智能機器人方向的實踐教學體系改革探討

吉鴻海 畢 松 李志軍 徐繼寧 范國梁

(北方工業(yè)大學 北京 100144)

一、引言

(一)背景

近年來，機器人在城市安全、電力、醫(yī)療、教育、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、家庭服務(wù)等幾乎所有與社會生活相關(guān)的產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。機器人已經(jīng)成為“十三五”規(guī)劃的重要產(chǎn)業(yè)方向，《機器人產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中明確指出智能機器人將發(fā)展成為具有千億規(guī)模的巨大市場，據(jù)權(quán)威預測，未來5 年我國智能機器人領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員和工程師的需求巨大。

新型工科專業(yè)人才的典型特征之一就是具有復雜工程問題解決能力，而面向復雜工程問題是新型工科培養(yǎng)方法與傳統(tǒng)工科教學方法的重要區(qū)別，如何設(shè)計復雜工程問題就成為新型工科教學的重點問題之一。智能機器人方向是典型的面向產(chǎn)業(yè)、面向世界、面向未來的新興工科專業(yè)，具有典型的多學科交叉的特點，是培養(yǎng)具有產(chǎn)教融合、多學科交叉能力的新型工科人才的良好載體。因此，智能機器人方向的綜合實踐教學就是“新工科”背景下培養(yǎng)和鍛煉解決復雜工程問題能力的典型教學方式，該綜合實踐教學體系改革探討具有重要的理論意義和實踐價值。

（二）現(xiàn)狀

以智能機器人為對象，不同高校對“新工科”背景下的教學模式進行了深入研究和探討。廣東理工學院對工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)教學改革進行了探索[2]。天津大學制作了一套互聯(lián)網(wǎng)+機器人智能制售系統(tǒng)，滿足了實踐教學與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)需求[3]。上海理工大學以“成果導向”教育理念為前提條件，把專業(yè)教育成果作為出發(fā)點，對基于“成果導向”教育理念的機器人工程專業(yè)人才實踐能力培養(yǎng)模式進行了探索[4]。

（三）問題

傳統(tǒng)的智能機器人相關(guān)課程的設(shè)置以經(jīng)典工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)抽象的被控對象為目標，通過調(diào)整配套被控對象的控制系統(tǒng)參數(shù)，并觀察被控對象的變化過程，引導學生深入認識系統(tǒng)化、智能化過程。但是經(jīng)典的被控對象存在形式較為抽象、控制目標較為單一、控制系統(tǒng)體系擴展較為困難的問題，同時不符合新時代技術(shù)發(fā)展趨勢和學生學習的興趣，培養(yǎng)學生跨學科知識及跨界能力不足，對學生工程實踐能力培養(yǎng)不到位等問題；授課方式以課堂講授為主，缺乏對學生進行整體知識構(gòu)建及開展工程實踐能力培養(yǎng)的有力舉措。以電氣與控制工程學院自動化系17級實驗班專業(yè)分流情況看，該班80%的學生選擇了智能機器人方向。因此從復雜工程問題的角度建設(shè)智能機器人方向的相關(guān)課程，對提高自動化專業(yè)教學能力和滿足相關(guān)專業(yè)學生學習需求具有重要的支撐意義。

二、研究基礎(chǔ)

（一）研究目標

圍繞智能機器人方向的相關(guān)復雜工程問題，本課題組進行了“自動化系統(tǒng)設(shè)計”課程建設(shè)，重點開展了綜合實踐教學體系設(shè)計。以智能雙輪平衡機器人為實踐載體，設(shè)計了實踐教學資源、平臺和評價體系，結(jié)合教學過程反饋研究教學改革機制，構(gòu)建智能機器人實踐課程的“設(shè)計-實施-改進”閉環(huán)。

（二）研究思路

1.實際工程問題的要素化分解方法，區(qū)分實際問題的要素種類，研究各要素之間的聯(lián)系，實現(xiàn)實際工程問題的要素化分解。

2.復雜工程問題的功能化重構(gòu)方法，以智能機器人“自動化系統(tǒng)設(shè)計”課程建設(shè)為目標，設(shè)計基于實際問題要素重構(gòu)的復雜工程問題，并建立目標場景并完成面向智能機器人方向的教學內(nèi)容設(shè)計。

