“課程-項(xiàng)目-競(jìng)賽”驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人方向教學(xué)方法

柯文德， 融亦鳴， 路 冬， 魏 艷， 黃業(yè)緒

（南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系，廣東深圳 518055）

0 引 言

機(jī)器人是多學(xué)科綜合交叉的成果，是現(xiàn)代制造業(yè)的必然產(chǎn)物，其技術(shù)發(fā)展涉及機(jī)械、材料、仿生學(xué)、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、電子、傳感器、圖形圖像、人工智能等眾多學(xué)科，是智能制造的重要載體、測(cè)試和應(yīng)用平臺(tái)，是創(chuàng)新實(shí)踐的重要體現(xiàn)［1-4］。2017 年7 月8 日，在《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》中［5］，提及“人工智能的迅速發(fā)展將深刻改變?nèi)祟惿鐣?huì)生活、改變世界”“搶抓人工智能發(fā)展的重大戰(zhàn)略機(jī)遇，構(gòu)筑我國(guó)人工智能發(fā)展的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，加快建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和世界科技強(qiáng)國(guó)”，提及包括工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、云機(jī)器人、特種機(jī)器人、空間機(jī)器人、海洋機(jī)器人、極地機(jī)器人、智能機(jī)器人等在內(nèi)的機(jī)器人技術(shù)，在人工智能理論與技術(shù)、產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、法律法規(guī)、倫理規(guī)范和政策體系上明確了到2020、2025、2030 年的3 步走戰(zhàn)略目標(biāo)。

結(jié)合機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，2016 年教育部將機(jī)器人工程專業(yè)（代碼：080803T）批準(zhǔn)為本科新專業(yè)，分別于2017 ～2019 年公布了已開設(shè)該專業(yè)的185 所本科院校［6-8］。

很多高校依托計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化或機(jī)械工程等專業(yè)，開設(shè)了機(jī)器人方向的課程教學(xué)并積極籌備申報(bào)機(jī)器人工程專業(yè)，在某些課程上踐行了項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)的方法并取得相關(guān)成效［9-15］。由于機(jī)器人方向教學(xué)內(nèi)容涉及到相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)理論、原理及方法，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子電氣、運(yùn)動(dòng)控制、傳感器信號(hào)處理、軟件開發(fā)及行業(yè)應(yīng)用分析上特色明顯，新知識(shí)更新迭代速度快，對(duì)教學(xué)環(huán)境、教師的跨專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備、學(xué)術(shù)能力、工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等提出了挑戰(zhàn)，普遍出現(xiàn)一些新問題，例如理論知識(shí)與實(shí)際問題脫節(jié)、課程教學(xué)中前沿知識(shí)更新慢、學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏行業(yè)指引、學(xué)習(xí)目的性和導(dǎo)向性不明確、解決問題的思路和創(chuàng)新性較差、工程樣機(jī)設(shè)計(jì)能力較弱等。

我校機(jī)械與能源工程系自2017 年2 月開設(shè)本科階段機(jī)械工程專業(yè)機(jī)器人方向教學(xué)以來，到2019 年3月機(jī)器人工程專業(yè)申請(qǐng)獲教育部批準(zhǔn)通過，歷時(shí)約2年。在這兩年中，結(jié)合學(xué)校“創(chuàng)知、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)”的辦學(xué)特色和“培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才”的目標(biāo)，兼顧機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)與前沿技術(shù)進(jìn)展，逐步開出一系列專業(yè)課程，例如，機(jī)器人導(dǎo)論、機(jī)器人基礎(chǔ)、機(jī)器人建模與控制、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)器人創(chuàng)新與應(yīng)用、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、傳感技術(shù)與信號(hào)處理、微機(jī)電系統(tǒng)基礎(chǔ)、微加工與微系統(tǒng)、嵌入式技術(shù)與機(jī)器人、仿生機(jī)器人、行走機(jī)器人、微型機(jī)器人、機(jī)器人操作系統(tǒng)、協(xié)作機(jī)器人學(xué)習(xí)、多智能體系統(tǒng)、機(jī)器人與仿生學(xué)、軟體機(jī)器人等課程，其教學(xué)過程貫穿了基礎(chǔ)理論、原理、方法、前沿技術(shù)及工程應(yīng)用等一系列過程，力圖在教學(xué)廣度和深度上進(jìn)行拓展。

