论文部分内容阅读
摘 要：足球机器人比赛不仅是人工智能和智能控制领域的重要研究平台和交流平台，其对抗性和趣味性也使其成为培养大学生综合研究素质，丰富校园文化的良好平台。文章阐述了在高校进行足球机器人比赛活动对学生科研能力、团队精神、社会活动能力等多方面的促进作用。并结合一些具体的活动实践，对校园足球机器人比赛的开展和组织，以及如何与课堂教学相结合等多个议题进行了探讨，提出了在学校开展这项活动的一些建议和措施。
关键词：足球机器人比赛 综合素质 科研实践能力
一、引言
目前，高等教育界已经形成一个共识：为了适应社会、经济发展对工程教育的新要求，必须加大工程教育的改革力度，提高人才的综合素质、工程实践能力、创业意识、创新能力。中科院顾秉林院士也认为我国高等教育缺少重要的实践训练环节。这一方面是因为高等教育中专业和专业课程的划分越来越细，一些相关专业知识分布在多门课程中，学生在学习过程中无法综合运用；另一方面也是因为课堂教学注重书本知识的教学，特别是专业基础课的知识往往在叙述形式上偏向理论，工程实践背景不是很明显，导致学生在学习的时候无法与工程实践中的实例相互印证。这些都使得学生往往学过的课程很快就遗忘了，大学四年毕业时感到没有真正掌握有用的专业知识。
为培养面向未来经济建设所需要的具有扎实专业知识和良好实践能力的高等教育人才，必须想办法克服目前高校教育中课堂教学与实践相脱节的问题，努力为学生创造实践的机会，培养学生的创新能力、研究能力、团队协作能力、社会能力等未来人才所必需的综合素质。
高校是一个知识高度密集的场所，也是教学和科研的主阵地。把科研与素质教育相结合，将科研的内容和方法延伸到素质教育中，是高校进行素质教育最为切实可行，也最容易为学生所接受的方式。在我们从事人工智能和智能控制相关研究中发现，作为人工智能的研究平台，足球机器人比赛不仅受到科研人员的广泛关注，而且因其自身的趣味性和对抗性，也为很多大学生所喜闻乐见。因此我们尝试利用足球机器人比赛这种形式，培养学生的科研和实践能力，既是提高课堂教学和科研实践相结合的重要手段，也能丰富学生课余文化生活，有助于构建校园良好风气。
二、足球机器人比赛简介
简单的说，足球机器人比赛就是在一个指定大小的场地内，由多个机器人组成相互合作球队，按照接近于人类足球比赛的规则，与另一队智能机器人进行对抗性比赛，其中机器人具有像人一样的感知环境，和向环境学习的能力。机器人足球比赛被视为一个重要的人工智能研究的载体，其研究包括智能控制、机器感知、机器情感、专家系统、人工生命、神经元网络和遗传算法等等。
目前在世界范围内，机器人足球比赛主要包括两大赛事，一是由韩国科学院金钟涣教授于1995年发起成立的国际机器人足球联合会（FIRA）举办的微机器人世界杯足球赛（MIROSOT）；一是日本于1997年发起的世界杯机器人足球赛（RoboCup）。机器人足球比赛一经提出，便得到各国科研学术机构的重视，已经成为全球性的机器人竞技运动。2008年两大国际赛事分别在中国的青岛和苏州举行，吸引来自世界各国数千人参加，赛事规模和水平都创造了历史之最。
但是，仅仅把机器人足球赛局限在研究的对象上是不够的。正如金钟涣教授所说：青少年是我们的未来，如何让我们的青年朋友积极地参与我们的科研活动，是件很重要的事情。因此，设立足球机器人比赛的初衷不仅为了推动人工智能技术的发展，同时也与顺应现代高等教育发展，提高学生综合素质的目标相一致。
三、大学生开展足球机器人比赛活动的意义
作为高校学生综合素质教育的一种形式，开展足球机器人比赛的目的是为了提高学生的学习兴趣、拓展学生的视野、提高掌握的专业知识水平、增强独立研究的能力、改善学生的综合素质。
首先，作为课堂教学的重要补充，開展足球机器人比赛的活动可以起到提供理论联系实际的作用。
大学课堂专业教学信息量非常大，而且由于是对工程应用的抽象，其表现形式也往往难以理解，比如自控原理中的频域描述方式、人工神经网络的学习方式等。学生缺乏实践认知，无法将这些基础理论和实际应用对应起来。
