王梅娟 張海濤 盧 涌 楊藝斌

（1 陸軍工程大學(xué)指揮控制工程學(xué)院，南京，210007；2 陸軍工程大學(xué)國防工程學(xué)院，南京，210007）

0 引言

創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂，沒有創(chuàng)新能力的民族，難以屹立于世界先進民族之林；創(chuàng)新是軍隊進步的靈魂，一支沒有創(chuàng)新能力的軍隊，難以立于不敗之地。軍事院校人才培養(yǎng)的總體目標明確“學(xué)生要具有較強的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新思維能力和實踐能力”，足見創(chuàng)新是新型軍事人才的主要特征，因此，在軍隊干部隊伍中培養(yǎng)高水平的軍事人才，成為軍事院校普遍關(guān)注的焦點。

本文著眼于創(chuàng)新型軍事人才培養(yǎng)，以創(chuàng)新人才教育為導(dǎo)向，以俱樂部為平臺，以國際水中機器人大賽為牽引，探索實施以“三環(huán)三層”教學(xué)為主要內(nèi)容的仿生機器人創(chuàng)新教育教學(xué)模式。該模式不僅有效彌補了在傳統(tǒng)課堂教學(xué)環(huán)境下，不能為學(xué)員提供理想的、綜合的實踐平臺的不足，而且充分激發(fā)了學(xué)員內(nèi)在的創(chuàng)新動力，發(fā)揮學(xué)員聰明才智，提高學(xué)員自主實踐能力，為學(xué)員創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供良好的土壤，對大學(xué)教學(xué)改革和學(xué)員個人能力培養(yǎng)具有重要的意義和作用。

1 創(chuàng)新教學(xué)目標

陸軍工程大學(xué)在貫徹落實“創(chuàng)新力教育訓(xùn)練計劃”的過程中，具體實施“著重通過畢業(yè)論文（設(shè)計）、綜合實踐等環(huán)節(jié)，以及課外科技創(chuàng)新、學(xué)科競賽、學(xué)術(shù)交流、信息技能競賽、參與科研訓(xùn)練等系列活動，進一步強化和培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新素養(yǎng)和信息素養(yǎng)，促進學(xué)生創(chuàng)新精神、批判性思維和創(chuàng)造性解決實際問題能力的形成和提升”，且開展科技創(chuàng)新俱樂部活動和參加機器人大賽是實施該計劃的明確要求。筆者在陸軍工程大學(xué)機器人俱樂部的建設(shè)和活動開展過程中，不斷探索軍隊院校轉(zhuǎn)型條件下創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)模式，積極研究并解析教學(xué)中存在的突出問題。

1.1 學(xué)習(xí)能力問題

在學(xué)習(xí)過程中，絕大多數(shù)學(xué)生是想學(xué)、愿學(xué)，但是不知道該學(xué)什么、怎樣學(xué)，以及學(xué)了有什么用，這一點在基礎(chǔ)教學(xué)集中階段的學(xué)生身上反映明顯。

1.2 理論與實踐創(chuàng)新相結(jié)合的問題

新的人才培養(yǎng)方案中，陸軍工程大學(xué)針對指揮類合訓(xùn)學(xué)員開設(shè)了機械類和電子類工程技術(shù)基礎(chǔ)課程。而機器人技術(shù)融合了機械、電子、傳感器、程序設(shè)計等多個領(lǐng)域的知識，能夠有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、創(chuàng)造性和內(nèi)在潛能，并將學(xué)生課堂所學(xué)的多方面知識綜合運用于實踐之中。

1.3 創(chuàng)新型人才的選拔和培養(yǎng)問題

如何選拔創(chuàng)新型人才，實施創(chuàng)新性教學(xué)，實現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自主創(chuàng)新，并由典型示范作用影響和帶動全體學(xué)生共同學(xué)習(xí)、共同進步，以及如何設(shè)置教學(xué)制度、教學(xué)模式、教學(xué)條件和人文環(huán)境來培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是亟待解決的根本問題。

2 基于智能仿生魚的“三環(huán)三層”教學(xué)體系

2.1 我國機器人教育發(fā)展現(xiàn)狀

機器人教育起源于Parker、Martin和Sargent1989年在美國麻省理工學(xué)院創(chuàng)辦的名為6.270的課程，該課程以機器人設(shè)計競賽的方式，讓學(xué)生展開分組實踐。其影響深遠，許多機器人比賽項目的靈感均來源于此課程，同時把機器人設(shè)計實踐導(dǎo)入大學(xué)工程教育的思想也大多來源于此課程。

