基于機(jī)器人競(jìng)賽的學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)實(shí)踐研究

李修寒，朱松盛，段 磊，王 偉

（南京醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與信息學(xué)院 江蘇 南京 211166）

當(dāng)今世界，新一輪科技創(chuàng)新進(jìn)入空前密集活躍的時(shí)期，學(xué)科之間、科學(xué)和技術(shù)之間、技術(shù)之間、自然科學(xué)和人文社會(huì)科學(xué)之間日益呈現(xiàn)交叉融合趨勢(shì)，促使高等教育方式方法發(fā)生深刻變革。在新工科背景下，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)作為多學(xué)科交叉融合的典型代表，在豐富創(chuàng)新人才培養(yǎng)方式、拓展理論向?qū)嵺`轉(zhuǎn)化途徑等方面具有先天優(yōu)勢(shì)。自南京醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)成立至今，在學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)方面，構(gòu)建并探索實(shí)施了“多元認(rèn)知，貫通實(shí)踐，深度拓展”三維模塊化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)體系。該專業(yè)依托大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐教育中心平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生參與各類科技競(jìng)賽。在各類科技競(jìng)賽中，機(jī)器人競(jìng)賽因具有各種層次難度級(jí)別，為不同學(xué)校、學(xué)生提供了更多選擇的機(jī)會(huì)。立足不同專業(yè)、年級(jí)，選擇適合的機(jī)器人項(xiàng)目，既激發(fā)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性和學(xué)習(xí)熱情，又推動(dòng)學(xué)生創(chuàng)新能力的提高。本文針對(duì)近年來機(jī)器人競(jìng)賽組織、培訓(xùn)等經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，探索如何通過機(jī)器人競(jìng)賽促進(jìn)知識(shí)融合、進(jìn)行創(chuàng)新能力培養(yǎng)實(shí)踐研究。

1 結(jié)合機(jī)器人競(jìng)賽，促進(jìn)知識(shí)融合，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

傳統(tǒng)重理論、輕實(shí)踐的教學(xué)模式，造成了學(xué)生所學(xué)課程知識(shí)相互割裂，知識(shí)相互難融合，從而抑制了學(xué)生創(chuàng)新能力的提升。在新工科交叉融合創(chuàng)新的背景下，如何根據(jù)生物醫(yī)學(xué)工程人才培養(yǎng)方案、課程體系，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力成為當(dāng)前教學(xué)研究的一個(gè)重要課題。機(jī)器人競(jìng)賽由于涉及學(xué)科知識(shí)、能力、素質(zhì)較多，需要多學(xué)科、跨專業(yè)的學(xué)習(xí)以及良好的專業(yè)素質(zhì)和心理素質(zhì)支撐。扎實(shí)的理論知識(shí)和實(shí)踐知識(shí)積累以及個(gè)人能力和團(tuán)隊(duì)合作能力的搭配，使得機(jī)器人競(jìng)賽成為促進(jìn)學(xué)生知識(shí)融合、培養(yǎng)創(chuàng)新能力的載體，如圖1 所示。

1.1 促進(jìn)多學(xué)科知識(shí)融合和跨專業(yè)能力培養(yǎng)

機(jī)器人競(jìng)賽包含較多類別和項(xiàng)目，以江蘇省大學(xué)生機(jī)器人大賽為例，其涵蓋?？疹?、對(duì)抗類、工程類、健康服務(wù)與智慧城市類、競(jìng)技運(yùn)動(dòng)類和其他類型6 個(gè)大類共34 個(gè)項(xiàng)目。每個(gè)項(xiàng)目考察領(lǐng)域各有側(cè)重點(diǎn)，除了涉及數(shù)學(xué)、物理、機(jī)械、計(jì)算機(jī)等常規(guī)課程知識(shí)，往往還涉及人工智能、電子技術(shù)、傳感器、自動(dòng)控制與規(guī)劃、圖像識(shí)別與處理、無線通信等一系列新技術(shù)。學(xué)校以機(jī)器人競(jìng)賽為平臺(tái)，立足具體賽項(xiàng)，以互動(dòng)交流、個(gè)人自學(xué)、教師培訓(xùn)指導(dǎo)等與具體實(shí)踐相結(jié)合，幫助學(xué)生獲得多學(xué)科知識(shí)的融合和跨專業(yè)能力的提升，從而進(jìn)一步提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