足球机器人系统相对来说规模小，涉及的专业领域密集，而且足球机器人系统或其子系统在所涉及的领域都非常典型，比如机器人车体电机控制是一种典型的二阶系统控制，运动控制是典型的非完整系统控制，决策系统是典型的合作多智能体决策等等。因此，足球机器人的任何一个部分都可以作为一个具体的学习实例，非常有助于学生掌握课堂上所学的知识。
第二，足球机器人系统的设计和开发有助于提高学生的研究和创新能力。
现代高等教育中的能力教育包括专业能力、方法能力、社会能力和关键能力。其中方法能力的教育重在培养学生面对实际问题制定解决方案，创新性地研究解决方法，和实施的能力。
足球机器人系统具有鲜明的实践背景，其设计受到各种实际因素的影响，比如电路中耦合干扰、无线通讯中的电磁干扰，机器人运动机构打滑、仿真比赛的通讯时延等。这些问题往往超出了课堂所学的专业知识范围，或者是多种专业知识的综合。利用足球机器人比赛这一形式，可以让学生在实践中完成从课题分析到系统实现的全过程，使学生的科研创新能力得到很好的锻炼。
第三，足球机器人系统的设计过程也是对学生团队合作能力的培养过程。
足球机器人系统涵盖的领域很广，涉及电子、人工智能、软件编程等多个方面，往往需要多人协作完成。而且，足球机器人系统各组成部分联系紧密，几乎不可能孤立地完成某部分的开发。这意味着同一研究小组的成员必须通力合作，设计合理的分工层次、研究进度、协调机制等。这对提高学生团队意识，增强团队协调能力和社交能力具有重要意义。
最后，开展足球机器人比赛也对科研教学人员的素质起到促进作用，有助于科研教学水平的提高。
以兴趣小组形式参与活动的大学生可能在水平上无法达到从事足球机器人研究课题的老师或研究生的水平，但是学生在开发过程中提出的创新性方案和方法却能为科研所借鉴。而且有兴趣的学生可以在研究生阶段延续他们关于机器人的研究，这种研究的延续性无疑为人工智能和机器人学的研究提供了优秀的后续人才。
另一方面，当学生在足球机器人系统研发过程中所遇到的专业问题，无疑会与指导老师或任课老师讨论。这就要求老师必须具备广泛的知识储备，对提高高校电子信息相关学科教师的业务水平具有重要的意义。
四、推广足球机器人比赛的实践摸索
为了配合课堂教学，提高学生的科研和实践能力，我们在过去几年对校园足球机器人比赛活动做了大量的尝试。
最初的尝试是在二级学院一级的范围内进行足球机器人比赛，吸引学院内数十位本科同学参加。比赛由实验室提供场地和设备，并完成比赛的组织工作。比赛过程顺利，参赛学生感到收获很多。但是也发现一些问题，比如由实验室进行赛事组织，一方面人手不足，场地受限，另一方面，采用实体机器人比赛，机器人的损耗比较大。此外宣传的力度不够。
在之后的比赛中，我们将赛事组织和技术支持分开，由学生会负责比赛的组织、宣传和协调，由课题实验室提供技术支持。两方面配合，充分发挥学生的自主能力和实验室的技术优势。而且采用仿真比赛为主，实体机器人为辅的比赛方式，突出足球机器人比赛中智能决策的较量，也降低了培训的强度和难度，使更多的学生以更快地参与到这项活动中来。改进后的足球机器人比赛扩展到全校范围，吸引数百名学生参与，取得了非常好的效果。
之后，我们学院适时推出了各种智能机器人相关的活动，比如机器人仿真救援比赛、飞思卡尔自主小车比赛等等。并且依托多个实验室建立了机器人交流网站，在校园里形成了较为稳固的智能机器人交流机制和活动氛围，初步形成了校园文化中的智能机器人文化。
五、关于开展足球机器人比赛的思考
通过上述的活动，我们发现足球机器人比赛涵盖的形式很丰富，完全可以根据学生和学校的基本状况挑选不同的项目构成校园足球机器人比賽活动，而且在活动的组织上应该具有自身的特色。
首先，在活动的组织上，以学生为主体。在比赛的活动策划、组织、协调等各方面充分利用学校或学院学生会及学生团体的力量，提高他们参与的积极性。
其次，在比赛形式上，应该循序渐进，将仿真比赛和实物比赛结合起来，以仿真比赛为切入点，适时开展实体机器人比赛，并扩展到其他的比赛项目。