中國機器人教育聯(lián)盟2016年底發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示：目前，全國約有7600家機器人教育機構(gòu)，最近5年增長了近15倍，這些機構(gòu)以樂高公司、北京樂博教育科技有限公司、外太空機器人俱樂部等為代表，主要面向中小學(xué)生，并且獨立在九年一貫制教育培訓(xùn)之外，缺少統(tǒng)一的培養(yǎng)模式和標準。

當前中專及技校側(cè)重于機器人基礎(chǔ)應(yīng)用人才的培養(yǎng)，即：教學(xué)生怎么使用機器人。即使在高校研究生培養(yǎng)層面，目前智能機器人及其應(yīng)用還只是自動化學(xué)科的一個研究方向。高校機器人教育的發(fā)展夾在市場和科研之間，基本上只能以競賽為載體促進其發(fā)展。2016年，東南大學(xué)自動化學(xué)院開設(shè)全國首個機器人工程本科專業(yè)，填補了教育部本科專業(yè)目錄里機器人工程本科專業(yè)的空白，但目前仍有很多高校尚未將機器人專業(yè)獨立設(shè)置成專業(yè)培養(yǎng)課程。同年，我國教育部在有關(guān)教育信息化未來五年規(guī)劃中，明確指出：探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式。由此可見，高校機器人教育模式和體系的探索已迫在眉睫。

2.2 基于MURobotSys平臺的水下智能仿生魚

MURobotSys[1]是國際水中機器人大賽水下仿生機器人控制平臺，涉及機械電子學(xué)、機器人學(xué)、智能控制、信號通信、計算機視覺、計算機圖形學(xué)等。該賽事涉及的水下機器人研究，如：水下多仿生機器人協(xié)作控制系統(tǒng)，具有廣泛的軍事應(yīng)用前景，可以在水下資源探測、水下偵查搜救，在軍事任務(wù)方面發(fā)揮重要作用。

基于MURobotSys平臺展開的全局競技是本文探討的主要內(nèi)容之一，包括2VS2、1VS1、角力、救援等多個項目，其硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 MURobotSys平臺硬件架構(gòu)

MURobotSys綜合實驗平臺的基本工作原理[2]是：首先通過攝像頭采集實時圖像，并將采集圖像顯示在用戶界面的“原始圖像處理”窗口中，再根據(jù)用戶設(shè)定的色調(diào)、亮度、飽和度做進一步調(diào)整和處理；在“圖像預(yù)處理”窗口，以最優(yōu)的特征識別方法來識別有效信息，然后通過顏色特征，結(jié)合用戶預(yù)先設(shè)定的顏色閾值，識別出所需顏色塊的位置和大小，從而得到“環(huán)境信息”。經(jīng)過一系列的圖像識別過程和MURobotSys周期性控制機器魚的特點，最終得出機器魚前后坐標位置的變化，這是控制對象速度、加速度等信息的計算依據(jù)，同時也是編寫策略、控制仿生機器人競技的信息來源。

當?shù)玫江h(huán)境信息后，用戶首先采用MURobotSys軟件系統(tǒng)執(zhí)行選擇命令（如圖2所示），然后，系統(tǒng)結(jié)合用戶選擇的策略，調(diào)用用戶預(yù)先編寫好的協(xié)作策略計算出對每條仿生機器魚的控制命令，并通過設(shè)定的串口實時傳送，機器魚接受指令并執(zhí)行，如圖3所示。

圖2 MURobotSys軟件控制小平臺

圖3 基于MURobotSys平臺的機器魚

2.3 “三環(huán)三層”教學(xué)體系

本文基于MURobotSys平臺水下智能仿生魚的教學(xué)體系，作為人才的輔助培養(yǎng)方案，在沒有特定課時的前提下，采用競賽驅(qū)動的培養(yǎng)模式[3-4]，著眼于解決現(xiàn)實問題，提出“三環(huán)三層”教學(xué)體系，如圖4所示。

圖4 基于智能仿生魚的“三環(huán)三層”教學(xué)體系

所謂的三環(huán)是指水下機器人團隊培養(yǎng)的三個重要環(huán)節(jié)：招收環(huán)節(jié)、培訓(xùn)環(huán)節(jié)、競賽環(huán)節(jié)；所謂三層是指對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)所達到的三個層次：引導(dǎo)層、滋養(yǎng)層、升華層。筆者認為，只有在這三個環(huán)節(jié)達到創(chuàng)新所需的三個層次，才能取得創(chuàng)新能力培養(yǎng)的最佳效果。

2.3.1 招收環(huán)節(jié)激發(fā)學(xué)生興趣

機器人俱樂部招生工作一般安排在秋季學(xué)期，通過宣講并展示大量影視資料、機器人實物，分享成功經(jīng)驗和交流心得體會，激發(fā)學(xué)生興趣，引領(lǐng)學(xué)生登堂入室。

