機器人在大學(xué)生創(chuàng)新方面的應(yīng)用研究

肖珊　蘇發(fā)

摘? 要：基于當(dāng)代大學(xué)生缺乏創(chuàng)新思維及創(chuàng)新所需的多元能力，且機器人作為教學(xué)輔助工具已逐漸被教育界所認(rèn)可，將機器人應(yīng)用于培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新方面的能力成為一個新的研究目標(biāo)。本文以Tyran移動機器人為例，提出“學(xué)中思、用中學(xué)、賽中促創(chuàng)新”的模式，首先，簡單介紹機器人的相關(guān)結(jié)構(gòu)、功能，并進(jìn)一步了解涉及的知識面;其次，提出注重理論與實踐的平衡和保持對生活的思考;最后，采用小組合作共建創(chuàng)新氛圍，通過參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類的比賽促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新。學(xué)生在此模式中，獲得學(xué)習(xí)的主動性，拓寬所學(xué)知識的深度與廣度，激發(fā)創(chuàng)新思維和提高相應(yīng)的能力，成為新一代創(chuàng)新型人才。

關(guān)鍵詞：機器人 創(chuàng)新 大學(xué)生教育 學(xué)科交叉

中圖分類號：TP242;G717.38 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）06（c）-0155-04

Abstract： In view of the fact that contemporary college students lack innovative thinking and multiple abilities required for innovation， and robots have been gradually recognized by the educational circles as teaching aids. On this basis， the application of robots to cultivate college students' innovation ability has become a new research goal. Taking Tyran mobile robot as an example， this paper puts forward the mode of "thinking while learning， using middle school and promoting innovation during competition". Firstly， it briefly introduces the relevant structure and function of the robot， and further understands the knowledge involved; secondly， it puts forward that we should pay attention to the balance between theory and practice and keep thinking about life; finally， group cooperation is adopted to build an innovation atmosphere and promote students' innovation by participating in innovation and entrepreneurship competitions. In this mode， students gain the initiative of learning， broaden the depth and breadth of knowledge， stimulate innovative thinking and improve corresponding ability， and become a new generation of innovative talents.

Key Words： Robot; Innovation; College student education; Interdisciplinary

隨著科技迅速發(fā)展，社會處于日新月異的狀態(tài)，創(chuàng)新能力成為一個國家或個人發(fā)展綜合能力與提高核心競爭力的關(guān)鍵性要素。當(dāng)今應(yīng)試教育下任何問題都有參考答案，培養(yǎng)的青少年已然形成固態(tài)思維，缺乏創(chuàng)新思維與必備能力，從而無法掌握核心技術(shù)，創(chuàng)新型人才儲備不足。21世紀(jì)以來，新一代信息技術(shù)的出現(xiàn)并迅速發(fā)展應(yīng)用，《全球人工智能產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)報告》通過采集到的數(shù)據(jù)表明，中國在人工智能企業(yè)的數(shù)量與融資規(guī)模上僅次于美國位居第二，《中國新一代人工智能發(fā)展報告2019》指出了中國已成為全球發(fā)表有關(guān)人工智能的論文數(shù)量最高的國家，機器人作為人工智能的一個重要載體，其在教育方面的部分潛力被挖掘并逐漸得到認(rèn)可。因此，如何將機器人巧妙地與教育結(jié)合來培養(yǎng)創(chuàng)新型人才成為新的發(fā)展方向。