足球机器人比赛对技术和设备的要求是比较高的，需要大量的资金和技术投入，在校园大规模推广的足球机器人比赛中追求高技术含量是不现实的。由于足球机器人比赛中最关键的是机器人智能协作行为的开发，而且足球机器人比赛的仿真平台在拟真度和易用性方面都达到了比较高的水平，选择足球机器人仿真比赛平台是很不做的选择，其可观赏性几乎可以达到实体机器人比赛的水平。此外实体足球机器人的比赛，以及其他机器人比赛，如机器人仿真救援等，可以作为仿真比赛的补充。鼓励一部分水平比较好的学生组成兴趣小组，进行实体足球机器人系统的开发。
第三，在学生的组织形式上，为便于形成长期的机制和培养学生团队意识，参与比赛的学生应该以兴趣小组为主体。这样，一方面学生可以通过团队合作，提高开发的效率和水平；另一方面，成果比较好的小组可以延续下来，形成比较固定的兴趣小组，建立长期的兴趣小组研究机制，成为校园文化的一部分。
第四，作为兴趣活动的重要补充，校园足球机器人比赛互动应该与课堂教学有一定的互动，鼓励与机器人设计相关的课堂教学的老师了解足球机器人比赛，使学生能在兴趣的层次上更进一步，对专业理论知识有更深的认识和理解，提高学生学习掌握专业知识的能力。
六、结论
高等教育中的素质教育强调学生的综合素质，包括科研、实践、社会等等，以应对未来高层次人才的需求。为了充分利用高校在科研和实践方面的资源，提高学生的科研兴趣和实践能力、团队合作能力、综合专业水平、社会交往能力，我们尝试在校园推广足球机器人比赛项目。我们认为，由于足球机器人比赛固有的高科技平台性质，以及涵盖广泛的专业领域，只要合理的选择和利用它完全可以成为目前很多高校推广的一项集科研和大学生素质培养于一体的校园文化活动，对大学生综合素质的培养具有重要的意义。
参考文献：
[1]顾秉林. 工程教育中亟待解决的三个问题. 中国高等教育，2002，（22）：9-11.
[2]丁俊武. 发展人工智能技术的新的里程碑——访“足球机器人之父”金钟涣教授. 机器人技术与应用，1998，(5): 2-4.
[3]陈梓城. 构建素质养成体系的能力观素质观及其原则. 九江职业技术学院学报, 2004, (2): 8-11.
作者简介：陈鑫，1977年6月出生，现为中南大学信息科学与工程学院讲师。
关键词：足球机器人比赛 综合素质 科研实践能力
一、引言
目前，高等教育界已经形成一个共识：为了适应社会、经济发展对工程教育的新要求，必须加大工程教育的改革力度，提高人才的综合素质、工程实践能力、创业意识、创新能力。中科院顾秉林院士也认为我国高等教育缺少重要的实践训练环节。这一方面是因为高等教育中专业和专业课程的划分越来越细，一些相关专业知识分布在多门课程中，学生在学习过程中无法综合运用；另一方面也是因为课堂教学注重书本知识的教学，特别是专业基础课的知识往往在叙述形式上偏向理论，工程实践背景不是很明显，导致学生在学习的时候无法与工程实践中的实例相互印证。这些都使得学生往往学过的课程很快就遗忘了，大学四年毕业时感到没有真正掌握有用的专业知识。
为培养面向未来经济建设所需要的具有扎实专业知识和良好实践能力的高等教育人才，必须想办法克服目前高校教育中课堂教学与实践相脱节的问题，努力为学生创造实践的机会，培养学生的创新能力、研究能力、团队协作能力、社会能力等未来人才所必需的综合素质。
高校是一个知识高度密集的场所，也是教学和科研的主阵地。把科研与素质教育相结合，将科研的内容和方法延伸到素质教育中，是高校进行素质教育最为切实可行，也最容易为学生所接受的方式。在我们从事人工智能和智能控制相关研究中发现，作为人工智能的研究平台，足球机器人比赛不仅受到科研人员的广泛关注，而且因其自身的趣味性和对抗性，也为很多大学生所喜闻乐见。因此我们尝试利用足球机器人比赛这种形式，培养学生的科研和实践能力，既是提高课堂教学和科研实践相结合的重要手段，也能丰富学生课余文化生活，有助于构建校园良好风气。
二、足球机器人比赛简介
