关于机器人竞赛的教学改革研究

随着现代ツ化科学技术的不断发展，机器人已经越来越多地融入到我们的日常生活中。机器人技术作为一项涉及了人工智能、机械工程、自动控制、传感技术等多领域的综合性学科，受到各行各业的关注。机器人竞赛由于其自身的综合性和竞争性已在国内外十分盛行，它给现代教育改革注入了新的能量。我校工程训练中心创新班自2010年第一届中科欧鹏杯中国教育机器人大赛以来，连续4年参赛，并取得一等奖近20项、二等奖10余项的好成绩。本文分析了机器人竞赛对于教学改革的积极意义，提出以机器人竞赛为目的的实践创新教学体系，并得到良好的教学效果。

一、国内外赛事

目前，国际上的各类机器人竞赛大多自上世纪末兴起，历经近二十年的发展，已成为了综合性教育改革的新力量。近年来，国内的机器人竞赛也在迅速开展，旨在推动机器人技术发展，培养学生的综合创新能力，并取得了良好的效果。国内、国际上一些影响较大的机器人竞赛包括以下几项。

1.机器人足球竟赛。机器人足球竞赛需要由若干机器人组成队伍，通过机器人之间的互相通信、配合，协同进行比赛。目前，国际上最具影响力的两个机器人足球赛事组织为：FIRA国际机器人足球联合会和ROBOTCUP国际机器人足球世界杯赛。

2. 机器人灭火竞赛。机器人灭火竞赛最早是由Jack Mendelssohn教授在1994年提出，该竞赛模拟机器人在一套四室一厅的房间内进行灭火，要求参赛的机器人在尽可能短的时间内熄灭房间中随机放置的蜡烛。目前，机器人灭火竞赛已成为全球最普及的智能机器人竞赛之一。

3.亚太大学生机器人大赛。亚太大学生机器人大赛始于2002年，由亚洲太平洋地区广播电视联盟发起，每年举办一次，已成功举办13届。大赛主要面向包括中国、日本、韩国、新加坡、泰国和印度尼西亚等国家和地区的在校大学生，着力培养学生的科技创新能力。

4.飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛。飞思卡尔杯全国大学生智能汽车竞赛是教育部为提高我国大学生创新实践能力、团队协作精神，委托高等学校自动化专业教学指导委员会主办的机器人竞赛。大赛2006年首度举办，分为竞速赛与创意赛两类。另外，国内还举办有中国机器人大赛、全国机器人大赛、广茂达杯中国智能机器人大赛等赛事，旨在为RoboCup公开赛、FIRA世界杯机器人大赛以及国际机器人灭火竞赛的中国赛区选拔优秀的队伍。

二、机器人竞赛促进学生能力培养

机器人技术是一项涉及人工智能、机械工程、自动控制、传感技术等多领域的综合性学科。智能技术的迅速发展，也为机器人竞赛提供了越来越完善的平台。学生通过参加机器人竞赛，能够提高学科综合能力，培养实践创新 ッ能力以及团队协作能力。

1.机器人竞赛与创新能力的培养。创新人才的培养是建设创新型国家的关键，本科教育则是培养创新型人才的重要阶段[2]。教育部《关于实施高等学校本科教学质量与教学改革工程的意见》中强调：要大力加强实践教学改革，推进高校实践教学模式的改革与创新，促进学生自主创新兴趣和能力的培养，激发大学生的兴趣和潜能，培养大学生的团队协作意识和创新精神。在我国⚥传统本科教学体系中，通过教师授课是学生获取知识最普遍的渠道，与此同时，考试成绩也成为教师检验学生知识掌握情况的唯一方法。目前，随着社会对于人才要求的不断提高，实践能力受到了越来越多的重视，各高校广泛开设工程训练相关课程以提高学生的实践动手能力。然而，笔者在辅导我校工程训练中心电工电子基础课程时发现，学生在传统教学体系中缺少的并不仅仅是实践动手能力，更重要的是创新能力。创新能力是指运用已掌握的知识和理论，在科学、技术及各类实践活动中，不断提出具有社会价值、经济价值的新思想、新方法和新发明的能力。机器人竞赛为大学生创新能力的培养提供了一个很好的平台：①首先，在机器人竞赛中，一般仅给定比赛目标和规则，学生需要从底层算法、硬件设备、机器人外观等逐个设计和调试。在这个从无到有的过程中，每一阶段都要求学生提出自己的解决方案，很好地培养了学生的创新思维能力;②机器人竞赛内容极具趣味性和可观赏性，大大增强了学生的学习兴趣和学习主动性。相对于传统的以教师为主的教学模式而言，以竞赛促进教学的模式更加以学生为主导，也更容易培养学生的创新思维;③采用竞赛形式，具有一定竞技性，一般要求各参赛队从策略、技巧和时间三个方面进行比赛，这就要求学生在备赛过程中不拘于传统思维的束缚，勇于创新。