1.2 促進(jìn)專業(yè)素質(zhì)和心理素質(zhì)的提升

機(jī)器人競(jìng)賽不單對(duì)學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)有著很高的要求，還考驗(yàn)著學(xué)生的心理素質(zhì)。在機(jī)器人競(jìng)賽培訓(xùn)期間，學(xué)生需要通過學(xué)習(xí)比賽項(xiàng)目所需的各項(xiàng)專業(yè)理論知識(shí)提高自身的專業(yè)素質(zhì)，只有具備了相關(guān)專業(yè)素質(zhì)，才能在機(jī)器人構(gòu)建過程中具備正確認(rèn)識(shí)問題、解決問題的能力，才能不斷完善機(jī)器人的功能。由于機(jī)器人競(jìng)賽培訓(xùn)周期長(zhǎng)，在培訓(xùn)期間除了需要克服在解決專業(yè)問題期間的心理浮動(dòng)，還要克服外界因素的影響，這使學(xué)生心理素質(zhì)得到較好的鍛煉。此外，在機(jī)器人比賽期間，比賽現(xiàn)場(chǎng)機(jī)具緊張性，學(xué)生只有具備了專業(yè)素質(zhì)和心理素質(zhì)才能在現(xiàn)場(chǎng)靈活處理各種問題，通過對(duì)比多屆學(xué)生發(fā)現(xiàn)，參加過機(jī)器人競(jìng)賽的學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和心理素質(zhì)均得到了很大的提升。

1.3 促進(jìn)理論知識(shí)與實(shí)踐知識(shí)的融合

理論知識(shí)的掌握需要實(shí)踐來驗(yàn)證，而實(shí)踐的開展則以理論知識(shí)為依托，兩者相輔相成，缺一不可。由于傳統(tǒng)教育中實(shí)踐知識(shí)的缺乏，學(xué)生在處理實(shí)際問題時(shí)無從下手、猶豫不決，失去解決問題的自信心。機(jī)器人競(jìng)賽作為既需要理論知識(shí)又需要實(shí)踐知識(shí)的競(jìng)賽活動(dòng)，對(duì)促進(jìn)學(xué)生理論知識(shí)與實(shí)踐知識(shí)的相互融合起到了極大的幫助。學(xué)生全程參與其中，不只學(xué)會(huì)了查閱資料、自主學(xué)習(xí)，提高了分析問題、解決問題的能力，還學(xué)會(huì)了綜合設(shè)計(jì)、系統(tǒng)優(yōu)化，使得理論知識(shí)、實(shí)踐知識(shí)和理論聯(lián)系實(shí)踐的能力得到了進(jìn)一步提升，做到了從單一學(xué)習(xí)方法到思維方式的轉(zhuǎn)變，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起著決定性作用。

1.4 促進(jìn)個(gè)人能力和團(tuán)隊(duì)合作能力的同步提升

由于機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)目的復(fù)雜性，即便個(gè)人能力很強(qiáng)的學(xué)生往往也無法完成全部的工作及任務(wù)，因此機(jī)器人競(jìng)賽基本以團(tuán)隊(duì)形式參賽。在機(jī)器人競(jìng)賽參賽過程中，個(gè)人需要全身心投入其中，通過學(xué)習(xí)機(jī)械構(gòu)造、傳動(dòng)、無線通信、傳感器、編程等知識(shí)補(bǔ)足短板。對(duì)于多種多樣的知識(shí)，不同學(xué)生學(xué)習(xí)各有側(cè)重，從大方向上可分為硬件和軟件兩個(gè)類別，為了團(tuán)隊(duì)之間合作的通暢，負(fù)責(zé)硬件部分的學(xué)生除了要對(duì)硬件了如指掌，還要對(duì)軟件有初步的掌握，負(fù)責(zé)軟件部分的學(xué)生亦然。只有這樣，才能在知識(shí)體系中架起溝通的橋梁，才能順暢實(shí)施方案，完成整體的架構(gòu)。團(tuán)隊(duì)合作不單體現(xiàn)在知識(shí)、能力層面，保持輕松愉快的團(tuán)隊(duì)氛圍，也體現(xiàn)在人與人溝通交流、情商層面。通過機(jī)器人競(jìng)賽，學(xué)生個(gè)人能力和團(tuán)隊(duì)合作能力在競(jìng)賽期間得到了極大的提升。

圖1 機(jī)器人競(jìng)賽促進(jìn)知識(shí)融合、培養(yǎng)創(chuàng)新能力

2 結(jié)合機(jī)器人競(jìng)賽，構(gòu)建穩(wěn)定的組織體系

在醫(yī)學(xué)院校中，生物醫(yī)學(xué)工程作為其中極少數(shù)的工科專業(yè)，在組織機(jī)器人競(jìng)賽過程中會(huì)遇到更多的問題和困難，表現(xiàn)為學(xué)校的重視程度相對(duì)不夠、可選拔參賽的學(xué)生人數(shù)和學(xué)生能力水平有限。學(xué)校的重視程度直接影響著經(jīng)費(fèi)的支持力度，機(jī)器人競(jìng)賽同其他科技競(jìng)賽相比，對(duì)經(jīng)費(fèi)的支持保障力度要求更高，因此，學(xué)校教務(wù)部門的支持對(duì)順利開展機(jī)器人競(jìng)賽至關(guān)重要。

