典型多地区创意救援主题下竞教结合模式分析与实践.docx

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1、典型多地区创意救援主题下竞教结合模式分析与实践孙远韬，何俊杰，赵嘉伟，鲁鹏，沈颖慧(a) 2018年“拯救佩奇”图1救援主题竞赛(1) 2019年“高塔救援”摘 要：为进一步完善基于专业认证课程的教学改革，实现以竞促教、竞教结合的教学改革理念，文章结合典型地区的教育现状调研和学科竞赛经验，指出典型地区推行救援主题下机器人竞赛的途径及内容，并根据我们竞赛教育中的不足，提出改进意见及方案，通过不断实践与持续改进，提高学生的综合能力和教学质量，较好实现竞教结合。Key：机器人；竞教结合;创意救援；实践教学：G642 文献标志码：A： 2096-000X (2022) 07-0012-04Abstra

2、ct： The purpose of the study is to further improve theteaching reform of professional certification courses and realize theteaching reform idea of competition promoting teaching andcombination of competition and teaching. This paper points out theways and contents of promoting robot competition in t

3、ypical areasbased on the investigation of education status and experience ofsubject competition in typical areas, and puts forward improvedsuggestions and plans according to the shortcomings of ourcompetition education. In addition, we carry out continuousimprovement in practice to improve the stude

4、nts1 comprehensiveability and teaching quality, and better realize the combination ofcompetition and teaching.Keywords： robot； combination of competition and teaching； creativerescue； practical teaching竞教结合是我国高校人才培养的新模式，是以“竞赛”为龙头，以“人才培养”为核心，通过“内外互通，层块连融”的运行机制，有机地将学校“竞赛活动、学科教学”统一起来，实现了人才培养与学校学科教育工作各环

5、节之间的优势互补、共生及有机统一竞教结合的培养模式精髓在于将高校人才培养和学科竞赛建设融合在一起，通过理论学习与竞赛实践融合与支撑，实现了学生创新能力的双轮驱动，从而培养新世纪所需要的具有强基础和创新能力的人才。在竞赛主题的拓展方面，随着社会经济的发展，工业4.0时代的到来推动了智能化产业和科技日益蓬勃的发展，机器人作为智能制造的产物已经在自然资源开发、隧道挖掘和外空间以及海洋探索等诸多领域中得到了广泛应用4。而以机器人为主题的竞赛活动也在教育领域得到大力推广，并且呈现逐年上升的趋势。从1996年第一届FIRA机器人世界杯足球比赛开始，相继举办了机器人灭火比赛、机器人奥林匹克竞赛和FLL世锦赛

6、。经过20多年的发展，机器人竞赛的种类越来越丰富。目前世界上比较主流的机器人竞赛活动主要有VEX工程挑战赛、FLL挑战赛、机器人灭火、FIRA、Robo Cup等5。我国也相继开始举办一些机器人相关的竞赛，并且拓展到中小学进行大力开展，例如青少年电脑机器人竞赛、中小学电脑制作活动等，越来越多的青少年通过参加机器人竞赛逐渐接触到机器人这一高科技产物。可以说机器人竞赛不仅是作品的比赛，更是参赛学生逻辑思维、动手操作、知识整合、团结合作、临场应变等能力的综合比拼，是学生综合素质能力的竞赛6-8。然而从某种程度上说，目前各类机器人竞赛的主题大同小异，主要是智能家居（服务），格斗类型的比赛居多，比赛的多

7、样性和所设计机器人功能、结构形式突破不多，新颖性面临动力不足的问题。目前由于社会进步，其分工专业化，且环境、节奏更为多样迅捷，所面临的灾难和突发公共事件也更为复杂、极端，对智能装备要求也越高，这为利用机器人替代人类完成各种危险的救援任务开辟了创新之路。在2020年初的新冠肺炎这一具有高危传染性的疾病面前，我国部分地区已经采用智能机器人进行物资的运送，这大大降低了各种人群正面接触而产生交叉感染的风险。因此，本文以机器人救援为主题，结合典型地区教育现状的相关调研分析，分析竞教结合模式。根据上海市创意机器人挑战赛利用以机器人为代表的智能化产物开展救援主题的机器人竞赛活动，拓展赛事影响力和比赛组织模式

8、，提高竞教结合效果，这对学科专业认证在竞赛活动主题上的可持续性传承具有重要的社会意义。一、典型地区救援主题下竞教结合情况调研分析（一）基础教育阶段各地开展情况与对策目前我国各阶段各地区的教育情况存在明显差异，这与各地的经济水平息息相关。教育落后地区往往经济情况也不好，而经济情况常常又和地理位置挂钩。北上广深等一线城市经济发达，常年吸引了大量的优质青年涌入，成为各行业杰出人才的聚集地，其教育资源配比也远远超过二三四线小城及山区，这无疑对当地的教育形成了恶性循环。我们调研了苏南苏北的几所学校，其特点是城乡之间的教育资源差异较大，相比城区，乡镇基础教育设施不完善；另外教师队伍质量参差不齐。目前一些志

9、愿者机构已经组织起来，有针对性地补充优秀大学生进行文化课教育，加强创新实践方面的引导。在教育设施落后的乡村学校，开展一些不需要太多设备的文化活动，在活动中教育成长。而对于竞赛主题方面，相比常规格斗类来说，创意救援任务如灭火、越障等更易于开展，学习时间要求不高，又能够引导学生的创新思维和动手能力。在这个过程中更多的是提供编辑好的软件让孩子们自由设计，发挥创意。但是目前这些活动主要是点对点的针对个别学生进行开展，在赛事层面还比较缺乏。福建闽北地区多山，经济和教育发展较为落后，大部分学校除语数英以外的实践或者兴趣拓展课程成体系地进行讲授的可能性微乎其微。科学、信息技术、综合践等课程既缺乏专职且合格的