國內(nèi)外對機器人進(jìn)入教育領(lǐng)域持積極態(tài)度，根據(jù)各自的教育發(fā)展情況探索適合的教育方案，將有關(guān)人工智能的內(nèi)容編入到大、中、小學(xué)生的課程中，我國的許多教育工作者響應(yīng)國家號召，把一些簡單的機器人課程應(yīng)用于中、小學(xué)階段。比如：張智軍[1]等人從中、小學(xué)生科技創(chuàng)新能力的需求出發(fā)，構(gòu)建相應(yīng)的培養(yǎng)模型并制定標(biāo)準(zhǔn)體系，通過技術(shù)體驗從而培養(yǎng)科學(xué)觀念態(tài)度、思維以及科學(xué)實踐能力;孫琪[2]則根據(jù)小學(xué)教育要求與小學(xué)生的心理發(fā)展趨勢，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分工合作和簡單的操作，并對他們的成果給予評價與鼓勵;王晶京[3]針對課堂缺乏系統(tǒng)的理論研究等問題，采用提高課堂氛圍、參與度和鼓勵質(zhì)疑三方面達(dá)到解決的效果。但利用機器人培養(yǎng)高校大學(xué)生創(chuàng)新方面能力的教育方案相對欠缺，因此如何高效利用機器人使大學(xué)生固化的思維得以轉(zhuǎn)變成為時代難題。

本文利用已有的機器人材料制訂相應(yīng)的教育方案，不僅能夠滿足信息技術(shù)基礎(chǔ)教育建設(shè)和發(fā)展的需求，而且針對大學(xué)生的多學(xué)科知識學(xué)習(xí)構(gòu)建“學(xué)中思”的模式，幫助學(xué)生進(jìn)一步提高創(chuàng)新意識和培養(yǎng)創(chuàng)新思維，增強其發(fā)現(xiàn)問題、處理問題的能力。

1? 認(rèn)識機器人

緊跟時代發(fā)展，高校于近幾年不斷地增設(shè)一些新興專業(yè)，其中與人工智能相關(guān)的專業(yè)不在少數(shù)。新增專業(yè)的人才培養(yǎng)方案還不完善，即使機器人具備一些仿生的功能，具有感知、規(guī)劃動作、協(xié)同作用從而實現(xiàn)高度靈活動作等功能，學(xué)生仍然無法真正了解機器人的結(jié)構(gòu)與功能，從而只能機械地按照其說明書進(jìn)行簡單操作，這對大學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)與創(chuàng)新能力的提升不利。本文將以學(xué)校機器人開放實驗室的Tyran移動機器人為例，簡單介紹機器人的基本結(jié)構(gòu)與具有的功能。

1.1 基本結(jié)構(gòu)

Tyran移動機器人平臺采用系統(tǒng)式控制方式，其中通過機載PC完成相關(guān)的數(shù)據(jù)采集與算法處理，然后交由控制系統(tǒng)實現(xiàn)機器人運動的控制并采用模塊化結(jié)構(gòu)，使用者可根據(jù)自己的需求進(jìn)行更換和添加其他模塊，使其擁有不同功能，能夠在一定程度上開發(fā)學(xué)生思維。

其中電機驅(qū)動模塊與輪轂電機能夠提供所需的動力，使機器人完成移動的動作和實現(xiàn)其他功能成為可能;WiFi通信模塊控制著機器人網(wǎng)絡(luò)部分以判斷是否可以正常工作;機載PC則對所得的信息進(jìn)行處理，然后發(fā)出指令讓其他部分結(jié)構(gòu)配合，保證機器人系統(tǒng)有序運行;所搭載的相機通過機器視覺實現(xiàn)對外界感知;激光雷達(dá)和超聲波模塊計算物體位置信息，實現(xiàn)物體感知;姿勢傳感模塊是運動時對自身姿勢進(jìn)行分析發(fā)出相應(yīng)信號保證機身穩(wěn)定。

1.2 涉及知識面廣泛，功能強大

機器人融合多個學(xué)科，涵蓋多方面知識，實現(xiàn)通過機器算法使機器人具有移動避障、軌跡規(guī)劃、位置標(biāo)定、智能分類等功能。具體從機械部分、機器視覺和機器學(xué)習(xí)三方面進(jìn)行介紹。