機(jī)器人競(jìng)賽組織過程涉及比賽項(xiàng)目的選擇、人員選拔安排、培訓(xùn)等環(huán)節(jié)。機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)目的選擇應(yīng)充分考慮參賽學(xué)生的潛在最大能力范圍以及學(xué)生各項(xiàng)能力是否全面。除此以外，專業(yè)涉及課程知識(shí)和相關(guān)費(fèi)用預(yù)算也要綜合考慮。南京醫(yī)科大學(xué)在前幾屆組織學(xué)生參賽的過程中，充分考慮經(jīng)費(fèi)預(yù)算的不足和學(xué)生、指導(dǎo)教師參賽經(jīng)驗(yàn)的匱乏，在學(xué)生組隊(duì)安排上，以一位研究生為隊(duì)長(zhǎng)，三、四年級(jí)本科學(xué)生為隊(duì)員，組成5 人的隊(duì)伍。隨著比賽項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的累積以及學(xué)校、學(xué)院經(jīng)費(fèi)支持力度的增加，隊(duì)員逐漸變?yōu)橐远昙?jí)本科生為主體，輔以個(gè)別一年級(jí)或其他非工科專業(yè)，一年級(jí)本科生雖在第一次參賽過程中為輔助角色，但可以在第二年參賽中憑借其擁有的經(jīng)歷和經(jīng)驗(yàn)，充當(dāng)主力或隊(duì)長(zhǎng)角色，從而實(shí)現(xiàn)承接作用?，F(xiàn)如今，經(jīng)過多年的累積，不斷弱化指導(dǎo)教師在競(jìng)賽中的角色，實(shí)現(xiàn)以參賽隊(duì)員為主體，通過相關(guān)能力、素質(zhì)的提高，充分主導(dǎo)競(jìng)賽進(jìn)程，指導(dǎo)教師只在學(xué)生選拔、培訓(xùn)前期以及經(jīng)費(fèi)保障上提供支持。

機(jī)器人競(jìng)賽的規(guī)則每年會(huì)有不同程度的調(diào)整，但不管調(diào)整幅度大小，都本著培養(yǎng)學(xué)生、鍛煉學(xué)生的目的。往屆機(jī)器人所有硬件結(jié)構(gòu)都將拆散到最小單元，所有軟件程序都將重新編寫。在拆散硬件結(jié)構(gòu)過程中，學(xué)生可以學(xué)習(xí)借鑒往屆比賽中優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，后期在此基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化。只有這樣，才能既實(shí)現(xiàn)比賽經(jīng)驗(yàn)的傳承，又實(shí)現(xiàn)學(xué)生能力的培養(yǎng)。

隨著參賽經(jīng)驗(yàn)的累積和機(jī)器人項(xiàng)目的不斷發(fā)展，在比賽項(xiàng)目的選擇上由一個(gè)項(xiàng)目向多個(gè)項(xiàng)目參賽的轉(zhuǎn)變，以江蘇省大學(xué)生機(jī)器人大賽為例，參賽項(xiàng)目由單獨(dú)對(duì)抗類項(xiàng)目向?qū)诡惣痈?jìng)技運(yùn)動(dòng)類項(xiàng)目轉(zhuǎn)變。

3 結(jié)語

自2015 年首次參加江蘇省大學(xué)生機(jī)器人大賽以來，南京醫(yī)科大學(xué)陸續(xù)組織學(xué)生參加了中國(guó)機(jī)器人技能大賽、中國(guó)教育機(jī)器人大賽。截至2021 年底，學(xué)校共組織27 支學(xué)生團(tuán)隊(duì)參加機(jī)器人競(jìng)賽，獲得一等獎(jiǎng)9 項(xiàng)，二等獎(jiǎng)11 項(xiàng)，三等獎(jiǎng)7 項(xiàng)，并有兩位指導(dǎo)教師獲得優(yōu)秀指導(dǎo)教師的榮譽(yù)稱號(hào)。通過機(jī)器人競(jìng)賽，學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力得到了提高，促進(jìn)了知識(shí)相互融合，提高了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。在培養(yǎng)學(xué)生的過程中，教師的專業(yè)技術(shù)能力也得到了很大程度的提高，實(shí)現(xiàn)了師生的共同進(jìn)步。