以机器人大赛为契机的农业院校工科专业实践创新模式探索

宇海萍，冯灵清，刘琪芳，刘振宇，杨怀卿

(山西农业大学 信息科学与工程学院，山西 太谷 030801)

以机器人大赛为契机的农业院校工科专业实践创新模式探索

宇海萍，冯灵清，刘琪芳，刘振宇，杨怀卿

(山西农业大学 信息科学与工程学院，山西 太谷 030801)

随着素质教育和高校改革的推进，大学生实践和创新能力的培养显得尤为重要。针对农业院校学生实践创新能力的不足，以机器人大赛为契机，提出了增强农业院校实践创新能力的模式。该模式以综合机器人实验室为平台，立体化实践教学体系为主线，机器人创新梯队为主体，探索了农业院校学生实践创新能力的培养。实践表明“以赛促教、以赛促学、以赛促改”的教育模式对于提高教师业务能力和培养学生创新能力具有较好的促进作用。

实践创新模式；机器人大赛；农业院校；立体化实践教学

DOI号：10.13320/j.cnki.jauhe.2017.0049

机器人大赛作为高科技、高技术对抗赛，是多学科知识应用的综合，其比赛的宗旨就在于提高学生的实践和创新能力。它是培养大学生理论和实践相结合的良好平台。机器人的设计和制作过程也是不断发现问题、分析问题、解决问题的过程，是理论和实践的高度结合[1]。

现在的机器人大赛已经不局限于机器人功能的竞赛，而更多地考量机器人的创意和创新，能最大化地激发学生的创新思维和能力。机器人大赛的大部分项目需要多人参与，这就需要参赛队员之间的默契和合作，只有队员之间分工明确、通力合作才能达到1+1>2的效果。

一、农业院校信息科学与工程专业学生实践创新能力培养现状

(一)农业院校信息科学与工程专业的特点

1.专业平台基础偏弱。农业院校的工科信息类专业并不是学校的优势专业，与工科院校相比，扶持力度较小，由此导致专业物质条件相对较差。而对于此类专业，农业院校与工科院校无论在学科发展还是学生就业方面都存在弱势[2]。

2.师资队伍偏年轻。一般而言，农业院校的信息科学与工程类专业建设较晚，师资队伍偏年轻，不管是教学经验还是科研水平与工科院校相比都存在一定的差距。

3.学生实践基础普遍偏差。与其他高校相比，农业院校学生大部分来自农村，接触计算机与电子类产品的机会比城市孩子要少，这就造成了很大的差距。

4.实训环节薄弱。农业院校实践教学通常只是作为辅助教学，只侧重理论知识的演示和验证，学生解决问题的能力及创造性思维远远没有达到产业需求的标准[3]。

(二)农业院校信息科学与工程专业参加学科竞赛的现状

近几年，越来越多的农业院校以学科竞赛为平台，努力弥补农业院校信息科学与工程专业的不足，提高学生的实践创新能力。

2008年，华中农业大学高云等[4]发表了《浅谈电子设计竞赛与农业工程专业学生的创新能力的培养》；2014年，华南农业大学的李震等[5]发表了《电子设计竞赛对电子类课程体系和内容改革的促进作用——以华南农业大学为例》；2015年，湖南农业大学的陈文凯等[6]发表了《基于学科竞赛的大学生专业技能培养方式探究》；2016年，山东农业大学的束德勤等[7]发表了《以学科竞赛为依托促进学生动手能力培养——高等农林院校对教学改革的探索与实践》。

另外，随着国际、国内各类机器人大赛的举行，农业院校在大赛中也逐渐崭露头角。山东农业大学学生在2012中国机器人大赛暨RoboCup公开赛中获得了机器人标准竞速比赛一等奖；在2015中国机器人大赛中荣获二等奖两项、三等奖两项。内蒙古农业大学在2015中国机器人大赛中获得陆空勘探机器人比赛一等奖；在2016中国机器人大赛武术擂台赛标准无差别2V2项目决赛中一举夺冠，在武术擂台赛轻量组项目中获得二等奖。湖南农业大学从2008年开始连续多年参加了中国机器人大赛暨RoboCup公开赛，以及全国大学生机器人大赛(Robocon)，取得了多个奖项。 东北林业大学和西北农林科技大学参加了2016RoboMasters全国大学生机器人大赛，分别取得了分赛区一等奖和三等奖。

二、机器人实践和创新能力培养平台的搭建

高校中机器人实践创新平台的服务对象和功能，大致可以分成以下几类:(1)电子类、机械类、计算机类学生的课程实验;(2)电子类、机械类、计算机类学生的综合课程设计;(3)电子类、机械类、计算机类学生的毕业设计;(4)机器人竞赛;(5)教师科研[8]。为适应不同学科、不同层次学生的需求，利用综合机器人实验室为平台，通过改革实践教学体系和加强梯队建设来弥补农业院校学科专业的不足，从而实现学生实践和创新教育提升的目的。

