摘要:以机器人竞赛作为项目平台进行项目驱动教学,对大学生创新素质教育具有重要的现实意义。首先对国内外大学生参与的机器人竞赛进行总结回顾;然后探讨基于机器人竞赛的大学生创新素质教育,包括项目驱动教学方法、教学体系建设、我校实践情况;最后给出结论包括参与机器人竞赛的有益之处及注意事项。
关键词:大学生创新素质教育;机器人竞赛;项目驱动教学
在高校积极探索培养高素质创新型人才的途径和方法中,科技竞赛在培养学生综合素质特别是创新素质教育方面发挥了极为重要的作用[1]。近几年来,机器人竞赛在国内外迅速开展,其举办宗旨是为了推动机器人技术的发展,培养学生的创新能力。机器人竞赛涉及到人工智能、自动控制、机械设计、通讯技术等多领域的前沿研究,大学生参与机器人竞赛有助于增强自主学习兴趣,培养工程实践创新能力[2]。因而,基于机器人竞赛进行项目平台建设,对大学生实施项目驱动教学及大学生的创新素质培养具有重要的现实意义。
1国际大学生机器人竞赛
1) 机器人足球竞赛。
机器人足球竞赛最早是由加拿大不列颠哥伦比亚大学的Alan Mackworth教授于1992年正式提出的。目前,在国际上最有影响力的两类机器人足球竞赛为FIRA和RoboCup。FIRA(Federation of International Robot-soccer Association)是国际机器人足球联合会的缩写,自1996年在韩国大田的韩国科学技术院举办第一届比赛开始,FIRA已经举行了14届世界杯比赛。RoboCup(Robot World Cup)是机器人世界杯的缩写,自1997年在日本名古屋举行第一届比赛开始,RoboCup至今也已举行了14届世界杯比赛。机器人足球比赛的项目主要包括仿真组、拟人组等多个比赛项目。
2) 机器人灭火竞赛。
机器人灭火比赛是由美国三一学院的Jake Mendelssohn教授于1994年始创。比赛是在一套模拟四室一厅的住房内进行,要求参赛的机器人在尽可能短的时间里找到放置于任意一个房间随机角落中的蜡烛,将其熄灭,并要返回到起点。机器人比赛每年一次,目前已经举办了17届比赛。目前,主办方按机器人类型的不同将同一级别的比赛分为标准组和带有创新设计的非标准特别组,如分初级标准组和初级特别组、中级标准组和中级特别组、高中标准组和高中特别组以及步行机器人灭火组等。
3) 国际机器人奥林匹克竞赛。
IROC(International Robot Olympiad Committee)是国际机器人奥林匹克委员会的缩写,1999年组织了首届“国际机器人奥林匹克竞赛”,目前已经成功举办了11届。比赛分为不同年龄段的常规赛与创意赛。此外,2010年三星杯首届国际仿人机器人奥林匹克竞赛由哈工大机器人技术与系统国家重点实验室等多个单位主办。比赛设田径类、球类、对抗赛、体操类、舞蹈类、娱乐类、作业类等7个门类共24个项目,比赛规则大多采用人类奥运会的规则。
4) 亚太大学生机器人大赛。
“亚太大学生机器人大赛”(ROBOCON,ABU Asia-Pacific Robot Contest)始于2002年,是由中国、日本、韩国、新加坡、泰国和印度尼西亚组成理事会的“亚洲太平洋广播联盟”(亚广联)举办的每年一度的重大国际性赛事,目前已经举办8届。比赛主要面向本地区的在校大学生,特别是工科院校的在校生,着力培养各国青少年对于高科技的兴趣与爱好,提高各参与国的科技水平,为机器人工业的发展发掘和培养后备人才。每一届的具体赛事由理事会成员国轮流主持。
2国内大学生机器人竞赛
1) 中国机器人大赛暨RoboCup公开赛。
1999年,在RoboCup国际委员的支持和授权下,首届中国机器人大赛暨RoboCup公开赛在中国重庆举办,每年举办一届,现已举办12届。第12届比赛共设立12类65项赛事。
2) 全国机器人大赛暨FIRA世界杯机器人大赛中国队选拔赛。
1999 年,在FIRA中国分会的组织下,首届全国机器人大赛暨FIRA世界杯机器人大赛中国队选拔赛在哈尔滨工程技术大学举办,每年举办一届,现已举办11届。第12届大赛共设立4类25项赛事。
3)“广茂达”杯中国智能机器人大赛(暨国际机器人灭火比赛中国赛区选拔赛)。
“广茂达”杯中国智能机器人大赛是中国人工智能机器人专业委员会等多个单位主办的一项全国性赛事。从2000年开始,每年举办一届,现已举办10届。大赛包含机器人救火大赛、机器人足球比赛、机器人创新大赛、机器人搜救大赛、机器人擂台赛和机器人舞蹈戏剧大赛等6个主题项目。其中机器人救火大赛是国际赛制机器人灭火比赛(暨国际机器人灭火比赛中国赛区选拔赛)。