這是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的引導(dǎo)層，解決學(xué)生要學(xué)什么的問題，潛移默化引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新欲求，使學(xué)生創(chuàng)新能力落地生根。

2.3.2 培訓(xùn)環(huán)節(jié)傳授學(xué)生技能

機器人俱樂部通過授課培訓(xùn)，幫助、鼓勵學(xué)生獲取機器人的各項技能。學(xué)校組建機器人教練員團隊，開設(shè)機器人相關(guān)課程，以機器人系統(tǒng)原理為主線，全面涉及感測技術(shù)、通信技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)和機械設(shè)計等[6-7]，如圖5所示，做到縱向貫通、橫向拓寬，并且每年暑期前開展技能培訓(xùn)活動，采用老學(xué)生帶新學(xué)生的小組模式，幫助新學(xué)生掃清在獲取機器人技能過程中的障礙。

圖5 水下機器人基礎(chǔ)知識結(jié)構(gòu)

這是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的滋養(yǎng)層，解決學(xué)生在理論與實踐相結(jié)合過程中遇到的問題。學(xué)生的創(chuàng)新能力不是“教”出來的，需要采用科學(xué)的方式進行培養(yǎng)。課程內(nèi)容由學(xué)校各學(xué)科專業(yè)老師組成的俱樂部教練團隊精心設(shè)置，在有限的時間里對學(xué)生所需知識面的廣度和深度方面做到盡量平衡，不同的學(xué)生欠缺點和興趣點不盡相同，這是一個動態(tài)的教學(xué)過程。只有建立科學(xué)的創(chuàng)新培養(yǎng)模式，實施有力的驅(qū)動機制，解決內(nèi)在動力問題，才能為學(xué)員創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供生長所需的陽光。學(xué)校通過理論學(xué)習(xí)指導(dǎo)實踐操作，實踐創(chuàng)新促進理論學(xué)習(xí)，滋養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，使學(xué)生創(chuàng)新能力逐漸發(fā)芽[8]。

2.3.3 競賽環(huán)節(jié)挖掘?qū)W生潛能

經(jīng)過一段時間的理論教學(xué)和實踐培訓(xùn)，學(xué)校決定采用以競賽驅(qū)動的培養(yǎng)模式。該模式實行導(dǎo)師機制，以競賽項目為牽引，以創(chuàng)新小組為組織形式，分工合作，針對競賽項目的難點和競爭對手的挑戰(zhàn)，開動創(chuàng)新思維，努力采用新技術(shù)、新方法、新設(shè)計、新材料，完善機器人性能，從而最大限度地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能。

這是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的升華層，該環(huán)節(jié)強調(diào)以學(xué)生小組為中心，充分發(fā)揮教員的引導(dǎo)作用，使學(xué)生的創(chuàng)新能力得到升華并開花結(jié)果。

3 創(chuàng)新教學(xué)探索與實踐

筆者按照“創(chuàng)新始于問題，源于實踐”的理念，針對教學(xué)中遇到的問題，從理論和實踐兩個渠道出發(fā)，促進通識教育、專業(yè)教育、創(chuàng)新實踐教育三方面的結(jié)合，打造基本認識型實驗、設(shè)計型實驗、綜合型實驗和研究創(chuàng)新型實驗四大類型，實現(xiàn)課內(nèi)多樣化研究性教學(xué)、研究性實驗?zāi)Ｊ胶驼n外多樣化自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)模式，從而形成“個性化、雙渠道、三結(jié)合、四層次、多模式”的創(chuàng)新教育實踐教學(xué)體系。該教學(xué)體系對提升學(xué)生以創(chuàng)新能力為核心的綜合能力素質(zhì)方面，取得了顯著的成效。

3.1 建設(shè)水下智能實驗平臺

機器人俱樂部是陸軍工程大學(xué)建設(shè)機器人實驗環(huán)境平臺、多學(xué)科融合的創(chuàng)新教育體系，其中，水中仿生機器人項目在長期側(cè)重軟件調(diào)試、缺乏硬件實踐的環(huán)境下，一直停留在仿真階段。本文研究的創(chuàng)新教學(xué)首先搭建了教學(xué)實驗平臺，購置MURobotSys系統(tǒng)，并在實際開發(fā)環(huán)境中進行仿真，為學(xué)生開展機器人創(chuàng)新活動提供場地和基礎(chǔ)設(shè)施。

3.2 開展俱樂部學(xué)習(xí)交流活動

學(xué)校在參加早期機器人大賽過程中，理論課程內(nèi)容分散，不同專業(yè)的教員講授不同模塊的內(nèi)容，缺少一定的連貫性和系統(tǒng)性，往往要等到學(xué)生們在學(xué)習(xí)過程中遇到的問題集中到一起的時候，老師才開始傳授解決方案，學(xué)生被動等待知識的周期較長。