(一)搭建综合机器人实验室平台

根据服务对象和功能的不同，机器人实验室依照从简单到复杂的原则构建了4个层次的实验平台：开放式基础实验平台、竞赛平台、自主创新平台、科研平台(如图1所示)。

图1 机器人综合实验平台层次结构

1.开放式基础实验平台。开放式基础实验平台主要针对中、低年级学生的实验、实践课程开放，采用半开放式管理模式，学生可以利用该平台进行学科基本能力的锻炼，包括计算思维能力、算法设计与分析能力、程序设计能力、开发应用能力等，并能够动手组装和调试简单电路、编写控制软件等[9]。

山西农业大学的基础实验平台包括的机器人有智能人形机器人、立体视觉系统机器人套件、动作投影系统机器人套件和安卓移动开发教学机器人。这些实验设备具有操作简单、形象直观和适用面广等特点。

2.竞赛平台。此平台在基础实验平台基础上，强化了机器人软硬件，拓展了机器人的功能，主要针对参加机器人大赛的学生开放。平台机器人由参赛学生和指导教师采用借取的方式，在保证机器人套件的完整性和无损性的条件下自由使用，确保参赛学生有充足的时间准备比赛。

山西农业大学连续4年在机器人大赛上取得佳绩，竞赛平台的搭建既积累了往届比赛的经验，也为今后的比赛提供了平台。竞赛平台的机器人包括了武术擂台机器人组件、模块化机器人套件(标准版)、水中机器人创新套件中级版、多水下机器人协作系统、八旋翼植保飞行器等。

3.自主创新平台。此平台针对高年级有竞赛经验的学生和教师开放，主要用于课程设计、毕业设计，以及创新项目的开发等。该平台的机器人有模块化机器人套件(高级版)、机器人创新套件(高级版)。教师可以指导学生制作与农业服务相关的创新型机器人。

4.科研平台。农业院校的信息科学与工程专业只有和农业相结合为农业服务，才能得到更好的发展。科研平台的机器人包括自主移动机器人、四轮全地形机器人、航拍飞行器等，它们提供了多个传感器，不仅能为农业服务，还可以有效地传回大量的农业数据为教师科研服务。

(二)建立立体化实践教学体系

机器人的设计、制作过程涉及到机械、电子、计算机等专业的多门学科内容，为学生提供了多学科交叉融合的综合创新实践平台。山西农业大学作为农业院校，把实践教学作为创新人才培养的重要途径，将机器人综合实验室的实践课程分为基础课程、综合课程、创新课程，建立了基础课程、综合课程、创新课程相结合的立体化实践教学体系[10](如图2所示)。

图2 实践课程的分类

基础课程实验主要为专业基础课的原理性实验；综合设计实践主要为给定设计要求,由学生独立完成的课程设计课题；创新实践则完全为开放式教学方式，学生自主完成具有创新意义的毕业设计课题或竞赛项目。3个层次的实践教学分级分层、循序渐进，从基础到综合，再到设计与创新[11]。

立体化实践教学体系的建立，充分发挥了实践教学的作用，为农业院校创新型人才的培养提供了有力的保障。

(三)加强机器人创新梯队建设

针对学生的流动性和机器人大赛举办的持续性，成立机器人协会，吸收其他工科专业的学生参与其中，组成多专业跨年级的机器人创新梯队。该梯队共分为3个层次：指导教师组成第一梯队，大二、大三相关专业学生组成第二梯队，大一相关专业和外专业学生组成了第三梯队(如图3所示)。第一梯队的教师参与机器人大赛的全过程，包括参赛队伍的分配、主题的选择、培训、技术指导、带队比赛以及其他方面的指导；第二梯队的学生是主力，主要负责机器人的设计、组装、编程、调试等工作以及指导第三梯队的学生；第三梯队的学生刚加入社团，先期进行观摩，后期参与机器人的组装和其他配件的制作工作。

图3 机器人创新梯队

三、平台建设成效与创新人才培养成果

机器人实践创新平台经过几年的建设，不仅在机器人大赛上获得了骄人的成绩，促进了教学建设和实践教学改革，而且提高了师生的创新意识和创新能力。

(一)连续4年在机器人大赛中取得佳绩

山西农业大学师生连续4年在国际水中机器人大赛和华北五省机器人大赛中取得了优异成绩，在国际水中机器人大赛2D仿真项目中获得了一等奖两项、二等奖五项、三等奖两项，实体水中机器人项目获得三等奖两项；在华北五省机器人大赛舞蹈赛项目中获得一等奖六项、二等奖两项、三等奖一项，仿真组项目中获得一等奖三项、二等奖一项。