简单的说，足球机器人比赛就是在一个指定大小的场地内，由多个机器人组成相互合作球队，按照接近于人类足球比赛的规则，与另一队智能机器人进行对抗性比赛，其中机器人具有像人一样的感知环境，和向环境学习的能力。机器人足球比赛被视为一个重要的人工智能研究的载体，其研究包括智能控制、机器感知、机器情感、专家系统、人工生命、神经元网络和遗传算法等等。
目前在世界范围内，机器人足球比赛主要包括两大赛事，一是由韩国科学院金钟涣教授于1995年发起成立的国际机器人足球联合会（FIRA）举办的微机器人世界杯足球赛（MIROSOT）；一是日本于1997年发起的世界杯机器人足球赛（RoboCup）。机器人足球比赛一经提出，便得到各国科研学术机构的重视，已经成为全球性的机器人竞技运动。2008年两大国际赛事分别在中国的青岛和苏州举行，吸引来自世界各国数千人参加，赛事规模和水平都创造了历史之最。
但是，仅仅把机器人足球赛局限在研究的对象上是不够的。正如金钟涣教授所说：青少年是我们的未来，如何让我们的青年朋友积极地参与我们的科研活动，是件很重要的事情。因此，设立足球机器人比赛的初衷不仅为了推动人工智能技术的发展，同时也与顺应现代高等教育发展，提高学生综合素质的目标相一致。
三、大学生开展足球机器人比赛活动的意义
作为高校学生综合素质教育的一种形式，开展足球机器人比赛的目的是为了提高学生的学习兴趣、拓展学生的视野、提高掌握的专业知识水平、增强独立研究的能力、改善学生的综合素质。
首先，作为课堂教学的重要补充，開展足球机器人比赛的活动可以起到提供理论联系实际的作用。
大学课堂专业教学信息量非常大，而且由于是对工程应用的抽象，其表现形式也往往难以理解，比如自控原理中的频域描述方式、人工神经网络的学习方式等。学生缺乏实践认知，无法将这些基础理论和实际应用对应起来。
足球机器人系统相对来说规模小，涉及的专业领域密集，而且足球机器人系统或其子系统在所涉及的领域都非常典型，比如机器人车体电机控制是一种典型的二阶系统控制，运动控制是典型的非完整系统控制，决策系统是典型的合作多智能体决策等等。因此，足球机器人的任何一个部分都可以作为一个具体的学习实例，非常有助于学生掌握课堂上所学的知识。
第二，足球机器人系统的设计和开发有助于提高学生的研究和创新能力。
现代高等教育中的能力教育包括专业能力、方法能力、社会能力和关键能力。其中方法能力的教育重在培养学生面对实际问题制定解决方案，创新性地研究解决方法，和实施的能力。
足球机器人系统具有鲜明的实践背景，其设计受到各种实际因素的影响，比如电路中耦合干扰、无线通讯中的电磁干扰，机器人运动机构打滑、仿真比赛的通讯时延等。这些问题往往超出了课堂所学的专业知识范围，或者是多种专业知识的综合。利用足球机器人比赛这一形式，可以让学生在实践中完成从课题分析到系统实现的全过程，使学生的科研创新能力得到很好的锻炼。
第三，足球机器人系统的设计过程也是对学生团队合作能力的培养过程。
足球机器人系统涵盖的领域很广，涉及电子、人工智能、软件编程等多个方面，往往需要多人协作完成。而且，足球机器人系统各组成部分联系紧密，几乎不可能孤立地完成某部分的开发。这意味着同一研究小组的成员必须通力合作，设计合理的分工层次、研究进度、协调机制等。这对提高学生团队意识，增强团队协调能力和社交能力具有重要意义。
最后，开展足球机器人比赛也对科研教学人员的素质起到促进作用，有助于科研教学水平的提高。
以兴趣小组形式参与活动的大学生可能在水平上无法达到从事足球机器人研究课题的老师或研究生的水平，但是学生在开发过程中提出的创新性方案和方法却能为科研所借鉴。而且有兴趣的学生可以在研究生阶段延续他们关于机器人的研究，这种研究的延续性无疑为人工智能和机器人学的研究提供了优秀的后续人才。
另一方面，当学生在足球机器人系统研发过程中所遇到的专业问题，无疑会与指导老师或任课老师讨论。这就要求老师必须具备广泛的知识储备，对提高高校电子信息相关学科教师的业务水平具有重要的意义。
四、推广足球机器人比赛的实践摸索