在基于MURobotSys平臺智能仿生魚環(huán)境的搭建和競賽的牽引下，學(xué)生逐步形成連貫和系統(tǒng)的知識體系，在知識領(lǐng)域框架平臺的引導(dǎo)下，學(xué)校定期開展俱樂部交流學(xué)習(xí)活動，形成各院交叉、各專業(yè)匯集的電路、信號、計算機、工程圖學(xué)等多學(xué)科融合的討論環(huán)境。對于剛參與水下機器人平臺開發(fā)與實踐的學(xué)生來說，從工程教育機器人項目過渡到智能仿生魚項目需要一個學(xué)習(xí)和鍛煉的過程，而討論環(huán)境可以促進學(xué)生主動交流學(xué)習(xí)。

3.3 組織參加機器人競賽

實踐成果表明，機器人實踐活動是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、提高學(xué)生動手能力的有效形式；機器人競賽的全面開展對提升電子類、機械類、工程類專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力發(fā)揮了積極作用，強化了學(xué)生動手能力的訓(xùn)練，促進了學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)；對于計算機大類的學(xué)生而言，實踐能力的培養(yǎng)是其發(fā)展綜合素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。

陸軍工程大學(xué)在參加國際水中機器人大賽全局項目、自主視覺項目的過程中，不僅培養(yǎng)了學(xué)生查閱資料能力、自學(xué)能力、分析問題與解決問題的能力、綜合設(shè)計與調(diào)試能力、科技論文寫作能力等，而且還培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實際的作風(fēng)、團結(jié)協(xié)作精神和創(chuàng)新意識。

3.4 依托實驗平臺開展創(chuàng)新活動

依托MURobotSys平臺開展創(chuàng)新活動研究，不僅可以用于學(xué)生參加國際水中機器人大賽全局組項目，還可以用于學(xué)生自主研發(fā)創(chuàng)新項目。學(xué)生的思維十分活躍，敢想、敢做，在類似于“藍橋杯”、“卓越杯”的創(chuàng)新能力競技賽事中，學(xué)生的創(chuàng)意表現(xiàn)和思維發(fā)散能力都得到充分展現(xiàn)。因此，在依托實驗平臺實體水下仿生魚的開發(fā)過程中，學(xué)生可以對其進行更多的創(chuàng)意設(shè)計和改進，教員也引導(dǎo)學(xué)生從規(guī)則中跳出來，讓學(xué)生充分展示創(chuàng)意才華。

4 總結(jié)

陸軍工程大學(xué)經(jīng)過連續(xù)3年的探索與實踐，創(chuàng)新活動開展范圍在擴大、人數(shù)在增加，基于智能仿生魚的教學(xué)體系已逐步形成穩(wěn)定的教學(xué)、實踐、交流、競賽模式，對學(xué)員腦力、執(zhí)行力、創(chuàng)新力培養(yǎng)方面起到了積極的推進作用。在經(jīng)歷完整的教學(xué)體系和參加競賽的實踐活動中，學(xué)生的綜合素質(zhì)特別是創(chuàng)新素質(zhì)得到明顯提高，不僅學(xué)會了如何學(xué)習(xí)和做事，而且還在國際水中機器人大賽中獲得了冠、亞軍6項，全國機器人大賽冠軍2項，發(fā)表多篇成果論文；結(jié)合創(chuàng)新課題、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計將機器人技術(shù)運用于軍事訓(xùn)練和軍用裝備，陸續(xù)完成了10余臺軍用機器人作品的研發(fā)探索，其中1名學(xué)生獲大學(xué)優(yōu)秀論文獎。教學(xué)相長，指導(dǎo)老師結(jié)合各自教學(xué)經(jīng)驗，在指導(dǎo)本科生論文發(fā)表、畢業(yè)設(shè)計等方面有了更加豐富的經(jīng)驗。

本文探索的教學(xué)內(nèi)容基于MURobotSys仿生機器魚展開，完成了非課時內(nèi)教學(xué)模式的探索與實踐，并打造出機器人俱樂部中具有鮮明特色的水下仿生機器人平臺，建成一個高標準、開放型、注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)的學(xué)員科技創(chuàng)新環(huán)境，開展多學(xué)科融合的教學(xué)體系建設(shè)，形成科學(xué)、系統(tǒng)、高效的教學(xué)內(nèi)容體系和具備創(chuàng)新能力、實踐能力的機器人競賽團隊，開啟檢驗成果、積累經(jīng)驗的良好循環(huán)模式。今后，學(xué)院的創(chuàng)新工作還將進一步拓展和完善，將以學(xué)生為本的創(chuàng)新教育推向更高平臺。