从比赛成绩可以看出，舞蹈机器人和2D仿真项目是山西农业大学的优势项目，这两个项目重点考察舞蹈的创意和编程能力，但随着机器人大赛赛事的不断更新和发展，2D仿真项目将逐步被取消，舞蹈的创意创新也越来越难。这就要求我们要更深地挖掘学生的创新意识和创新能力，不断地壮大参赛梯队，拓展新项目，争取给广大师生创造更多的实践创新机会。

(二)改革教学方法，改善教学效果

利用机器人综合实验室平台，建立了立体化实践教学体系，把课程实验、课程设计、毕业设计以“任务驱动”的方式分配给学生，机器人的设计、组装、编程、调试等过程全由学生小组自行完成，教师采用引导式和讨论式教学，不仅能培养学生的独立思考和自主学习能力，还能进一步激发学生的创新思维和实践能力。

(三)促进学科交叉创新人才的培养，为学生考研和就业创造有利条件

近几年，随着参加机器人大赛学生人数的不断增多，这项多学科交叉的创新赛事让越来越多的学生受益，不仅实践创新能力有了明显的提高，而且学生在就业和考研中也凸显了优势，打破了原有对农业院校信息科学与工程专业学生实践创新能力低下的偏见。山西农业大学参加机器人大赛的第一届学生已于2016年7月毕业，9名参赛学生中有6名考上了电子科技大学、北京工业大学、西安电子科技大学、西南科技大学等高校的研究生，另外3名学生在北京和杭州等地的对口工作单位就业；2017年即将毕业的11名参赛学生中，有5名学生通过了西安电子科技大学的暑期夏令营优研活动，并取得了考研高分，另外有2名学生分别考取了中国农业大学、内蒙古大学生的研究生，有1名学生被上海光通信公司录用。

四、结语

通过4年的探索和实践，山西农业大学依托机器人实践和创新能力培养平台，不断地弥补农业院校的不足，在机器人大赛取得佳绩的同时，促进了实践教学改革，学生的实践创新能力也得到了极大的提高。

未来的机器人大赛，将给我们带来更多的机遇和挑战，同时，也会对学生的创新实践能力提出更高的要求。在今后的工作中，我们将继续保持对机器人比赛的高度热情和有力支持，并以此为契机，不断地探索实践创新教育的新方法。

[1] 胡发焕，刘祚时，朱花.以机器人大赛为契机探索大学生创新能力培养模式[J]. 中国电力教育，2013(28):53-55.

[2] 程建兴，邱玲．刍议农业高校电子科学与技术专业的就业岗位与实验教学[J]．电气电子教学学报，2007 (S1) :101-103.

[3] 刘振宇，刘琪芳，马辉栋，等.“大工程观”下农业信息类专业课程体系改革[J]. 电气电子教学学报，2016(4):53-55.

[4] 高云，王为，梁秀英.浅谈电子设计竞赛与农业工程专业学生的创新能力的培养[J]. 湖北农机化,2008(6):30-31.

[5] 李震,王卫星,代芬,等.电子设计竞赛对电子类课程体系和内容改革的促进作用——以华南农业大学为例[J]. 工业和信息化教育，2013(8):70-73.

[6] 陈文凯,贺建良,陈力航.基于学科竞赛的大学生专业技能培养方式探究[J].河北农业大学学报(农林教育版)，2015(8):21-23,27.

[7] 束德勤，王志军，范昊. 以学科竞赛为依托促进学生动手能力培养——高等农林院校对教学改革的探索与实践[J]. 教育教学论坛,2016(6):112-113.

[8] 姚志凤，薛少平，陈亚娟. 机器人创新实验室的多元化模式探究[J]. 电气电子教学学报，2012(5):76-77.

[9] 王旭仁，刘丽珍，黄向阳，等. 智能机器人实验室建设研究[J]. 计算机教育，2013(19):85-87.

[10] 徐晓红，郑志强，卢惠民. 构建机器人技术创新实践基地的探索与实践[J]. 实验室研究与探索，2015(3):186-187.

[11] 汪烈军，贾振红，地里木拉提.吐尔逊，等.机器人设计大赛促进相关专业实践教学的改革与建设[J].电气电子教学学报，2009(S1):110-112.

(编辑：刘伟霄)

2017-01-09

2012年山西省教学改革项目(编号：000820)。

宇海萍(1982-)，女，山西晋中人，讲师，研究方向：农业信息化。

杨怀卿(1964-)，男，山西运城人，副教授，山西农业大学信息科学与工程学院院长，研究方向：计算机农业应用及信息安全技术。

G642.0

A

1008-6927(2017)02-0094-04