基于水下机器人竞赛的培养模式探索与实践

郝帅 冀大雄 黄豪彩 宋伟 詹舒越 王晓萍

摘  要：全国大学生水下机器人学科竞赛是一项面向全国海洋工程、海洋技术类专业的全国性的大学生学科竞赛，浙江大学结合三年“水下机器人设计”校内竞赛的经验，为全国海洋学子提供一个可以互相学习、互相研讨、互相竞技、共同提高的专业性交流平台。文章在充分分析水下机器人学科竞赛与大学生实践创新能力培养关系的基础上，提出“课-赛”结合的人才培养模式。全国大学生水下机器人学科竞赛与专业课程结合的实践表明：“课-赛”结合的人才培养模式的实施成效显著，可以作为其他学科培养学生创新思维、锻炼学生动手能力的参考。

关键词：水下机器人;“课-赛”结合;培养模式;创新能力

中图分类号：G640        文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2021）14-0021-04

Abstract： The underwater robotics competition of national university students is a national competition for marine engineering and marine technology majors. Base on the competition experience of "underwater robot design" in three years， Zhejiang University established a professional communication platform for marine students to learn from each other， discuss with each other， compete with each other， and improve together. The "class-race" combined talent training model was proposed based on a full analysis of the relationship between the underwater robotics discipline competition and the cultivation of university students' practical innovation ability. The practice of combining the national university students' underwater robotics competitions with professional courses shows that the talent training model of "class-race" combination has achieved remarkable results and can be used as a reference for cultivating students' innovative thinking and training their practical abilities in other disciplines.

Keywords： underwater robot; "class-race" combination; training mode; innovative ability

在國家大力发展海洋事业，重视海洋战略意义的大背景下，浙江大学海洋学院应运而生。2015年搬迁至中国第一大群岛和重要港口城市浙江省舟山市，身负为国家输送海洋综合型人才的重任[1]。浙江大学海洋学院在加强大学生实践能力、创新能力及团队协作精神的培养等方面一直在进行探索与实践，旨在培养高素质海洋领域高端人才。

2019年以前海洋工程、海洋技术类专业尚未有全国性的大学生学科竞赛，全国海洋学子缺少一个可以互相学习、互相研讨、互相竞技、共同提高的专业性交流平台。基于竞赛平台的大学生创新能力培养模式被越来越广泛认同[2-6]。浙江大学结合三年“水下机器人设计”校内竞赛的经验，联合中国海洋学会海洋技术装备专业委员会，创办了全国大学生水下机器人学科竞赛。竞赛秘书处单位设立在浙江大学海洋学院，与专业委员会秘书处联署，负责竞赛的组织和开展。

一、全国大学生水下机器人学科竞赛建设情况概述

（一）发展历程

2017年结合专业综合设计课程，创办了第一届“水下机器人”竞赛;2018年该竞赛被认定为校级竞赛。2018年成功举办了“遨拓杯”浙江大学第二届“水下机器人设计”竞赛，有30支队伍87名大学生参赛，竞赛影响力逐步扩大，首次有外校——来自大连理工大学的参赛队参加。

2019年学院组织了第一届全国大学生水下机器人学科竞赛，来自浙江大学、杭州电子科技大学、浙江海洋大学、上海海洋大学、上海海事大学、河海大学、江苏海洋大学、浙江工业大学、浙江大学宁波理工学院等9所院校的20支队伍参赛。弥补海洋工程、海洋技术类专业尚无全国性的大学生学科竞赛的缺憾。2020年，进一步扩大赛事影响力，把全国水下机器人学科竞赛推向全国涉海高校和涉海专业，建设成为有影响力的有知名度的全国性的海洋学科竞赛，推进与企业合作共赢，加快竞赛成果的转化和研发。

（二）目标定位

全国大学生水下机器人学科竞赛是面向全国大学生的海洋工程与海洋技术类学科，通过大学生参与竞赛，提高大学生的实践创新能力和知识运用水平，增强学生们对海洋的热爱，开阔学生们的视野，为我国广大海洋学子提供一个展示风采的平台。竞赛的主要任务是：加强大学生创新能力、实践能力及团队协作精神的培养;提高大学生了解和运用海洋工程与海洋技术知识、解决实际问题、领略海洋机器人技术的能力;同时激发创新思维，促进“海洋工程”和“海洋技术”类专业与机电光算控相关专业的交叉与融合;促进海洋工程与海洋技术领域创新创业教育，推动赛事成果转化和产学研相结合。

浙江大学以水下机器人学科竞赛为牵引，提炼多年竞赛组织的经验，提出“课-赛”结合的人才培养模式，探索实践创新能力培养模式。

二、“课-赛”结合特色课程构建和实施

（一）健全的硬件保障——校企共建实践基地

大学生创新精神与实践能力培养离不开实践创新基地[7-9]。学校与博雅工道（北京）机器人科技有限公司合作，建设了水下机器人实践基地（图1）。为“课-赛”结合的人才培养模式提供了优质的硬件条件。博雅工道（北京）机器人科技有限公司提供该基地所需大部分设备、硬件条件以及实验教学资源和方案，促进实践基地各种科研教学活动的开展，提高实践教学水平;根据学校的具体教学活动情况，中心构建一个具有多种功能的机器人实验室，包括水下机器人调试实验区、创意水下机器人实验区、机器人活动展示区，构成完整的实验室系统。扩建了大学生创新实践基地：扩建后的水下机器人联合实验室设有16张工作台，每张工作台分两组，分别配套了专用仪器、工具箱、常用耗材等，可容纳96名学生同时使用。实践基地全天候开放，由学生自主管理，可充分支持课程、竞赛、SRTP的学生使用。

