基于水下机器人的大学生协同创新能力培养

2015-12-23薛文涛王玉龙曾庆军施兴华方喜峰

实验室研究与探索 2015年9期

薛文涛，王玉龙，曾庆军，施兴华，王彪，方喜峰

(江苏科技大学a.电子信息学院;b.船舶与海洋工程学院;c. 机械工程学院，江苏镇江212003)

0 引言

胡锦涛总书记在庆祝清华大学建校100 周年大会上关于“要积极推动协同创新”的重要讲话，以及教育部实施“高等学校创新能力提升计划”，标志着我国高等教育系统又一项体现国家意志的重大战略举措［1］。为了推动知识创新、技术创新，江苏省将在近几年内培育建设50 个左右的“高校协同创新中心”，旨在引导和支持高校突破学科、学校、行业及地区等壁垒，与国内国际创新要素深度合作，更好地服务地方经济社会发展。因此，协同创新不仅是科技发展进步的内在要求，也是培养拔尖创新人才的必然要求。实施协同创新教育，对于大力提升高等学校的创新能力，全面提高高等教育质量，深入实施科教兴国、人才强国战略，都具有十分重要的意义。

以“数字化智能制造”为核心的第三次工业革命浪潮已经到来，而这个革命的主角就是工业机器人。机器人技术综合了机械设计、信息传感技术、自动化技术、智能控制等多学科领域的技术。通过机器人教育这种形式可使我们的素质教育找到一个好的切入点［2］。作为一种工作于水下的极限作业机器人，水下机器人将使海洋开发进入一个全新的时代，在人类争相向海洋进军的21 世纪，水下机器人技术作为人类探索海洋最重要的手段必将得到空前的重视和发展［3］。因此，江苏科技大学借助水下机器人教学和实验平台，结合学校的行业特色，积极探索适合高素质创新型人才培养的途径和方法，通过水下机器人的课程教学和实验激发学生的想象力，培养学生的设计能力、多学科知识的综合应用能力;利用科技竞赛和科研项目开发促进学生的创新思维，努力提升大学生的综合素质及协同创新能力。

1 协同创新能力培养的改革思路

目前，我国高等教育已进入以质量提升为核心的内涵式发展阶段。从十六大全面推进素质教育以来，我国的创新教育得到了长足的发展。但是，与国外高校的大学生协同创新能力培养还有较大差距，主要的原因可以归纳为三个因素:

(1)教育因素。大学的课程体系侧重于传统学科知识的传承，课程之间壁垒严重，新兴学科、边缘学科、交叉学科和前沿学科课程数量严重不足。同时，部分教师局限于封闭式、独立式的思维惯习，在教学过程中仅强调知识的灌输、教学方法单一。另一方面，随着学生就业竞争的加剧，一些高校陷于应试教育的模式，就业指标成为其价值取向，热衷于鼓励学生参加研究生考试、各种业务考证，忽视了素质教育、创新教育［4］。

(2)学生因素。当前国内高校部分学生缺乏大胆求新的精神以及自主学习的能力，局限于书本知识所教授的定理规律，而不思破旧立新、深层次探索，这在很大程度上局限了创新能力的提升;另外，校园中的学业竞赛和争优评比加剧，大学生个体的合作意识和合作能力被弱化。

(3)管理因素。部分高校的二级学院各自为政，缺乏构建学科交叉融合的课程体系和学术环境;一些高校实施的产学研项目呈现出对内自我封闭、分散重复、效率不高;创新实验室建设缺乏有效的整合与组织创新，无法成为大学生创新能力培养的孵化器。

协同创新强调创新主体之间的互动联接和集体创新，以协同创新方式促进创新活动的发展。大学生协同创新能力，除了要求大学生具备创新意识、创新能力，还要自己有清晰的角色定位，具有较强的互动沟通能力和协同合作能力［5］。因此，在大学生的培养中，我们要考虑人才、学科、科研协同与互动，增强创新要素的有效集成，从而提升高校的创新能力。从教学层面，要激发大学生的学习兴趣，提高其作为个体参与协同创新的可能性与积极性;在科研层面，围绕科研攻关项目，形成多学科融合、多团队协同的协同创新体。通过建立科学的考核评价标准，合理的协调学生、教师和学校的利益，使得各主体能够从中得到利益，这样就能形成良性循环，相互促进、相互发展，从而有利于学生的全面发展、教师队伍的提高和高校学科建设的推动。