“課程-項(xiàng)目-競(jìng)賽”驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人方向教學(xué)改革方法在于實(shí)現(xiàn)行業(yè)拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)，在此以機(jī)器人基礎(chǔ)、傳感技術(shù)與信號(hào)處理、嵌入式技術(shù)與機(jī)器人、機(jī)器人操作系統(tǒng)等4 門課程為例進(jìn)行教學(xué)改革方法闡述，該過程貫穿了專業(yè)課程教學(xué)、課程項(xiàng)目研發(fā)與學(xué)科競(jìng)賽，成果形式體現(xiàn)在教學(xué)方法上的創(chuàng)新、學(xué)生參加全國(guó)機(jī)器人大賽獲獎(jiǎng)以及升學(xué)就業(yè)等方面。

在以上所述的4 門課程教學(xué)過程中，構(gòu)建邏輯清晰、前后相關(guān)的教學(xué)主線，由淺入深、循序漸進(jìn)地講授機(jī)器人結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、軌跡規(guī)劃、傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)原理、運(yùn)動(dòng)控制及算法分析、機(jī)器人操作系統(tǒng)的任務(wù)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與調(diào)度等知識(shí)，以關(guān)聯(lián)度高的課程實(shí)際項(xiàng)目研發(fā)為必要的知識(shí)鞏固和探索手段，緊跟機(jī)器人領(lǐng)域前沿技術(shù)發(fā)展、行業(yè)實(shí)際問題解決及應(yīng)用等需求，構(gòu)建起課程項(xiàng)目庫(kù)，指導(dǎo)學(xué)生選題并以工程管理方法實(shí)現(xiàn)完整項(xiàng)目，變被動(dòng)式消極學(xué)習(xí)為主動(dòng)式積極學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)并研制出了一系列的機(jī)器人仿真樣機(jī)與實(shí)際工程樣機(jī)，研究過程中積累的關(guān)鍵技術(shù)為本科生進(jìn)入教師科研團(tuán)隊(duì)參與研發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，促使學(xué)生參加由中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)和共青團(tuán)中央主辦的全國(guó)性機(jī)器人賽事。通過該過程的鍛煉，學(xué)生深刻理解了機(jī)械工程專業(yè)機(jī)器人方向的培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)習(xí)和研究體現(xiàn)出了明確和強(qiáng)烈的目的性，鍛煉了創(chuàng)新性思維、動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，培養(yǎng)出了“迎難而上、主動(dòng)學(xué)習(xí)、緊跟發(fā)展、積極創(chuàng)新”的優(yōu)良品質(zhì)，學(xué)生們?cè)诋厴I(yè)后獲得了國(guó)內(nèi)外著名高校攻讀研究生或直接攻讀博士資格，或者進(jìn)入行業(yè)影響力較大的企業(yè)中工作。

1 培養(yǎng)目標(biāo)與教改方法特色

1.1 培養(yǎng)目標(biāo)

我校機(jī)械與能源工程系機(jī)械工程專業(yè)機(jī)器人方向體現(xiàn)學(xué)科交叉、產(chǎn)業(yè)共建、產(chǎn)業(yè)實(shí)習(xí)、海外實(shí)習(xí)等方面，培養(yǎng)學(xué)生具有堅(jiān)實(shí)、寬廣的基礎(chǔ)理論知識(shí)以及機(jī)器人工程知識(shí)、掌握機(jī)器人工程的科學(xué)研究方法和工程設(shè)計(jì)方法，了解機(jī)器人理論、工程技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和前沿技術(shù)，學(xué)生具備嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度、追求卓越的精神、強(qiáng)烈的社會(huì)責(zé)任感與使命感、良好的交流溝通能力、創(chuàng)新性思維、獨(dú)立認(rèn)識(shí)問題及解決問題的能力，具有國(guó)際化視野，能夠與國(guó)際化專業(yè)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展接軌，能解決未來重大科學(xué)問題和工程挑戰(zhàn)。

