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陈卫东:以科技竞赛锻造科技尖兵
发表时间:2012-11-19 阅读次数:8611次

        ■ 正如自动控制的核心精髓——反馈控制,高校教学的课程体系设置与教学方法需要适应教学内容与教学对象,教学手段必须不断调整以适应学生和社会需求的不断变化。

  ■ 好奇心是最好的老师,但是如何激发学生的好奇心,并使之成为探索真理的基石却是个难题。因此,我们教师的任务就是要打破这种思维定势,激发学生的好奇心。

  ■ 对于人才培养来说,竞赛是手段,但绝不是目的。

  ■ 在人才培养体系上,逐步形成了课程培养-竞赛提高-科研创新三个环节的互动促进和递阶提升模式。

  胡锦涛总书记在清华百年校庆讲话中强调“不断提高质量,是高等教育的生命线,必须大力提升人才培养水平、大力增强科学研究能力、大力服务经济社会发展、大力推进文化传承创新”,这为高等教育在新的历史起点上科学发展指明了方向。而上海处在我国经济发展的最前沿,又正处在经济结构转型发展的关键时期,如何培养新型经济结构下的中高端创新人才,既注重基础研究、前沿高新技术研发和产学研用结合的平台建设,又坚持复合型、创新人才的培养,是高校学者们义不容辞的责任。

  以创新实践推动教学改革

  正如自动控制的核心精髓——反馈控制, 高校教学的课程体系设置与教学方法需要适应教学内容与教学对象,教学手段必须不断调整以适应学生和社会需求的不断变化。自动化学科本身具有鲜明的多学科交叉特点,它的基本理论提炼自不同领域的工程系统,再反过来指导这些系统的工程实践,这种提炼和指导的过程就是再创造的过程。因此需要我们准确把握学科的特色,打造独具特色的课程体系与教学方法。

  通过不断摸索积累,在运动控制课程群的教学改革中,形成了以实践为手段、以创新能力培养为目的课程体系。该课程体系中有以上海市精品课程为代表的专业理论课程,也有以科技创新课程为代表的实践课程,探索出一套理论教学和创新实践相结合的教学方式,增强学生的学习兴趣和主动性,变“要我学”为“我要学”,提高学生对于自动控制、人工智能、嵌入式系统、机器人学等多学科知识的综合运用能力,培养复合型人才。

  在以创新实践为主体的课程体系建设过程中,结合自动化专业特点,将“反馈-权衡-优化”的思想应用于教学中,逐渐改进教学方式和方法,在理论性强的课程教学中,注重抽象概念和实际应用的物理意义的联系,而在实践性较强的课程中则结合理论的指导意义使之融会贯通。在长期的教学实践中,逐渐摸索出以下规律:注重学生兴趣和动手能力的培养;注重理论与实践的结合。引导学生自觉地将习得的理论和实验结果相联系,从理论上分析实验现象和实验中出现的问题;注重鼓励学生了解相关领域的最新发展动向;注重学生团队协作能力的培养,让他们及早开始接触以项目为目标的工程概念。

  以动手实践培养开放思维

  好奇心是最好的老师,但是如何激发学生的好奇心,并使之成为探索真理的基石却是个难题。长期的应试教育使学生形成了“任何问题都有标准答案”的思维定势,过度依赖老师和书本,而自己不愿也不敢去尝试不同的解决途径。因此,我们教师的任务就是要打破这种思维定势,激发学生的好奇心。

  那么,怎样的工程系统能有助于完成这一使命呢?当看到同学们对机器人的巨大好奇与热情,答案就有了。智能机器人是机械、电子、自动控制、计算机和其它多门工程学科的交叉学科,蕴含着无限的探索空间,其正是开展创新型、复合型人才培养的绝佳平台。但在市场上却很难找到适合我们教学理念的教育机器人产品。

  没有现成的,就自己开发。2006年,我与团队成员一起自行研制了模块化教育机器人系统,力图突破传统的灌输式教育模式,利用机器人多学科交叉融合的特点,将机器人系统的软硬件以模块形式向学生开放。这套系统的组件包括:齿轮、连接件、车轮等机器人连接机构:摄像机、测距、光敏、接触开关、编码器等机器人传感器:伺服电机等机器人执行器;电源组件;机器人控制器等硬件模块与图形化-C编程环境结合的机器人编程软件。