2 革新教学方法，提供协同创新的教育环境

美国学者戴尔提出了学习金字塔模型理论，研究表明个人学习或被动学习的学习保存率在30%以下，这包括听讲、阅读和视听等，而团队学习、主动学习和参与式学习的学习保存率在50%以上的，其中做中学习或动手实践方式的学习保存率为75%［6］。因此，在教学中，发挥团队优势，采用协作式和探究式教学模式，鼓励学生自主性、探索性的学习和实践，在实践中不断地获得创新能力和工程素养的提升。

2.1 教学团队的协同教学

由于水下机器人技术具有多学科交叉融合和集成性的特点，其知识涉及到电子、计算机、流体、结构、材料、液压、水声和导航控制等多门学科［7］。因此，水下机器人课程的教学任务由承担水下机器人科研项目的成员承担，由电子信息学院、机械学院和船舶海洋学院等教师组成团队进行协同教学。在教学过程初期，为了使学生了解水下机器人相关学科的背景知识，各专业教师针对水下机器人相关的学科知识进行不少于2个学时的授课。后续部分由开课主讲教师对水下机器人组成、基本工作原理以及设计基础、运动学与动力学和运动控制等进行理论教学。

课题组依托江苏省产学研前瞻性联合研究项目，研制了一种面向海洋工程水下结构检测与清污的新型ROV 系统，如图1 所示。研发过程中，机械学院教师指导学生使用SolidWorks 软件完成各子模块的虚拟建模、结构布置和虚拟装配;船舶海洋学院教师指导基于有限元计算对载体框架、耐压电子舱等模块的强度校核，检验其是否符合潜水作业和水下检测要求;电子信息学院教师指导动力推进系统的设计，保证水下机器人能够实现升沉、进退、转艏、纵摇四个自由度的浮游运动以及爬壁清污作业。通过协作式教学模式，加深对自动控制、机械设计和水声通信技术等专业知识的理解，促使学生以多学科的视角来学习和思考所学课程，有利于激发学生的学习兴趣，调动学习积极性。

图1 带缆遥控水下机器人

2.2 倡导探究式教学方式

通过深入研究国内外的教学方法，从传统的教师授课、灌输知识为主的方式，向与专业教学相适应的注重研究方法、提出问题的方式过渡。积极开展基于项目的探究式教学，让学生在项目实施中发挥自主性和创造性，并通过团队合作完成课程设计和实践［8］。根据“自主式水下机器人智能控制”项目开展实验教学，如图2 所示。①根据不同主题任务将学生分成不同的学习小组，通过水下机器人实验平台，引导学生认识水下机器人的浮体、配重舱等结构、软硬件系统构成和工作原理，了解机器人设计和控制的基本方法;②教师分析水下机器人的运动特点，指导学生建立其合适、准确的运动与动力学数学模型;并介绍先进的智能控制算法、控制方面的国内外研究现状，提出水下机器人运动控制系统的设计要求;③学生以小组为单位开展学习活动，经过一系列的理论学习、查阅文献和相互交流，提出水下机器人动力学模型的控制方案，并通过实验验证结果。

图2 水下机器人的水下控制

通过营造一种基于问题、基于创造的知识传播与创新性学习的新型关系，鼓励学生敢于突破思维定势的障碍，学会独立思考，和教师一起团结协作攻关难题。由于没有固定的思维模式和教条的标准答案，学生完全在一个开放性的环境中进行自主式的探索和研究。在教师的指导下，学生之间相互交流与合作，不断完善各自的方案设计。这种以项目为导向的教学方法，不但注重知识的有效传授，而且重视学生技能培养。小组讨论及团队合作，有效地增强了学生对专业知识的掌握程度，有助于培养学生创新精神和团队协作的能力。

2.3 多渠道提高教学效益

创新能力是在大学生学习、实践、生活的过程中自觉形成，而且知识、能力水平是影响自主创新意识的前提条件［4］。通过引进现代教育技术，将一些信息量大、抽象的教学课程，通过动画、多媒体等辅助教学课件用最直接方式引入课堂，便于学生理解水下机器人的构造和工作原理，激发学生的学习积极性。同时，支持本科生根据自己的兴趣和课题需要，选学一些研究生的课程，在新的课程学习中拓宽专业知识面，培养了学习能力和创新意识。