1.2 教改方法特色

（1）教學(xué)、項(xiàng)目、學(xué)科競(jìng)賽有機(jī)結(jié)合，互為補(bǔ)充和促進(jìn)。以課程教學(xué)為主，以課程項(xiàng)目和學(xué)科競(jìng)賽為有效補(bǔ)充和促進(jìn)手段，3 者相互結(jié)合、相互補(bǔ)充、互為驅(qū)動(dòng)。課程教學(xué)、課程項(xiàng)目、學(xué)科競(jìng)賽等環(huán)節(jié)在側(cè)重點(diǎn)和執(zhí)行過程中存在較大差異，協(xié)調(diào)各環(huán)節(jié)差異、確保整體過程的有效性非常必要，需要充分考慮知識(shí)點(diǎn)安排與任務(wù)組織的有效性、長(zhǎng)期性和挑戰(zhàn)性。課程教學(xué)著重于夯實(shí)機(jī)器人方向的基礎(chǔ)理論和體系架構(gòu)，對(duì)原理及方法的掌握要深入、細(xì)致、有效；課程項(xiàng)目著重于提高學(xué)生把握行業(yè)現(xiàn)狀和關(guān)鍵問題，創(chuàng)新性地將理論知識(shí)融入實(shí)際問題的解決中，并設(shè)計(jì)機(jī)器人樣機(jī)；學(xué)科競(jìng)賽是檢驗(yàn)課程項(xiàng)目尤其是關(guān)鍵知識(shí)的良好平臺(tái)。這3 個(gè)環(huán)節(jié)彼此關(guān)聯(lián)，課程教學(xué)是課程項(xiàng)目和學(xué)科競(jìng)賽的基礎(chǔ)，課程項(xiàng)目和學(xué)科競(jìng)賽則反饋到課程教學(xué)中，共同提升整體教學(xué)水平。

（2）緊跟機(jī)器人行業(yè)和前沿技術(shù)發(fā)展。機(jī)器人行業(yè)技術(shù)發(fā)展是機(jī)器人方向教學(xué)的有力推手，緊跟國(guó)內(nèi)外機(jī)器人前沿技術(shù)發(fā)展，選取有代表性的新方法引入課程教學(xué)中，體現(xiàn)前沿性特點(diǎn)。同時(shí)，為增進(jìn)專業(yè)知識(shí)的學(xué)以致用和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，與企業(yè)聯(lián)合設(shè)計(jì)滿足教學(xué)內(nèi)容并具有一定挑戰(zhàn)性的課題項(xiàng)目庫(kù)，題目的確定涉及已有的理論知識(shí)綜合應(yīng)用和創(chuàng)新，部分教學(xué)未講授的知識(shí)也被引進(jìn)到項(xiàng)目中來。以工程方法管理并推進(jìn)項(xiàng)目進(jìn)度，學(xué)生參與完整流程的研發(fā)工作，確定研發(fā)目標(biāo)、任務(wù)分解、物料表清單、進(jìn)度安排等，實(shí)現(xiàn)從行業(yè)分析、文獻(xiàn)查閱、應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)、仿真模型構(gòu)建與分析、實(shí)物樣機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)打樣、下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集到上位機(jī)場(chǎng)景識(shí)別、智能計(jì)算與決策等完整流程。

2 課程教學(xué)方法的改革

2.1 完善教學(xué)環(huán)境、拓展交流渠道

良好的軟硬件教學(xué)環(huán)境有利于教學(xué)課程的正常開出與授課質(zhì)量，我系完善了機(jī)器人及自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室、機(jī)器人教學(xué)實(shí)驗(yàn)室所需的機(jī)器人軟硬件設(shè)備，并創(chuàng)建了用于教學(xué)與科研創(chuàng)新的三大實(shí)踐平臺(tái)。包括：①先進(jìn)制造實(shí)踐平臺(tái)；②創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐平臺(tái)；③自動(dòng)控制、機(jī)器人與人工智能技術(shù)實(shí)踐平臺(tái)。用于支持課程實(shí)驗(yàn)與項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)需要，并服務(wù)學(xué)術(shù)科研，鼓勵(lì)學(xué)生依托該平臺(tái)開展創(chuàng)新構(gòu)思、原理探索、樣機(jī)研發(fā)等活動(dòng)，完成課程項(xiàng)目，學(xué)生完成相關(guān)課程學(xué)習(xí)并積累研究經(jīng)驗(yàn)，有助于進(jìn)入教師科研課題組并在教師指導(dǎo)下開展新的科學(xué)研究工作。