为了配合课堂教学，提高学生的科研和实践能力，我们在过去几年对校园足球机器人比赛活动做了大量的尝试。
最初的尝试是在二级学院一级的范围内进行足球机器人比赛，吸引学院内数十位本科同学参加。比赛由实验室提供场地和设备，并完成比赛的组织工作。比赛过程顺利，参赛学生感到收获很多。但是也发现一些问题，比如由实验室进行赛事组织，一方面人手不足，场地受限，另一方面，采用实体机器人比赛，机器人的损耗比较大。此外宣传的力度不够。
在之后的比赛中，我们将赛事组织和技术支持分开，由学生会负责比赛的组织、宣传和协调，由课题实验室提供技术支持。两方面配合，充分发挥学生的自主能力和实验室的技术优势。而且采用仿真比赛为主，实体机器人为辅的比赛方式，突出足球机器人比赛中智能决策的较量，也降低了培训的强度和难度，使更多的学生以更快地参与到这项活动中来。改进后的足球机器人比赛扩展到全校范围，吸引数百名学生参与，取得了非常好的效果。
之后，我们学院适时推出了各种智能机器人相关的活动，比如机器人仿真救援比赛、飞思卡尔自主小车比赛等等。并且依托多个实验室建立了机器人交流网站，在校园里形成了较为稳固的智能机器人交流机制和活动氛围，初步形成了校园文化中的智能机器人文化。
五、关于开展足球机器人比赛的思考
通过上述的活动，我们发现足球机器人比赛涵盖的形式很丰富，完全可以根据学生和学校的基本状况挑选不同的项目构成校园足球机器人比賽活动，而且在活动的组织上应该具有自身的特色。
首先，在活动的组织上，以学生为主体。在比赛的活动策划、组织、协调等各方面充分利用学校或学院学生会及学生团体的力量，提高他们参与的积极性。
其次，在比赛形式上，应该循序渐进，将仿真比赛和实物比赛结合起来，以仿真比赛为切入点，适时开展实体机器人比赛，并扩展到其他的比赛项目。
足球机器人比赛对技术和设备的要求是比较高的，需要大量的资金和技术投入，在校园大规模推广的足球机器人比赛中追求高技术含量是不现实的。由于足球机器人比赛中最关键的是机器人智能协作行为的开发，而且足球机器人比赛的仿真平台在拟真度和易用性方面都达到了比较高的水平，选择足球机器人仿真比赛平台是很不做的选择，其可观赏性几乎可以达到实体机器人比赛的水平。此外实体足球机器人的比赛，以及其他机器人比赛，如机器人仿真救援等，可以作为仿真比赛的补充。鼓励一部分水平比较好的学生组成兴趣小组，进行实体足球机器人系统的开发。
第三，在学生的组织形式上，为便于形成长期的机制和培养学生团队意识，参与比赛的学生应该以兴趣小组为主体。这样，一方面学生可以通过团队合作，提高开发的效率和水平；另一方面，成果比较好的小组可以延续下来，形成比较固定的兴趣小组，建立长期的兴趣小组研究机制，成为校园文化的一部分。
第四，作为兴趣活动的重要补充，校园足球机器人比赛互动应该与课堂教学有一定的互动，鼓励与机器人设计相关的课堂教学的老师了解足球机器人比赛，使学生能在兴趣的层次上更进一步，对专业理论知识有更深的认识和理解，提高学生学习掌握专业知识的能力。
六、结论
高等教育中的素质教育强调学生的综合素质，包括科研、实践、社会等等，以应对未来高层次人才的需求。为了充分利用高校在科研和实践方面的资源，提高学生的科研兴趣和实践能力、团队合作能力、综合专业水平、社会交往能力，我们尝试在校园推广足球机器人比赛项目。我们认为，由于足球机器人比赛固有的高科技平台性质，以及涵盖广泛的专业领域，只要合理的选择和利用它完全可以成为目前很多高校推广的一项集科研和大学生素质培养于一体的校园文化活动，对大学生综合素质的培养具有重要的意义。
参考文献：
[1]顾秉林. 工程教育中亟待解决的三个问题. 中国高等教育，2002，（22）：9-11.
[2]丁俊武. 发展人工智能技术的新的里程碑——访“足球机器人之父”金钟涣教授. 机器人技术与应用，1998，(5): 2-4.
[3]陈梓城. 构建素质养成体系的能力观素质观及其原则. 九江职业技术学院学报, 2004, (2): 8-11.
作者简介：陈鑫，1977年6月出生，现为中南大学信息科学与工程学院讲师。