  开放式的模块化教育机器人系统就像一堆积木块,各系统组件间有标准化接口,通过这些标准的软、硬件接口,学生可以根据自己的设想,在硬件上搭建机器人结构、在软件上编制机器人控制算法。没有一成不变的固定模式,没有所谓的标准答案,有的只是无穷的组合空间,激发的是开发者无限的想象力。

  近六年来,该系统应用于电院本科生的科技创新课程《智能机器人开发与实践》中,深受学生喜爱。该课程围绕国际标准的机器人竞赛项目展开,通过授课、分组、讨论、设计、开发与编程、调试、竞赛、报告与答辩等一系列教学环节,分阶段循序渐进地培养和锻炼学生运用知识、实践动手、解决问题与团队合作等多重能力。特别注意引导学生善于发现问题,并把大问题分解为一系列小问题,再找出其中的核心问题,进而按照优先顺序逐一解决。这种“分而治之”做法,让同学们对待“问题”不再望而却步,而是把发现问题当成解决问题的一个重要部分。每次课后,许多同学们会把机器人系统组件带回宿舍,挑灯夜战。讨论问题、参阅文献、提出方案、不断实验、不断改进,投入的时间和精力远远超出了课堂范围。

  在考核环节上,放弃了笔试,而是采用“竞赛+项目报告+答辩”的组合形式,竞赛模仿体操比赛,设规定动作和自选动作两类,即考核基本技能,又给每个小组充分的自由发挥空间。裁判员不仅包括教师还包括每一个小组代表,保证了公开公平,也通过评价别人的技术来重新认识自身技术的优缺点。答辩环节是考核的最后一环,锻炼的是总结、提炼和表达能力。许多小组的答辩作品图文并茂,并制作了精美的实验录像,同学间充分交流设计思想和开发经验。每届课程结束时,学生不仅能成功开发出课程规定的智能机器人作品,完成预定的实验内容,部分学生还创造性地开发了更高性能的机器人(如趋光仿生机器人、视觉寻线机器人等),表明了同学们踊跃的创造热情和巨大的创造潜能。

  教学反馈表明,通过以机器人为实例的学习和实验,有助于同学们能更深入地理解基础课所教授的抽象概念和理论,亲身体验理论与实践结合应用的完整过程,打破了技术神秘感和创新思维障碍,使他们更加主动,更加自信,更加敢于创造,也更加善于创造。

  在课程中表现优异的学生有机会进入实验室,通过进一步的科研训练,参与到更深层次的机器人竞赛和科研活动,为他们今后的学习和工作打下坚实的基础,同时也培养了他们从事工程学科研和实践的兴趣,启发他们树立更明确的事业目标。

  以科技竞赛锻造科技尖兵

  在课程建设的同时,2006年我们组建了竞赛机器人实验室,针对国内外公认的机器人和人工智能竞赛平台——“RoboCup机器人世界杯”,组织自动化专业的本科生和研究生,系统化、有组织地开展科学研究、技术开发和科技竞赛活动。

  对于人才培养来说,竞赛是手段,但绝不是目的。更重要的是引导同学们关注我们国家乃至全球的重大民生问题,共同探索解决方案。老龄化问题无疑是这样的热点问题。目前,我国60岁以上的老年人口已达1.6亿,老龄化问题日益加剧,越来越多的老年人需要照料;残疾人口超过8000万,迫切需要发展助老助残机器人技术。2008年,实验室正承担一项国家863计划助老助残机器人重点项目课题,也为同学们提供了开拓研究领域的平台,因此我们决定把助老助残服务机器人项目选定为竞赛机器人的主攻方向。

  在竞赛机器人实验平台的研发中,瞄准国际技术难题,将注意力集中在科学严谨的研发过程中,每周进行技术研讨会和实战训练等常规活动,不定期组织国内外的专家学者来讲学与指导,还鼓励学生们及时总结研究成果,撰写学术论文、申请专利,建立了浓厚的学术氛围,锻炼提高科研素养,培养他们逐步成为重要的科研力量。科研上孜孜以求,技术上精益求精,2007年以来,“交龙”机器人代表队在机器人各项竞赛中屡创佳绩,蝉联历届中国机器人大赛家庭组项目冠军。