為加強(qiáng)與國(guó)際同行及行業(yè)企業(yè)交流，拓展學(xué)生的國(guó)際視野，引入創(chuàng)新性思想，及時(shí)把握機(jī)器人方向發(fā)展動(dòng)態(tài)，培養(yǎng)機(jī)器人行業(yè)引領(lǐng)人才，我系邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外高校、研究院所、機(jī)器人企業(yè)資深專家進(jìn)行探討和交流，開展技術(shù)講座，安排學(xué)生們?cè)谙募緦W(xué)期參與國(guó)內(nèi)外高校與企業(yè)的研究及實(shí)踐活動(dòng)。目前，我系與深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司、固高科技（深圳）有限公司、大族激光科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司等眾多企業(yè)建立了合作關(guān)系，并與清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、美國(guó)麻省理工學(xué)院、美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)、加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)等國(guó)內(nèi)外高校開展項(xiàng)目合作、教授互訪、學(xué)生參與科研項(xiàng)目等交流活動(dòng)。

2.2 聯(lián)合授課、對(duì)接國(guó)際先進(jìn)教學(xué)水平

為培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)和國(guó)際視野，拓寬知識(shí)面與學(xué)術(shù)交流渠道，促進(jìn)國(guó)際交流與合作，我系在部分課程中邀請(qǐng)了國(guó)際上著名的機(jī)器人專家學(xué)者與系里教師合上某一門課程。例如，機(jī)器人基礎(chǔ)是學(xué)生接觸的第一門機(jī)器人方向的核心課程，系統(tǒng)性地介紹了機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、軌跡規(guī)劃、控制系統(tǒng)、傳感器、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、圖形圖像處理等，具有基礎(chǔ)性、原理性、方向性的重要地位，課程講授時(shí)既要體現(xiàn)教學(xué)主線及其重點(diǎn)與難點(diǎn)，也要體現(xiàn)本學(xué)科相關(guān)技術(shù)的演變過程與前沿特征，對(duì)講授教師提出較高要求。在該課程中，我系分別在不同學(xué)期邀請(qǐng)了美國(guó)霍普金斯大學(xué)和新加坡南洋理工大學(xué)的相關(guān)教授與系里教師聯(lián)合開出，結(jié)合實(shí)際工程案例分析教學(xué)內(nèi)容，并從學(xué)科高度上闡述機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展及現(xiàn)狀。傳感技術(shù)與信號(hào)處理是專業(yè)核心課程，主要講授傳感器原理、多傳感器信號(hào)融合及分析方法等，并增加了傳感器前沿科學(xué)研究問題，該課程邀請(qǐng)了美國(guó)麻省理工學(xué)院的相關(guān)教授聯(lián)合講授，強(qiáng)調(diào)課堂教學(xué)并加大了自學(xué)環(huán)節(jié)任務(wù)量，在課程考核中增加了創(chuàng)新性項(xiàng)目開發(fā)及成果答辯，要求學(xué)生采用新理論及方法構(gòu)建傳感器信號(hào)分析系統(tǒng)并證明其有效性。通過這些聯(lián)合授課，對(duì)接了教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)教學(xué)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，促進(jìn)了學(xué)生積極主動(dòng)學(xué)習(xí)并在項(xiàng)目實(shí)踐中提高分析和解決問題的能力。