10、教师（很多老师更大程度上属于客串而身兼数个教职），常常不能提供相应的教学场地和满足需要的器材。有的学校甚至没有微机室进行编程教学，由于信息相对闭塞，造成教师的教育观念滞后，使得素质教学质量也存在短板，不利于活动开展。对于山西地区我们的调研主要集中在大同市以及天镇县。天镇县原本是国家级贫困县，在脱贫后加大了在教育方面的投入，但弥补历史因素所造成的学科竞赛方面的软硬件缺陷还需要很长一段时间。我们发现该地区环境比较复杂，具备相应机器人救援的基础，便于针对复杂地形生动开展救援主题竞教活动。山西大同城区的部分学校有着一定的机器人教育基础，曾经开展过诸如校足球机器人竞赛或竞速活动。但是学生们对于机器人方面

11、的知识还停留在机械结构方面，校内创新活动的作品也大多是简单的科技小制作。可以看到由于各地条件不同，我们需要根据当地特色探索竞教结合模式下具体展开工作方式。而针对这些典型地区的竞教结合模式及共性问题，我们考虑依托并吸取支教团队比较好的做法：加强开展相关工作的基础设施建设。由于部分学校的基础设施比较落后，没有可以进行教学活动的辅助设施，例如实验室或多媒体教学设备。支教团队可以帮助搭建多媒体教室，提供某些实验器具帮助学生对所接触到的机器人知识有更深入的理解。着力普及相关基础知识。例如机械结构的具体设计方法以及控制理论知识，让学生能够对救援机器人的设计过程有基本的认识。在确定学生已经有了一定基础之后，

12、再结合实际展开相关活动。针对一些学校的学生绝大部分精力放在课程成绩的提升上，往往缺乏相关的训练，在动手操作以及团队合作方面表现较差。支教团队可以通过基础类科学实验的开展培养学生必需的科学素养、动手能力以及合作解决问题的能力。在确定学生具备所需的能力之后，对于机器人基础知识的教授及专业基础训练才能进一步展开。（二）高等教育阶段各地开展情况与对策对于大学层次，一线城市如上海相对硬件基础较好，大部分学校通过大创基地组织管理一系列学科竞赛。在以往高等教育竞赛中，通常是教师教学理念由授课者逐渐向指导者转变，以学科竞赛为载体，成立学科竞赛指导委员会和学科竞赛委员会，组织和指导学生参加各类主题的机器人竞赛，

13、组建高质量竞赛队伍和高水平教师竞赛指导队伍。通过自行组织相应的院级比赛、校级比赛，与学校密切沟通，完善奖励机制，激发师生的热情，使学生在竞赛的过程中学习相关知识，准确高效有力地推动创新型、实践型学生的培养9-11。但是对于专业结合上面还存在一些脱节，首先从理论教学来看，其作用就是科学打造今后个人发展的知识结构体系，其基础作用不可替代，有些同学一味追求创新，参加大量实践活动，轻视理论学习，套用现成解决方案，最后其知识结构体系具有很大的缺陷，不能理解现象背后的核心原理、底层创新难，过多的是从经验角度去熟练“技巧”，不能多层次多角度理解创新背后的理论支撑，导致后期创新后劲受限、持续创新能力受到一定阻

14、碍。另外赛事主题上也有一定讲究，例如一些难度较大的救援主题竞赛会影响学生参与竞赛的积极性。另外，竞赛对于机械设计本身的引导偏弱，更多的是从控制方面进行比拼，不利于机械设计，机械原理的理解和应用。二、我们在竞教结合下的救援主题学科竞赛与拓展（一）上海市创意机器人挑战赛概况作为2018-2020年上海市教委连续支持的比赛，“上海市创意机器人挑战赛”（以下简称创挑赛）由同济大学承办。竞赛以救援为主题，旨在培养同学创新能力、专业实践能力及团队合作能力，并且突出了机械本身的构思，将机械原理、机械方案放在非常重要的地位，然后通过智能控制方法予以实现。赛事发起后就受到了上海市各个高校的积极响应。2018年大

15、赛主题为“拯救佩奇”，2019年大赛的主题为“高塔救援”，2020年大赛主题为“高塔排爆”，各组创意机器人将在尽可能短的时间内通过攀爬等方式接近救援对象，排除危险源并帮助救援对象安全撤离，如图1所示。决赛中参赛队伍的救援机器人形态多样、创意十足，各类轮式、履带式底盘结构展示了各自的越障能力；双轮、四轮、万向轮以及较接车身等构造展示了转向的灵活性；多自由度的机械手实现了被救援模型的抓取;无线电、蓝牙、WiFi结合手柄、触屏、手机、计算机实现图像传输、操作控制。同学们现场分享了自己所在队伍的开发经历，并再次重现了大赛的作品表演，多个参赛组取得了很好的成绩。通过两年的竞赛实践，我们初步形成了一种“以竞促教、竞教结合”的教学模式，既在学科竞赛上获得了优异成绩，也使实践教学内容丰富和实用了很多，提高了教学效果。（二）竞教结合的途径从所调研情况和其他学校的开展措施看，开展学科竞赛活动本质上还是培养创新型人才，如前所述我们重点依托的是竞教结合的方式，强调理论原理的掌握，还是以这些案例为引子，通过练习、讨论，反复说明创意背后所需支撑的理论基础。比如在结构力学及有限元基础课程中，重点指导学生建立清晰的机