《華盛頓協(xié)議》背景下智能機(jī)器人課程改革與實(shí)踐

張新強(qiáng)　周國順　李濱虎

摘 要：智能機(jī)器人課程是多學(xué)科技術(shù)發(fā)展的前沿綜合，是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的良好平臺(tái)。文章從課程教學(xué)層面提出將學(xué)生能力培養(yǎng)體系與OBE教學(xué)理念相結(jié)合，通過提升課堂教學(xué)水準(zhǔn)、仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、科研與教學(xué)相結(jié)合、項(xiàng)目組間協(xié)同的方式，探索課程教學(xué)過程中提升學(xué)生工程實(shí)踐能力的思路與方法。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)器人；項(xiàng)目實(shí)踐；工程實(shí)踐能力；智能科學(xué)與技術(shù)

0 引 言

2016年6月2日，我國成為《華盛頓協(xié)議》正式締約成員，這不僅為我國工程專業(yè)畢業(yè)生進(jìn)入國際市場提供了可行性，而且有力地促進(jìn)了我國工程教育面向世界[1]?！度A盛頓協(xié)議》的宗旨在于通過成員國之間工程教育資格的多邊認(rèn)可，促進(jìn)工程學(xué)位的互認(rèn)和工程技術(shù)人員的國際流動(dòng)。加入《華盛頓協(xié)議》為我國高等工程教育帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)[2]。我國工科本科畢業(yè)生的工程實(shí)踐能力相對較弱，需要持續(xù)教學(xué)改革提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

智能機(jī)器人課程是大連東軟軟件學(xué)院智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課，開設(shè)在大三下學(xué)期。智能機(jī)器人涉及多學(xué)科技術(shù)發(fā)展的前沿，綜合機(jī)械、控制、電子、通信、人工智能等多個(gè)領(lǐng)域，是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的綜合平臺(tái)。本文主要在智能機(jī)器人課程教學(xué)實(shí)踐過程中，結(jié)合《華盛頓協(xié)議》背景下工程教育的特點(diǎn)，從課程層面探索提升學(xué)生工程實(shí)踐能力的思路與方法。

1 課程規(guī)劃設(shè)置

1.1 教學(xué)目標(biāo)

通過理論和實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生了解了智能機(jī)器人領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論，掌握與智能機(jī)器人相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方法，同時(shí)學(xué)習(xí)機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）的相關(guān)知識(shí)，提高學(xué)習(xí)興趣，為以后深入學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)打下良好基礎(chǔ)。將學(xué)生的能力培養(yǎng)體系[3]與OBE（Outcomes-based Education）教學(xué)理念相結(jié)合，把教學(xué)目標(biāo)分為目標(biāo)內(nèi)容、培養(yǎng)能力、掌握程度、具體描述等方面，其對應(yīng)詳細(xì)指標(biāo)見表1。學(xué)生能力的培養(yǎng)貫穿課程的整個(gè)過程中。

1.2 教學(xué)內(nèi)容

智能機(jī)器人包括機(jī)械臂、移動(dòng)機(jī)器人、人形機(jī)器人等，由于課時(shí)有限，同時(shí)考慮ROS系統(tǒng)平臺(tái)友好支持性，本課程以移動(dòng)機(jī)器人為重點(diǎn)講授內(nèi)容。教材選擇Gerald Cook所著Navigation Control and Remote Sensing一書的中文版[4]，實(shí)驗(yàn)參考教材選擇Jason M和O'Kane所著A Gentle Introduction to ROS一書的中文版[5]。

智能機(jī)器人課程內(nèi)容分為3個(gè)模塊：機(jī)器人緒論、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、ROS系統(tǒng)。其中機(jī)器人緒論主要包括機(jī)器人簡介、發(fā)展歷史、基本結(jié)構(gòu)、分類、應(yīng)用等內(nèi)容；機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)主要包括位置描述、方位描述、坐標(biāo)系描述、操作臂手爪位置描述、坐標(biāo)平移、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、一般映射、齊次坐標(biāo)與變換、平移與旋轉(zhuǎn)算子、變換算子一般形式、變換矩陣的運(yùn)算、連桿參數(shù)，連桿坐標(biāo)系、連桿變換和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、運(yùn)動(dòng)學(xué)綜合應(yīng)用、運(yùn)動(dòng)學(xué)綜合應(yīng)用；ROS系統(tǒng)主要包括ROS的安裝配置，文件系統(tǒng)介紹ROS包操作，linux下編譯及運(yùn)行ROS節(jié)點(diǎn)、話題、服務(wù)和參數(shù)等概念理解消息發(fā)布及訂閱機(jī)器人服務(wù)器及客戶端編程、錄制與回放、手動(dòng)創(chuàng)建過程、wswtf、roslaunch、消息自定義、rviz、tf、Turtlebot模擬器、URDF機(jī)器人描述文件、PCL庫、OpenCV庫、感知、定位、導(dǎo)航等。