4) 全国大学生机器人电视大赛(暨“亚太大学生机器人大赛”的国内预选赛)。
“全国大学生机器人电视大赛”作为“亚太大学生机器人大赛”的国内预选赛,由中央电视台主办,是国内大学生竞技机器人技术方面最重要的赛事。大赛始于2002年,每年举办一届,现已举办8届。
5)“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛。
为了加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养,教育部委托高等学校自动化专业教学指导分委员会主办每年一度的全国大学生智能汽车竞赛。高等学校自动专业教学指导分委员会决定飞思卡尔半导体公司为协办单位,赛事冠名为“飞思卡尔”杯。竞赛分竞速赛与创意赛两类比赛。自2006年首次举办以来,“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛已经成功举办了5届。
3创新素质教育
3.1项目驱动教学
项目驱动教学是是指通过实施一个完整的项目工作而进行的教学活动,是基于建构主义学习理论的教学方法[3]。在建构主义学习理论指导下的项目驱动教学方法适用于各类实践性和操作性较强的知识和技能的学习[4]。基于机器人竞赛的项目驱动教学是指以参加上述的国内外机器人竞赛为建设项目,项目建设期间的资源和成果不仅仅用于机器人竞赛,还可用于相关的教学和科研工作中。因而,结合机器人竞赛项目进行项目驱动教学,高校可以在开展机器人竞赛的同时,为相关专业学科的学生提供自主创新的平台。
具体而言,高校可以结合具体的机器人竞赛项目开展项目驱动教学。如我校结合“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛,制定了相应的项目负责制实施办法及教学任务表,并根据项目名称、内容、要求,分别在电气与计算机学院遴选项目负责人。项目负责人确定后,由项目负责人根据人数、职称结构等要求自行组织教学团队,负责所承担项目教学内容的制定、理论教学、实践指导、教学内容更新、教学方式与方法的改革、成绩考核及上报、项目总结等。教师在教学过程中,基于项目驱动教学方法进行教学。教学分为理论教学和实践教学,不同于普通课程教学的理论学时大于实践学时,以实践教学为主。例如,我校设定理论学时为总学时的20%,实践学时为总学时的80%。理论教学并不纯粹讲解课本知识,还要介绍“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛的举办背景、往年的竞赛视频、比赛规则等;实践教学将项目分解为智能车组装设计、运动控制、道路识别等具体子任务,以具体子任务实现为目标,学生分组通过团队合作来完成具体的各个子任务以及整个项目。学生通过任务分析,提出实现策略和实施方案,并负责制作和调试工作,这样可以培养学生自己动手解决问题的能力。
3.2教学体系建设
面向全校进行跨专业培养。可以以多种方式进行宣传招募学生,包括海报公布、网上发布、传单宣传等;之后召开师生见面会回答学生问题,并举行机器人表演让学生直观理解;学生根据意愿自愿报名,通过面试进行筛选;集中进行学习培训,竞赛校内预先选拔。
课程设置可以推行公共选修课制度,例如每门课程每学期开设2～4轮,每轮24个学时,每门公选课人数不超过30人,理论课授课时间不超过总学时的20%,公选课可代替公共选修课自然科学和工程技术类课程,理工科专业1学分,文科专业2学分。
成绩考核可以采用笔试、答辩、总结报告、实际操作、实践成果等多种形式有机结合的方式进行,例如实践成果和实际操作可以占总成绩的70%,其他方式占总成绩的30%。
设立奖学金,在青年学生中树立先进典型,建立导向、激励机制,引导广大青年学生积极向上,自立自强。这样,既减轻了学生负担也提高了学生参赛的积极性,从而有效推动大学生实践创新能力的提高。
对参与项目的核心教师制定长期的培养计划。培养一批会做项目的教师,就有了项目驱动教学最重要的要素[5]。此外,教师可结合机器人竞赛的项目建设资源,就感兴趣的研究方向进行相关的研究工作,为申报课题和科研能力的提高以及形成稳定的研究方向打基础。
针对学生选拔,选择合理专业如机械设计、电子工程、计算机等专业的学生进行搭配。对于学生团队组成,以高年级学生为主,低年级学生为辅的原则进行组建。
3.3我校实践情况