機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要考慮到承重情況、兩個自由節(jié)之間的連接方式、材料的選擇和美觀需求，包含了力學(xué)、工程材料學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和美學(xué)等多個領(lǐng)域，即需要根據(jù)不同功能選擇合適的結(jié)構(gòu)，對材料進(jìn)行選擇以滿足使用的要求和適應(yīng)所處的環(huán)境。且針對專用機器人對這些條件要求更為苛刻，從而需要涉及的知識面會更加廣泛以得到最佳的裝置配件，讓它們可處于復(fù)雜的環(huán)境，同時高效完成自己的任務(wù)。

機器視覺應(yīng)用于生活的各個方面，可實現(xiàn)識別、追蹤和分類等功能。比如：圖像修復(fù)算法使破損的圖像通過偏微分方程、部分卷積[4]和對抗網(wǎng)絡(luò)等建立不同模型等進(jìn)一步估計該區(qū)域的信息以達(dá)到修復(fù)效果;圖像增強算法采用自適應(yīng)直方圖均衡化[5]、二值變換等算法對圖像進(jìn)行處理，實現(xiàn)對比度增加、清晰度提高和圖像噪聲減少的目標(biāo)，獲取有效的圖像信息。

機器學(xué)習(xí)是通過對自身已有的數(shù)據(jù)與知識進(jìn)行學(xué)習(xí)實現(xiàn)知識交融與技能的補充。比如：Tyran機器人中通過統(tǒng)計梯度對某一特征點進(jìn)行提取，可應(yīng)用于圖像實現(xiàn)圖像的智能檢索與分類;通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等實現(xiàn)自身訓(xùn)練，學(xué)習(xí)一些規(guī)律，得到接近期望的結(jié)果。

2? 機器人應(yīng)用于教學(xué)

早期采用“教師講、學(xué)生記”的傳授式教學(xué);“學(xué)習(xí)、記憶加以理解、做出判斷”的程序式教學(xué);“教師做前期準(zhǔn)備并總結(jié)，指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用”的階段式教學(xué)。這些教學(xué)模式下，學(xué)生缺失主體性被動接受知識。后期采用的實用主義教學(xué)模式，忽視基礎(chǔ)知識的重要性，過于強調(diào)經(jīng)驗。參考以往教學(xué)特點，提出一種利用機器人形成“學(xué)中思、用中學(xué)、賽中促創(chuàng)新”的模式。

2.1 理論與創(chuàng)新實踐相結(jié)合

鐘柏昌[6]等人發(fā)現(xiàn)教育有側(cè)重的趨向，只針對學(xué)科本位教學(xué)，教學(xué)單一缺乏課程整合滿足不了學(xué)生發(fā)展的需求，且絕大多數(shù)高等學(xué)校缺乏包容性和跨學(xué)科性，側(cè)重培養(yǎng)應(yīng)用型人才而非創(chuàng)新型人才。李克強總理在2021年全國兩會上對青少年說道：要注意加強基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，打牢基本功和培育創(chuàng)新能力是并行不悖的，把基礎(chǔ)打牢了，將來可以觸類旁通，行行都可以精彩。理論支撐創(chuàng)新實踐，理論證明實踐創(chuàng)新。

在課堂中，教師借助機器人將一些抽象復(fù)雜的技術(shù)原理具體生活化，通過七自由度實驗，學(xué)習(xí)控制機械臂的軌跡規(guī)劃、簡單運動、碼垛等動作，同時將正逆運動學(xué)和三次樣條等知識點融入實驗中，在一定程度為學(xué)生更好地理解技術(shù)提供良好的平臺。每個學(xué)生均可結(jié)合自身特點利用機器人[7]的某個特定部件或功能激發(fā)自己學(xué)習(xí)興趣，如Tyran機器人還能實現(xiàn)什么功能？通過組裝所需要的創(chuàng)新模塊創(chuàng)新意識，增強動手能力。同時，在使用過程中，可以通過互聯(lián)網(wǎng)獲取相關(guān)機器人部件等的資料并利用，比較不同的機器人，并針對現(xiàn)有機器人，通過類比、組合思維等進(jìn)行新一輪的創(chuàng)新，獲得自主創(chuàng)新能力[8]。