（二）精准的教学目标——全力打造特色课程

三年前学院开始精心设計打造《综合实践训练型课程——水下机器人设计》课程，以课程为载体，以竞赛为牵引和考核，让学生经历从设计、动手、调试到竞赛、答辩等科研项目的全过程（图2为学生在水下机器人实践基地为竞赛做准备）。课程与竞赛结合，科研与教学结合，多学科知识的综合运用、跨专业领域实践能力训练，受到学生欢迎和好评，学生反馈这是一门投入最多、学到东西最多、感受最深的课程。

课程通过水下机器人设计原理的教学，以及学生自主研读相关论文，互相交流讨论相关关键技术和科研结果等，培养学生的学习研究兴趣及动力;通过以小组为单位设计并动手制作一种水下机器人，使学生掌握水下机器人动力建模设计、控制理论与应用、结构分析与设计、电力电子线路、软件开发、传感器信息及信号处理、材料分析等基本方法，并在系统方案设计中了解最佳性能评估的方法，包括静水性能分析：浮性及稳性，应用经验公式和系列图表等方法来预估水下机器人的水动力性能和推力需求; 通过结构分析与设计，掌握耐压结构设计、配重等方法;通过控制系统的学习和应用，掌握控制电路设计、控制算法设计和调试;结合推进系统的设计，估算推进功率及航速。最后，学生能依靠团队力量，分工协作，制作水下机器人实物样机，并通过竞赛进行实际测试。

（三）丰富的教学内容——全面提升学生能力

课程第一周发布竞赛题目并对题目、课程讲解，前四周为理论课，介绍设计方法、结构推进、控制系统、电路设计等方面的内容，后十二周学生分组开展实验。按照水下机器人设计的原理，实验课程分为四个基础模块实验和一个综合实物竞赛，顺利完成模块实验是进行综合实物竞赛的基础。基础模块实验包括：1.水下机器人外形及结构设计;2.水下机器人推进结构设计及推进器选型;3.水下机器人通信系统及电路集成设计;4.水

下机器人控制导航算法设计及调试。每个模块实验为8个学时，学生课外还需要完成相关内容的调研和基础设计，课内利用1学时进行检查，检查结果计入实验过程成绩。学生通过“课-赛”结合模式，实践能力全面提升。

三、“课-赛”结合特色课程的实践成果

（一）学生的创新意识与实践能力明显提升

通过“课-赛”结合，以竞赛为牵引让学生经历从设计、制作、集成、调试到竞赛、答辩等科研工作的全过程，实现专业知识从“珍珠到项链”的串联，同时培养了学生多学科知识的综合应用能力和团队合作精神，激发了学生的专业自豪感。学生通过解决实际问题，领略海洋机器人的魅力。

学生的创新意识与实践能力明显提升。海洋学院学子在国内外多个“水下机器人”竞赛中崭露头角，获得了多个一等奖奖项。除了成功举办校级竞赛，学院还鼓励学生向外拓展，走向学校以外的竞技舞台，并取得了亮眼的成绩。2018年5月21-25日在澳大利亚举行的国际机器人与自动化会议软体材料机器人挑战赛上，海洋学院学子获得软体抓手挑战赛一等奖等多个奖项;2018年7月10-11日在上海临港机器人竞赛中，海洋学院代表队跻身前三甲，获得较好成绩;2018年7月26-27日，在大连举行的第十一届国际水中机器人大赛中，海洋学院首次组队参赛即创佳绩，获得3项一等奖、2项二等奖和1项三等奖;2018年8月12日，海洋学院本科生在第七届全国航行器设计大赛上获得设计制作类（水下组）一等奖。

（二）创办国家级竞赛

通过三届学生的“课-赛”结合、三次校级“水下机器人竞赛”的历练，2019年海洋学院发起并创办了“遨拓杯”第一届全国大学生水下机器人学科竞赛（如图3、图4所示）。为全国海洋学子提供了国家级的交流竞技平台，并且该赛事被列入中国高等教育学会工程教育专业委员会联合浙江大学机器人研究院首次发布的“全国高校机器人竞赛创新指数”中。中国高等教育学会工程教育专业委员会与浙江大学机器人研究院共采集18项高校机器人竞赛。从竞赛贡献、组织贡献两个维度构建评估模型，以开设“机器人工程”专业的本科院校为对象，发布“全国高校机器人竞赛指数（本科）”清单，浙江大学排名TOP10%。

（三）促进海洋领域高端人才培养

面对世界海洋强国的竞争，加强海洋人才的培养对建设海洋强国具有重要的意义。海洋学院正处在融入国家战略、浙江大湾区和舟山群岛新区，把海洋学院建设成为太平洋西岸重要的海洋科教中心，为国家海洋战略培养更优秀的各类海洋人才，全面加快发展的重要战略机遇期。当前我国海洋科技的整体实力明显增强，急需人才。通过实践“课-赛”结合的人才培养模式、创办海洋领域国家级竞赛，不仅培养了本校学生实践能力和创新能力，也可以吸引相关工程类人才对海洋领域的关注，为国家海洋战略培养更优秀的高端海洋人才。

四、结束语

基于全国大学生水下机器人学科竞赛“课-赛”结合的人才培养模式，彰显了海洋学院的课程设计特色，加强了大学生创新能力、实践能力及团队协作精神的培养，为学生提供了综合运用海洋工程与技术知识、解决实际问题、领略海洋机器人魅力的优质平台，是学生理论联系实际，教学科研结合的良好探索和实践。

参考文献：

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