3.基于教學過程反饋，探究復雜工程問題和教學內(nèi)容設(shè)計過程，調(diào)整實際問題要素化分解和復雜工程綜合過程，提升復雜工程問題對實際問題的映射能力，建立面向復雜工程問題的“設(shè)計—實施—改進”機制。

（三）研究平臺

智能機器人方向的實踐教學改革依托于北方工業(yè)大學電氣與控制工程學院智能機器人場景化實驗室。該實驗室運行和學習模式由學院自動化專業(yè)教師精心設(shè)計和組織，聚集了自動化、電氣工程、機械設(shè)計、計算機、工程管理、文法藝術(shù)等各個專業(yè)、多個年級的學生，已經(jīng)成為我?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)的重要試點工程。智能機器人場景化實驗室已經(jīng)運行四年多，完成了全校多個專業(yè)的數(shù)百名學生的綜合實踐教學培養(yǎng)，畢業(yè)后大部分學生進入研究生階段學習，部分學生進入企業(yè)成為核心研發(fā)人員。實驗室開發(fā)了“智能雙輪平衡車”作為“自動化系統(tǒng)設(shè)計”系列課程實踐教學載體。

三、研究內(nèi)容

（一）技術(shù)路線

（二）教學改革

1.教學目標

智能機器人方向的綜合實踐教學目標具體要求學生在畢業(yè)五年后，具有以下職業(yè)發(fā)展能力：

目標1：具有智能機器人相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，能夠應(yīng)用相關(guān)知識對復雜工程問題進行描述、分析、評價和提出解決方案。

目標2：具有系統(tǒng)思維和智能機器人相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)技能，能夠在社會、經(jīng)濟、法律、環(huán)境、安全和文化背景下解決相關(guān)領(lǐng)域的復雜工程問題。

目標3：具有良好的溝通交流和團隊合作能力，能夠組織或?qū)嵤┲悄軝C器人相關(guān)領(lǐng)域的工程項目。

2.要素化分解

本文主要從工程知識、設(shè)計/開發(fā)解決方案、研究、個人和團隊、專業(yè)溝通、系統(tǒng)思維能力六個方面進行教學體系要素化分解，具體描述如下。

（1）工程知識：能夠認識、理解和判定智能機器人系統(tǒng)的組成、基本原理和相關(guān)復雜工程問題。

（2）設(shè)計/開發(fā)解決方案：能夠?qū)χ悄軝C器人方向相關(guān)復雜工程問題進行分析，構(gòu)建問題解決方案。

（3）研究：能夠基于科學原理和科學方法在智能機器人方向相關(guān)領(lǐng)域進行實驗設(shè)計。

（4）個人和團隊：能夠?qū)嵺`教學過程中的非技術(shù)表現(xiàn)予以評價，說明團隊中個人與合作同學、老師之間的角色定位和關(guān)系，具備團隊合作意識。

（5）專業(yè)溝通：能夠就智能機器人方向相關(guān)領(lǐng)域復雜工程問題撰寫技術(shù)文檔、清晰表達觀點，并與團隊成員形成有效交流。

（6）系統(tǒng)思維能力：能夠從“要素、鏈接、功能（或目的）”的系統(tǒng)視角構(gòu)建或設(shè)計智能機器人系統(tǒng)。

3.功能化重構(gòu)

相關(guān)課程通過講解智能機器人系統(tǒng)的傳感器采集與信號處理、硬件電路模塊控制、軟件PID 算法設(shè)計等知識內(nèi)容，進行智能機器人方向綜合實踐教學體系功能化重構(gòu)，讓學生理解智能機器人系統(tǒng)的主要構(gòu)成，認知相關(guān)傳感器、執(zhí)行器工作原理，掌握基本電子電路模塊使用，理解PID 等算法理論和控制流程，熟悉智能機器人系統(tǒng)設(shè)計的基本研究工具。希望本科生能夠掌握智能機器人系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容，為其未來理解和解決復雜工程問題，從事自動化或智能化控制系統(tǒng)設(shè)計的研究和開發(fā)工作奠定基礎(chǔ)。

