式可以有所不同，根据本课程的创新考核方式（达到相关指标者可以申请免考），每个同学可以自主选择作业形式，作业形式可以是撰写一篇学术论文、申请江苏省大学生创新创业训练计划、参加省级以上学科竞赛、申请实用新型专利等。

4 考核方式

在考核方面，大胆创新，由实物演示、设计报告和答辩等三个环节组成，分别按照30%、30%、40%的比例构成[8]。答辩环节由5位指导教师以及邀请1-3位专业教师或者分院领导组成。学生如果达到以下成果之一可免于答辩，并直接获得优秀的成绩：

（1） 撰写一篇学术论文，经指导老师审核通过后成功投稿者

（2） 申请到江苏省大学生创新创业训练计划者

（3） 參加省级以上学科竞赛并获得省级一等奖或者国家级二等奖以上者

（4） 申请实用新型专利一项

（5） 所有指导教师一致认为作品优秀者

5总结

本课程旨在打破教育部白皮书的课程框架，建立新型概念课，把知识的学习、素质的培养和生产实践联系起来，为培养具有创新精神的应用型人才构建新平台。2016年，我校成功开设了本课程，受限于场地和硬件条件，在近200名报名同学中筛选出了60名同学进行授课。课程结束后，笔者对这60名同学的学习情况进行了总结，如表2所示。

表2 课程初步成果

[撰写论文数量＼&申报省级大创项目＼&参与机器人竞赛人数＼&获奖数＼&3人共投稿3篇（已录用2篇）＼&4人组队申报成功1项＼&9人次＼&一等奖2项，二等奖3项，三等奖4项＼&]

本课程建设的目标是给学生提供一种模拟公司运行的机制和环境，以设计产品为导向，以项目课题为目标，学生在对于机器人自主感知，分析处理数据，判断与决策等方面知识有一个系统了解基础上，让学生在学习中体会工作的流程，熟悉项目的运作流程，在设计中增强自主学习的能力，在团队中掌握分工协作与交流沟通的技巧，在答辩时积累结题的经验以及撰写报告的方法，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，培养学生申报项目、组织管理和实施项目的能力，培养学生撰写技术文档和学术论文的能力，培养学生的就业和工作的能力和素养，以期达到提升学生的综合素质的效果。

参考文献：

[1] 吴波， 陈琪. 工程创新设计与实践教程：创新设计及机器人实践[M]. 电子工业出版社， 2009.

[2] 夏庆锋，丁尧，万凯.基于机器人竞赛的应用型人才培养初探[J].电气电子教学学报，2012，34（4）： 60-61.

[3] 夏庆锋，张燕，谢鹏飞，刘益新，邹发光.独立学院开展机器人竞赛的探索与实践[J].机器人技术与应用，2015（9）：41-44.

[4] 《创意之星InnoSTAR实验指导书第一版》.北京博创尚和科技有限公司，2009.

[5] 《创意之星InnoSTAR组装指南》. 北京博创尚和科技有限公司，2009

[6] 蔡自兴. 机器人学基础[M]. 机械工业出版社，2015.

[7] 夏庆锋，张燕，谢鹏飞.听说读写译综合教学法在模电教学中的应用[J].电脑知识与技术，2015，11（2）：135-137.

[8] 张燕，夏庆锋，谢鹏飞.基于LPC1768嵌入式系统实验课程仿真平台设计[J].电脑知识与技术，2015，11（2）：223-225.