在生活中，做一個關(guān)注時事以觀外界變化的人，了解當(dāng)今或未來的社會需求，不放過任何一個能夠培養(yǎng)自己創(chuàng)新思維的機會;多觀察身邊的事物，將平時常見的事物通過聯(lián)想、仿生、運用、延伸等思維，并利用機器人的包容性嘗試創(chuàng)造新的事物。

2.2 營造小組合作創(chuàng)新氛圍

僅限少部分學(xué)機械、機器人、人工智能等專業(yè)的學(xué)生才可接觸機器人設(shè)備是一種資源浪費，機器人作為學(xué)科交叉的產(chǎn)物，其他專業(yè)的學(xué)生的加入可以起到激發(fā)學(xué)生的發(fā)散性思維的作用，學(xué)生與和自己學(xué)習(xí)方向相同的同學(xué)一起學(xué)習(xí)討論，并與其他學(xué)習(xí)方向的同學(xué)進(jìn)行合作，能更好地實現(xiàn)教學(xué)相長，當(dāng)萌生想法時，與其他學(xué)生進(jìn)行合作交流，同時又各司其職。如此一來，可以提高學(xué)生創(chuàng)新所需要的團(tuán)隊合作精神、交流能力和實際操作能力等。

2.3 提供創(chuàng)新平臺，總結(jié)創(chuàng)新成果

國家、省份和學(xué)校組織的專項創(chuàng)新比賽[9]，教師提供相關(guān)比賽資訊，如互聯(lián)網(wǎng)+、挑戰(zhàn)杯等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽，且秉持多學(xué)科融合、由點及面的原則，組織多元化、開放性競賽吸引學(xué)生參加[10]。學(xué)生在備賽過程，培養(yǎng)清晰的思路并考慮多方面因素以確保自己的創(chuàng)新點能夠得以更好的體現(xiàn)，加上指導(dǎo)教師所提出的參考建議，從而進(jìn)一步提升學(xué)生的綜合設(shè)計能力以作好充足的準(zhǔn)備;在競賽過程，進(jìn)行可行度分析并共同研究所提問題的解決方案。全面提高創(chuàng)新能力、增強自信心和強化團(tuán)隊協(xié)作精神，實現(xiàn)大學(xué)生的能力全方位發(fā)展。

總結(jié)創(chuàng)新成果也是非常重要的，查閱資料[11]并吸收更多理論知識幫助創(chuàng)新活動正常進(jìn)行;且創(chuàng)新完成后，及時總結(jié)整理以形成自己的論文或?qū)＠瘸晒?/p>

3? 結(jié)語

本文主要是針對即將踏入社會的主力軍——大學(xué)生缺乏創(chuàng)新思維與創(chuàng)新所需要的多元能力的問題，結(jié)合機器人的優(yōu)勢提出打破傳統(tǒng)的教學(xué)模式的“學(xué)中思、用中學(xué)、賽中促創(chuàng)新”的新模式。

該模式下，首先介紹機器人系統(tǒng)組件的基本結(jié)構(gòu)與功能，使學(xué)生對機器人有個初步的認(rèn)識，增強學(xué)生的興趣;其次，以機器人為媒介，物化一些抽象的知識點以使之更容易融入課堂與生活中，加上機器人本身所涉及面廣泛，對打牢與拓寬學(xué)生的基礎(chǔ)知識很有幫助，小組制進(jìn)行學(xué)習(xí)合作體現(xiàn)了教學(xué)相長的優(yōu)勢，能夠全面提高多元能力;最后，通過比賽等方式讓學(xué)生對創(chuàng)新有信心，不斷進(jìn)行創(chuàng)新并實現(xiàn)自主創(chuàng)新。

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