通过实验教学将抽象理论实际化、具体化，帮助学生理解和掌握水下机器人的关键技术，并学会在实际环境中加以应用。改变过去只重视理论验证性实验的教学模式，而把重心放在培养学生的工程实践能力和创造性思维能力上，尽量多地提供综合性设计实验以提高学生的综合素质。课题组依托船舶与海洋工程控制系统实验室提供的实验平台，开设了水下机器人的动力推进系统设计等特色实验。动力推进系统如图3所示，包括垂向推进模块、纵向推进模块、模态切换模块、爬行清污模块。实验要求了解四个模块的工作原理，并设计控制器驱动五个推进器实现水下机器人的四个自由度的浮游运动以及爬行清污作业。

图3 动力推进单元

鼓励学生在现有实验项目下进行大胆创新，开拓新的实验项目或课题，形成一系列多层次、递进式的教学实验内容［9］。例如在水下机器人的水密实验中，最初检测只是在耐压电子舱和爬行清污模块可能漏水的地方(包括水密接头、舱体内部)放置漏水检测试纸。为了提高检测效率和部件的绝缘性，学生提出了一些改进措施，如设计漏水报警模块，通过上位机软件实时反馈信号来辨别是否漏水;在接合处放置橡胶密封圈等方法来加强水密性。这种倡导以本科生为主体的创新性实验改革，调动了学生的主动性、积极性和创造性，使得能力较强的学生的创新潜能得以充分发挥，也促进了实验教学质量的提高。

3 科研与教学结合，促进创新主体的共同发展

协同创新要求人才、学科、科研协同与互动，增强创新要素的有效集成，从而提升创新能力［10］。因此，需要发挥创新主体的主观能动性，协调各方利益分配，促使影响大学生协同创新能力的各要素优化组合，共同发挥积极作用，以形成有利于协同创新系统健康运行的合力，为创新人才培养提供新的模式和平台，实现高校创新能力和人才培养质量的同步提升。

3.1 科研资源的共享

江苏科技大学拥有国家、省学科重点实验室，工程中心和研发中心，这些科研平台积累了丰富的硬件资源、信息资源和人才资源。但由于分属不同的部门，各方不同的利益追求阻碍了部分院系的科研合作和资源共享。而船舶工业领域内某些重大课题研究大多涉及多学科知识，需要跨学科团队协同合作与联合攻关。因此，学校鼓励与支持不同院系教师联合申报重大科研项目，实行资源共享、利益共赢，从而提升学校整体科研水平，带动多学科多专业的协同发展。

水下机器人技术综合了多学科的研究成果，代表了高新技术的发展前沿。借助水下机器人技术项目研究，源自教师自身的合作需求，不同专业方向的教师组成团队进行课题攻关，通过院系之间的合作，实现了科研平台与资源共享，不但减少了仪器设备资源的浪费，而且形成了学科优势互补。依托实验室平台，可以将最新研究成果转化为教学内容，促进教学知识的更新，加强教学与科研的结合;可以通过科研提高教师的工程实践能力，增强教师的教学技能［11］。科研平台的共享和教师团队的合作，为开展创新性活动提供了物质保障和技术支撑。

3.2 鼓励优秀学生参加创新活动

依托国内机器人竞赛平台和水下机器人项目，吸引和选拔优秀本科生进入课题组。同时，利用演示实验将科研团队的研究成果制作成视频展示给学生，让学生了解水下机器人技术研究前沿，激发学生的对科学探索的求知欲，也吸纳一些有兴趣和潜力的学生加入科研团队进行更深入的研究［12］。通过将“教室”搬到实验室，将学生带进知识探索的前沿、创新活动的一线，一方面使学生尽早感受社会的创新需求，激发其内在的创新潜能;另一方面可以让学生较深入地了解科研工作的各个环节，有利于学生合理规划未来的学术生涯。

经过学生申请和课题组选拔，选择大三年级中部分学有余力、具有扎实的基础理论知识和较强动手能力的同学进入实验室。利用研究生在知识结构和科研经验上的优势，对本科生发挥传帮带作用，在导师的指导下参与课题组活动和开展学术研究，有序地开展创新活动。

3.3 教学促进科研，科研反哺教学

教学水平的提高，有利于促进科研领域的不断拓展与深化、推动专业建设水平的提升，进一步加快优势学科与特色专业的培育［13］。同样，科研水平的提高，有利于提升教育教学的质量，促进本科教学内容的更新，为本科人才培养提供创新研究的平台和机会［14］。