  同学们通过竞赛活动的锻炼,树立了关注民生的社会责任感,他们更有激情、更加主动地投入科研活动。2010年,实验室研发的“交龙”智能轮椅和导游机器人入选上海世博会生命阳光馆(残疾人主题馆)的展出,向世界展示了助老助残机器人技术的新进展和交大学子的精神风貌,获得了世博会组织部门的好评和嘉奖。

  在人才培养体系上,逐步形成了课程培养-竞赛提高-科研创新三个环节的互动促进和递阶提升模式。

  以全球课程拓展全球视野

  当今世界全球化的大趋势,对具有全球视野的工程人才的培养提出了新挑战。从2009年起,我们与瑞士苏黎世大学的人工智能实验室合作,联合全球几十所大学,创办一个全球性的教育课程《上海人工智能系列讲座(The ShanghAI Lectures)》。本课程具体鲜明的国际化特色和丰富新颖的教学内容,是我们在全球化背景下对国际化教育手段的新尝试。

  课程内容涉及自然和人工智能系统,涵盖其基本概念、方法、技术和主要学术问题,具有高度的交叉学科特色,适合来自于工程学、机器人学、人工智能、计算机科学、生物学、神经科学、心理学等不同领域的学生。

  在教育技术手段上,采用交互视频会议技术,并充分利用中国至欧洲的国际学术网络链路,进行网上同步全球直播,来自交大以及国内和海外的其他院校的学生能够同时参加到全球课堂。2009年的第一届课程就是以上海交通大学作为现场授课地点向全球直播的。

  在授课教授的人选上也充分发挥了全球化的优势,每堂课包括两个部分,第一部分由国际人工智能知名学者Rolf Pfeifer教授主讲,第二部分邀请来自世界各国的专家学者,就相关热点专题进行讲座。

  全球课堂在线上课学生来自全世界4大洲的15所大学,包括中国、瑞士、英国、德国、西班牙、俄罗斯、日本、韩国、阿联酋、澳大利亚、阿尔及利亚等国家的知名学府。课堂上,来自全球各地的教授和学生突破空间阻隔,密切互动。

  除了课堂教学以外,来自全球的学生还组成国际化课题组,在11周的时间内,通过三维协作虚拟环境软件,协作完成专题研究和作业练习。

  这一国际化课程的教学实践,一方面为解决国际化教学中成本高、受益面小等问题提供了新途径;另一方面建立了一种国际化教育的新模式,有利于培养学生们的国际交流和合作能力,拓宽全球化视野。

  身为高校学者,深感人才培养的责任之重,不敢有一丝懈怠。社会的发展为人才培养提出了新要求、科技的发展为人才培养提供了新手段,在探索培养德才兼备的高素质创新性人才的道路上,我乐在其中。

  学者小传

  陈卫东,上海交通大学电子信息与电气工程学院自动化系教授,博士生导师。哈尔滨工业大学控制工程系学士和硕士,哈工大机器人研究所博士。1998年上海交通大学自动控制博士后流动站出站并留校任教。2003年至2004年在美国俄亥俄州立大学电气工程系担任访问副教授,2012年7月至9月在瑞士苏黎世大学人工智能实验室担任访问教授。

  研究方向包括移动机器人、多机器人系统和服务机器人。在国内外刊物和会议发表论文100余篇,已授权国家发明专利11项。承担了包括国家863计划重点、国家自然科学基金等国家级科研项目10余项。2004年当选上海市曙光学者,2007年当选教育部新世纪优秀人才,2008年获上海市科技进步奖三等奖,2010年被授予“上海世博工作优秀个人”荣誉。

  多年来积极探索教学的新手段和新方法,创立电院科技创新课程“智能机器人开发与实践”和“上海人工智能系列讲座”。带队获得国际和国内机器人比赛冠军多项,多次获得学校教学成果特等奖和一等奖,2004年获上海市教学成果一等奖。

  担任中国人工智能学会青年工作委员会副主任、RoboCup China Committee委员、中国自动化学会机器人竞赛工作委员会常委委员等。WCICA、IEEE ROBIO和IEEE ICIA等多个国际会议的程序委员,2011国际机器人与自动化大会(ICRA 2011)高级程序委员和展览协主席。

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