本課程共64學(xué)時(shí)，理論課時(shí)48學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)16學(xué)時(shí)（共8次實(shí)驗(yàn)）。8次實(shí)驗(yàn)貫穿整個(gè)理論課講授過程，是學(xué)生提高實(shí)踐創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)分別為實(shí)驗(yàn)一3D點(diǎn)云運(yùn)算——平移；實(shí)驗(yàn)二3D點(diǎn)云運(yùn)算——旋轉(zhuǎn)；實(shí)驗(yàn)三3D點(diǎn)云運(yùn)算——變換矩陣；實(shí)驗(yàn)四3D點(diǎn)云繞軸旋轉(zhuǎn)、連桿坐標(biāo)系變換；實(shí)驗(yàn)五ROS配置；實(shí)驗(yàn)六ROS基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)七機(jī)器人服務(wù)器客戶端實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)八Turtlebot機(jī)器人跟蹤導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)。

1.3 考核方式

課程總成績由平時(shí)的形成性考核（55%）和期末的終結(jié)性考核（45%）組成。其中形成性考核分為3次理論作業(yè)（每次滿分5分）和8次實(shí)驗(yàn)作業(yè)（每個(gè)實(shí)驗(yàn)滿分5分），共55分。終結(jié)性考核采用答辯方式，成績?yōu)榘俜种疲ㄕ伎偡值?5%），包括項(xiàng)目報(bào)告（20分）、口試題庫（40分，從50道題庫中抽取4道，每道10分）、項(xiàng)目（40分，項(xiàng)目功能運(yùn)行10分，項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)代碼問題3個(gè)，每個(gè)10分）。

2 課程實(shí)施問題及改進(jìn)

2.1 提升課堂教學(xué)水準(zhǔn)

美國加州大學(xué)洛杉磯分校副校長辛蒂·范（Cindy Fan）在參加完我國大學(xué)的評(píng)估后，提出了課堂教學(xué)“五重境界說”，即第一階段是沉默（Silence），學(xué)生對教師講課和提問沒有任何反應(yīng)，也從不記筆記；第二階段是回答（Answer），學(xué)生在課堂上只是簡單地回答“Yes”或“No”；第三階段是互動(dòng)交流（Dialogue），學(xué)生和教師積極互動(dòng)交流；第四階段是提問質(zhì)疑（Critical），學(xué)生不僅與教師互動(dòng)，還會(huì)質(zhì)疑教科書和教師講授的觀點(diǎn)；第五階段是辯論（Debate），學(xué)生與教師對問題的不同觀點(diǎn)進(jìn)行爭論[6]。如何改變學(xué)生課堂上只會(huì)沉默或簡單回答的沉悶狀態(tài)，讓學(xué)生可以互動(dòng)交流、提出質(zhì)疑，甚至可以辯論，是提升學(xué)生本課程學(xué)習(xí)效果的關(guān)鍵。

本課程的教學(xué)過程中采用多種教學(xué)手段和教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生積極參與課程教學(xué)。比如，在講解緒論部分時(shí)，為了引導(dǎo)學(xué)生明確移動(dòng)機(jī)器人要解決的3個(gè)基本問題：“Where am I”“Where am I going”“How do I get there”以及解決這3個(gè)問題的基本方法，先播放一段機(jī)器人定位導(dǎo)航的視頻，讓大家直觀明白要學(xué)習(xí)的知識(shí)內(nèi)容，進(jìn)而引出問題。然后，組織大家分組討論，討論后每組選代表陳述觀點(diǎn)。最后教師點(diǎn)評(píng)，總結(jié)大家意見，以提問互動(dòng)方式總結(jié)機(jī)器人感知、目標(biāo)識(shí)別、路徑規(guī)劃的基本方法。通過多種教學(xué)手段與方法的使用，將抽象概念與生活中常見事物類比，引導(dǎo)學(xué)生在課程教學(xué)過程中把課堂變成“質(zhì)疑”和“辯論”的場所。endprint

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是智能機(jī)器人教學(xué)不可或缺的重要環(huán)節(jié)，學(xué)生只有通過實(shí)驗(yàn)及實(shí)際編寫程序才能融會(huì)貫通課堂教學(xué)的理論知識(shí)，學(xué)會(huì)智能機(jī)器人在實(shí)際工程中的應(yīng)用。本課程把移動(dòng)機(jī)器人作為重點(diǎn)講授內(nèi)容，側(cè)重機(jī)器人的感知、定位、導(dǎo)航等方面。實(shí)驗(yàn)以Ubuntu系統(tǒng)和ROS系統(tǒng)為平臺(tái)，學(xué)生完成8個(gè)實(shí)驗(yàn)共16學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)室。每個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都和理論內(nèi)容息息相關(guān)，充分利用ROS系統(tǒng)硬件抽象、進(jìn)程間消息傳遞等特點(diǎn)，使用實(shí)體實(shí)驗(yàn)與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)體實(shí)驗(yàn)使用實(shí)驗(yàn)室的20臺(tái)Turtlebot機(jī)器人開展，仿真實(shí)驗(yàn)使用ROS系統(tǒng)和Gazebo軟件在電腦上進(jìn)行?；赗OS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)編寫一次代碼，不需要修改即可在實(shí)體平臺(tái)和仿真平臺(tái)上分別運(yùn)行。這樣，學(xué)生可以隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行課上課下一體化學(xué)習(xí)實(shí)踐。