2.机器人竞赛与综合能力的培养。机器人竞赛一般由学生自由组队ญ参加，并根据自身兴趣爱好、专业方向等选择参赛题目，每个参赛题目往往涉及多个学科，需要学生能够灵活应用所学知识，并与其他专业同学协作、沟通共同完成。在此过程中，不仅大大提高了学生的创新能力，同时提高了其他综合能力[4-6]：①学生在确定题目后首先需要通过书籍、文献、网络等多种方式收集相关资料，并结合所学知识进行分析，形成初步方案。这个阶段提升了学生对于信息的获取能力以及综合分析能力;②在机器人制作过程中，学生需要亲自动手操作，将自己的想法付诸实践，并在实际操作中不断发现问题并解决问题。在这个阶段中提升了学生的动手实践能力;③机器人的制作大多涉及多个学科，需要学生通过团队的沟通、合作，最终达到目标，这大大增强了学生的团队沟通、协作能力;④在机器人竞赛中，除了制作机器人对于学生的考验，还会遇到一些其他问题。如在正式比赛时参赛机器人常会由于场地、灯光等问题出现误差，这就需要学生根据现场进行快速的调试，这锻炼了学生的逻辑思维及临场应变能力;另外，有的比赛项目需要向评审老师讲解参赛机器人的原理、创新点等，这也锻炼了学生的语言表达能力。

三、机器人技术实践创新教学体系

机器人实践创新教学体系是以机器人竞赛为目标而开展的一系列教学活动，主要分为三个部分，如图1所示。

第一阶段主要进行基础课程的学习。我校工程训练中心自2011年起开设机器人技术选修课程，课程面向全校学生，共16课时，主要包括机器人演示实验、机器人技术基础知识。通过机器人技术选修课程的学习，学生可以了解到机器人ϟ技术的基本概念，并掌握一些基础知识，达到机器人技术的入门水平。最后，通过学生自身意愿和教师的筛选，进入第二阶段的学习。

第二阶段主要在我校工程训练中心下设的创新班进行学习。西安科技大学创新班成立于2004年，为开放性实验室，采用模拟公司制度进行自主化管理，师徒培训制进行学习。通过学生之间的师徒式学习，让每个学生以自己可以理解的方式传授给徒弟，在互相沟通、交流中不断提高。通过这一阶段的学习，学生能够基本掌握机器人技术，并且可以独立承担机器人制作中的特定环节。

第三阶段为实战训练。在学生基本掌握机器人技术后，通过一些竞赛形式的项目让学生熟悉整个比赛流程，提前了解比赛中可能出现的问题，发现自身相对薄弱的环节并加强学习。通过以上实践教学体系的学习，学生已经能够很好地掌握机器人技术，并熟悉机器人竞赛流程。最后，由教师挑选的优秀队伍参加正式的机器人竞赛。我校自2010年第一届中科欧鹏杯中国机器人大赛以来，连续4年参赛，并取得一等奖近20项、二等奖10余项的好成绩。实践教学证明，机器人技术实践创新教学体系有着良好的教学效果。

随着现代化教学理念的不断更新，各类学科竞赛不断开展，机器人竞赛已经成为教学改革的新力量。本文首先列举了国内外规模较大的机器人竞赛，分析了机器人竞赛对于现代教学改革的推进作用。随着机器人竞赛活动的开展，激发学生浓厚的学习兴趣，培养学生创新实践能力、团队协作能力以及其他综合能力。最后，本文提出了以机器人竞赛为目的的实践创新教学体系，该教学体系收到了良好的教学效果。