4.實踐教學

智能機器人方向?qū)嵺`教學以“智能雙輪平衡車”為平臺，是研究智能機器人系統(tǒng)工作原理與組成、系統(tǒng)設(shè)計與實操、總結(jié)改進與匯報的綜合實踐課程。每學期課程計劃設(shè)計64 學時，包含講授4 學時以及實踐56 學時（含階段性總結(jié)3 次），2 學時用于驗收，2 學時用于匯報。旨在引導學生逐步提升能力，解決智能機器人系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域的復雜工程問題，充分發(fā)揮學生自主研究動力，培養(yǎng)學生獨立發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題能力。教學組織方式上，采用翻轉(zhuǎn)課堂形式，踐行以學生討論和交流為主體，以教師講解和指導為主導的教育理念，對學生進行啟發(fā)式教學，同時強調(diào)學生團隊交流，分工協(xié)作完成指定實踐內(nèi)容。

5. 評價分析

課程采用分階段、分層次開展實踐教學活動。初期安排了方案設(shè)計環(huán)節(jié)，強調(diào)學生掌握實驗?zāi)康暮驮恚剿鞒醪綄嶒灧桨冈O(shè)計，進行團隊項目分工，預測實驗實踐效果。在中期安排了階段性演示和匯報，注重過程性評價，通過動手實踐環(huán)節(jié)，持續(xù)對前期方案設(shè)計進行改善和矯正。后期則安排了答辯和匯報總結(jié)，對前中期實驗結(jié)果進行全面復盤，形成持續(xù)的改進機制。并注重從理論知識維度，實踐技能應(yīng)用維度以及工程和社會適應(yīng)維度綜合培養(yǎng)專業(yè)人才，突出學生工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

（三）研究方法

（1）針對要素分解，首先調(diào)研并收集實際問題，研究實際問題解決的主要關(guān)鍵點，形成要素內(nèi)容。根據(jù)不同實際問題的要素內(nèi)容，提煉具有共性的要素點，研究要素的提煉機制。從而研究要素的分解方法。

（2）研究復雜工程問題設(shè)立的目標，研究實際問題要素點與復雜工程問題培養(yǎng)目標的對應(yīng)關(guān)系，通過實際問題要素點的綜合構(gòu)建復雜工程問題，形成要素點的綜合方法，實現(xiàn)實際問題到復雜工程問題的映射。

（3）針對智能機器人方向的相關(guān)課程，從收集的實際問題出發(fā)，進行要素點分解和綜合復雜工程問題過程，并面向復雜工程問題構(gòu)建場景，設(shè)計并制作實踐教學所需設(shè)備。

（4）設(shè)立由學生組成的聯(lián)合學習小組，和由老師組成的教學評價小組。開展演講、答辯、展示等多種形式的評測，評價實際問題要素分級、復雜工程問題綜合過程的合理性，并對要素分解和綜合過程進行改進。

四、結(jié)束語

智能機器人方向具有綜合學科優(yōu)勢，教學研究氛圍好，可以脫離單一學科的局限性。課題組依托于電氣與控制工程學院智能機器人場景化實驗室，以北京市專業(yè)綜合改革項目為依托，結(jié)合“自動化國家級特色專業(yè)建設(shè)點”和“分層分流人才培養(yǎng)”國家級教改創(chuàng)新示范區(qū)建設(shè)，以服務(wù)“新工科”改革和探索為目標，以學習能力和思維能力培養(yǎng)為核心，面向智能機器人專業(yè)方向進行了持續(xù)的改革和探索，目前已取得顯著成果。另外，教學改革組成員結(jié)構(gòu)配備合理，既有經(jīng)驗豐富的一線教師，也有多年來一直從事智能機器人、人工智能技術(shù)研究的人員，以及長期從事教學方法研究和教學設(shè)計的教師，具有良好的教學活動機制和氛圍，具有持續(xù)改進和提升的基礎(chǔ)。

五、參考文獻：

[1] 林健.如何理解和解決復雜工程問題——基于《華盛頓協(xié)議》的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016(5)：17-26.

[2] 黃永程，楊斌，黎志勇，等.新工科背景下工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)教學改革探索[J].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/44.1522.TH.20190307.1627.028.html，2019.

[3] 于赫洋，白瑞峰，曹晴晴，等.互聯(lián)網(wǎng)+機器人智能制售系統(tǒng)[J].自動化博覽，2018(z1).

[4] 申慧明.基于“成果導向”教育理念的機器人工程專業(yè)人才實踐能力培養(yǎng)模式探索[J].學科探索，2019(2)：43-45.