2.3 科研與教學(xué)合理結(jié)合

智能機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展日新月異，在教學(xué)的過程中引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注本領(lǐng)域的前沿發(fā)展動(dòng)向，可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。比如，在講解機(jī)器人環(huán)境感知部分時(shí)，給學(xué)生講解目前解決單目視覺中尺度問題比較好的方法，將IMU和單目相結(jié)合，介紹香港科技大學(xué)沈劭劼團(tuán)隊(duì)的最新工作，同時(shí)對比了蘋果公司剛剛發(fā)布的ARKit，對比學(xué)術(shù)界和工業(yè)界目前最新的技術(shù)和發(fā)展方向。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中表現(xiàn)出極大的學(xué)習(xí)興趣。又比如，平時(shí)的第二次作業(yè)讓學(xué)生查找人工智能算法在移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用，并做簡單綜述。學(xué)生檢索前沿科研知識(shí)的過程中，也意識(shí)到形成自己查找相關(guān)科技文獻(xiàn)的途徑并定期跟蹤的重要性，為課程以后的深入學(xué)習(xí)、科研和開發(fā)產(chǎn)品打下了良好的基礎(chǔ)。

2.4 課程項(xiàng)目分組協(xié)同完成

《華盛頓協(xié)議》對畢業(yè)生提出12條素質(zhì)要求，不僅要求工程知識(shí)、工程能力，還強(qiáng)調(diào)溝通、團(tuán)隊(duì)合作等方面的能力，而良好的溝通能力與團(tuán)隊(duì)合作能力是解決復(fù)雜工程問題的重要保障。課程終結(jié)性考核的項(xiàng)目由學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)完成，自主命題應(yīng)用場景，使機(jī)器人完成相關(guān)工作任務(wù)，包括機(jī)器人感知、定位、導(dǎo)航和人機(jī)交互等功能。學(xué)生以小組為單位，每組4人，題目自擬，自擬題目內(nèi)容及規(guī)模需經(jīng)教師確認(rèn)符合要求方可。項(xiàng)目分為需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、編碼4個(gè)階段。每組學(xué)生需做出詳細(xì)的開發(fā)日程表，并按日更新進(jìn)度。教師按期檢查進(jìn)度及成果文檔或代碼。最終學(xué)生寫出項(xiàng)目報(bào)告，完成代碼并現(xiàn)場答辯。通過分組及任務(wù)分解，學(xué)生能通過文檔進(jìn)行溝通，提高了溝通表達(dá)能力。在完成移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)過程中，小組成員通過協(xié)同解決復(fù)雜工程實(shí)踐問題，提高了團(tuán)隊(duì)合作能力。

3 課程教學(xué)效果

學(xué)生通過平時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，充分利用課余時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了課上課下實(shí)踐一體化，把課堂上相對抽象的公式寫成了可執(zhí)行的程序代碼。學(xué)生在將數(shù)學(xué)語言變換為程序的過程中，能夠把知識(shí)變?yōu)樽约旱睦斫?，成為自己的知識(shí)，并通過實(shí)驗(yàn)達(dá)到了實(shí)踐檢驗(yàn)理論的目的。

學(xué)生在綜合平時(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，4人分組協(xié)同工作，自擬題目，選擇應(yīng)用場景，使用移動(dòng)機(jī)器人感知、定位、導(dǎo)航、人機(jī)交互等技術(shù)，完成了移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用仿真與實(shí)體結(jié)合的方式，通過編寫代碼實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的預(yù)期功能。部分學(xué)生項(xiàng)目見圖1、圖2。

4 結(jié) 語

智能機(jī)器人課程是智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程，是涉及多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的課程，是理論實(shí)踐并重的課程。2015年、2016年和2017年，學(xué)校共進(jìn)行了3輪教學(xué)，在《華盛頓協(xié)議》背景下從課程教學(xué)層面將學(xué)生的能力培養(yǎng)體系與OBE教學(xué)理念相結(jié)合，通過提升課堂教學(xué)水準(zhǔn)、仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、科研與教學(xué)相結(jié)合、項(xiàng)目組間協(xié)同的方式，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中提高了工程實(shí)踐能力。學(xué)校2012年進(jìn)行智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)招生，專業(yè)成立時(shí)間較短，教學(xué)積累不足，如何更好地改善教學(xué)模式、達(dá)到教學(xué)相長，如何更好地從課程層面支持培養(yǎng)《華盛頓協(xié)議》對畢業(yè)生提出的12條素質(zhì)要求，還需要持續(xù)進(jìn)行教學(xué)探索與改革。endprint