我校参加机器人竞赛源于2008年,当时参赛的赛事为“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛,现在的赛事增加了中国机器人大赛暨RoboCup公开赛。学校成立了大学生工程训练中心,由工程训练中心管理学校的大学生创新活动,机器人竞赛纳入工程训练中心管理,具体实施由工程训练中心与相关院系共同负责。工程训练中心出台了《工程训练中心公共选修课实施办法》,开设了机器人工程实践与探索、模块化创新机器人技术等公共选修课;制定了《工程训练中心项目负责制实施办法》,针对项目完成好坏进行惩罚奖励,对于学生而言,一方面体现在学生的课程成绩上面,另一方面作为参赛的平时成绩;对于教师而言,一方面作为每年遴选的条件,另一方面进行教学奖励或工作量奖励。实践教学效果显著,我校代表队在2010年第五届“飞思卡尔”杯西部赛区比赛中,成为河南高校唯一一支成功晋级参加全国决赛的队伍。
4结语
高等院校如何开展创新教育培养高素质创新型人才是自身发展和强大的关键,而机器人竞赛则是培养学生创新精神和动手能力的有效载体。参加机器人竞赛,可激发学生的兴趣与爱好,有利于提高学生自主学习的主动性、科研动手创新能力、团队协作能力以及就业竞争能力。此外,还可以促进教师改进教学方法提高教学质量,促进教学体系的更新与完善。
但是,作为综合性赛事,机器人竞赛的准备时间长,投入精力多,要想取得好的成绩,必须注意以下几个方面:学校需要加大资金投入;教师要增加投入时间精力;学生要注重自身锻炼不要急功近利;尽早组队确保训练时间。此外,要加强基于机器人竞赛的项目驱动教学方法等改革研究,及时总结经验以取得良好的效果。
参考文献:
[1] 顾红欣. 以科技竞赛为载体的大学生创新能力培养[J]. 中国教育导刊,2009(2):31-32.
[2] 张云洲,吴成东,崔建江,等. 基于机器人竞赛的大学生创新素质培养与实践[J]. 电气电子教学学报,2007,29(1):116-119.
[3] 刘文静. 浅谈项目教学法的应用[J]. 辽宁教育行政学院学报,2006(8):118.
[4] 王田苗,陈殿生,吴永亮.《机电控制基础》一体化项目教学实践[J]. 北京航空航天大学学报:社会科学版,2008,21(2):77-80.
[5] 郭家星. 以机器人竞赛为平台的项目导向教学研究[J]. 职业教育研究,2009(12):133-134.
Innovation Quality Education of the College Student Based on Robot Contest
YU Jin-xia 1, ZHANG Ying-qi 2
(1.College of Computer Science and Technology, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China;
2. Engineering Training Center, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China)
Abstract: It has an important practical significance for innovation quality education of the college student to regard robot contest as project platform and implement the project based learning to them. Firstly, it summarized robot contest at home and abroad in which the college student participates. Then, it discussed on the innovation quality education of the college student based on robot contest including project based learning, teaching architecture construction, and practice situation of our university. And lastly, it gave a conclusion of benefit and points for attention about taking parting in robot contest.
Key words: innovation quality education of college students; robot contest; project based learning
(编辑:姚彦如)