依托电信学院“国家特色专业”——自动化专业的发展优势，课题组在教学过程中，注重学生理论学习与实践应用的有机结合，不断更新教学内容和改善教学方法，积极探索以优势学科、特色实验室为载体的创新团队建设。在取得高水平研究成果的同时，注重及时把科研成果融入教材、引进课堂和实验室，不断丰富、充实和提升教学资源，做到科研反哺教学。近几年学院拨出专项经费进行“控制理论”、“电机与电气控制”、“计算机控制”等课程的建设，创建了以创新能力培养和提高综合素质为目标的课程群。课题组在完善“船舶与海洋自动化系统”实验室管理的基础上，建设了“自动控制原理”、“最优控制”和“线性系统理论”等本科、研究生精品课程，完成10 多项江苏省和江苏科技大学教学改革与教学研究项目，获得两项国家自然科学基金资助，发表学术论文和教改论文30 多篇，并荣获江苏科技大学优秀教学成果奖一等奖和二等奖各1 次。

通过科研与教学的结合，大学生和教师相互作用与反作用，共同组成一种良好的教育机制，实现创新主体的共赢局面。①提高了教师的整体素质和学术理论水平，②启迪了学生的创新思维，培养了学生的探索精神和合作精神，③也为高校创造了经济效益，促进了优势学科和特色专业的可持续发展。

4 完善考核评价机制，合理协调利益

由于教师职称评审往往过分重视科研成果，轻视教学业绩考核。因此，这就造成教师将大量精力花在课题申报、论文发表和专著出版上，而忽视教学质量的提高。以往对学生的考核仅仅依赖于理论考试，很难检验学生的学习效果，也不利于对教学效果的评估。在教师管理方面，要把教学质量、教学成果等作为绩效考核、职称评聘的重要依据。针对学生而言，要摈弃惟“考试分数”的单一评价方式，切实将课堂参与、批判性思维能力、探索与创新精神、实践技能、综合素质等列入评价体系［15］。因此，通过建立科学的考核评价标准，合理协调教师之间的利益和学生的利益，充分调动双方的积极性和主动性，使得协同创新主体能够从科研和教学过程中各有所得。

在水下机器人教学中，对于教师的绩效考核不仅仅局限于论文和项目，也对教学质量进行评定，不但重视科研成果的质量，也注重学生的满意度。偏重于学术性的教师主要承担理论教学，偏重于工程实践的教师主要承担实验教学，大家共享科研成果，投入的经费既支持科学研究，也支持教育教学。

由于期末考试的一份试卷很难反映出学生的真实水平，因此课程除了理论知识的常规考核外，还添加实际动手操作和创新思维的考核。对于学生的考核方式采用综合性考评，课程总成绩=期末考试(30%)+实验考核(25%)+平时成绩(20%)+课程论文(25%)。其中，实验成绩根据学生的实验工作态度、出勤、实验操作、实验结果和实验报告等各环节由指导老师和学生团队共同评定;课程论文要求学生通过大量阅读文献撰写报告，成绩根据报告的学术水平、创新性进行评定，其中优秀的报告经教师修改后推荐期刊投稿。对参加本科创新计划和国内机器人比赛活动的学生，学院给予科研经费的支持，成绩突出的优先推荐保研。

5 结语

通过水下机器人教学和实践活动的开展，学生对参加大学生创新设计比赛和电子竞技大赛兴趣高涨，学生们的创新能力和实践动手能力有了显著地提高。近3 年来，我们培养的学生在各种比赛中获得了较好的成绩，其中2012 年参加第三届全国电子信息实践创新作品评选中获得一等奖，第七届全国信息技术应用水平大赛电气控制应用设计获得团体赛二等奖;2013年参加教育部“西门子杯”全国大学生工业自动化挑战赛设计开发型竞赛高校组获得分赛区三等奖，全国大学生电子设计竞赛获得省级二等奖;2014 年参加OI中国水下机器人大赛，“面向海洋工程水下结构检测与清污的新型ROV 研制”和“面向海洋工程水下结构检测与清污的新型ROV 导航与控制研究”均获得了优胜奖。实践证明教学改革提高了大学生学习的主动性、积极性，培养了他们的科学创新精神和协作意识;同时，也调动了教师的积极性和创造性，促进了高校发展与教师自身发展的统一。教学实践对开展创新教育具有很好的参考价值，也对大学生培养机制的改革和高校创新人才的培养提供了有益的借鉴。

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