2.3 構(gòu)建明晰的學(xué)習(xí)主線和合理的知識(shí)體系

參加課程學(xué)習(xí)的大多是大二大三的學(xué)生，大部分是由于好奇、興趣而選擇該方向，對(duì)機(jī)器人領(lǐng)域及知識(shí)結(jié)構(gòu)并沒有太明確的理解和體會(huì)，因此，要結(jié)合培養(yǎng)目標(biāo)，構(gòu)建起有足夠涉及面和一定深度的知識(shí)體系，特別是要將課程教學(xué)內(nèi)容貫穿為前后關(guān)聯(lián)、整體的教學(xué)主線，體現(xiàn)明顯的層次性、梯度性和延續(xù)性特點(diǎn)，緊扣機(jī)器人領(lǐng)域基礎(chǔ)性、原理性和經(jīng)典方法開展教學(xué)，以夯實(shí)基礎(chǔ)，并將前沿關(guān)鍵技術(shù)的起因、基本思想、已有解決方法的優(yōu)缺點(diǎn)等適當(dāng)融入課程教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲，體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的立體化特點(diǎn)。應(yīng)能使學(xué)生深刻理解每門課程的知識(shí)體系與該門課程在教學(xué)主線中的地位和作用、涉及的重點(diǎn)與難點(diǎn)問題，承上啟下、深入淺出地學(xué)習(xí)從機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)控制、傳感器、操作系統(tǒng)、智能算法等不同的知識(shí)點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)逐一過渡。

清晰和貫穿始終的學(xué)習(xí)主線對(duì)于機(jī)器人方向教學(xué)成效至關(guān)重要，直接構(gòu)建了知識(shí)體系并明確了各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，是具體課程的理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程項(xiàng)目開發(fā)、企業(yè)實(shí)踐、科技競(jìng)賽等的基礎(chǔ)和根本。圍繞該主線開展教學(xué)工作，既體現(xiàn)出宏觀上的專業(yè)方向架構(gòu)，也體現(xiàn)出微觀上的基礎(chǔ)性、原理性及方法性的特點(diǎn)，具有重要意義。

由于每門課程的自身系統(tǒng)性特點(diǎn)，教學(xué)主線貫穿的課程內(nèi)容會(huì)存在一定差異甚至鴻溝，例如從基礎(chǔ)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)到仿生機(jī)器人中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的跨越、從運(yùn)動(dòng)控制到傳感器數(shù)據(jù)處理的跨越、從操作系統(tǒng)到智能算法的跨越等，不同課程的主講教師要增進(jìn)交流，在課程教學(xué)中預(yù)留后續(xù)課程伏筆并善于引導(dǎo)學(xué)生，在課程實(shí)驗(yàn)與項(xiàng)目設(shè)計(jì)中要確保內(nèi)容前后邊緣重疊，從而在一定程度上彌補(bǔ)和消除差異。

2.4 項(xiàng)目緊扣課程教學(xué)并體現(xiàn)行業(yè)前沿發(fā)展

機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，行業(yè)應(yīng)用的迭代過程及更新速度快，應(yīng)用前景非常廣闊，《中國(guó)制造2025》《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020 年）》《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020 年）》等綱領(lǐng)性文件均提出技術(shù)研發(fā)和行業(yè)應(yīng)用的迫切要求，本課題在設(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí)，與深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司、固高科技（深圳）有限公司、深圳市優(yōu)必選科技有限公司、樂聚（深圳）機(jī)器人科技有限公司等企業(yè)相關(guān)研發(fā)人員討論，深入了解機(jī)器人行業(yè)特點(diǎn)，結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生培養(yǎng)方案，設(shè)計(jì)出滿足實(shí)際應(yīng)用需要、有挑戰(zhàn)性和前沿性的項(xiàng)目庫(kù)，供學(xué)生選題并開展研發(fā)。

通常，在課程總成績(jī)分布中，作業(yè)、考勤與實(shí)驗(yàn)成績(jī)占30%，期末考試成績(jī)占40%，課程項(xiàng)目成績(jī)占30%；對(duì)于沒有期末考試的考查課，課程項(xiàng)目成績(jī)占70%。在每學(xué)期第1 次上課時(shí)，將會(huì)向同學(xué)們公布本學(xué)期的課程項(xiàng)目庫(kù)，要求在1 周內(nèi)完成選題。項(xiàng)目庫(kù)題目與課程教學(xué)知識(shí)關(guān)聯(lián)緊密并體現(xiàn)前沿技術(shù)特點(diǎn)，以確保學(xué)生可以從課堂講授和課外自學(xué)中實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)效果。例如，機(jī)器人基礎(chǔ)課程項(xiàng)目庫(kù)包括4 個(gè)題目：雙臂協(xié)作機(jī)器人、機(jī)器人手掌、并聯(lián)機(jī)器人、底盤移動(dòng)作業(yè)機(jī)械臂。傳感技術(shù)與信號(hào)處理課程項(xiàng)目庫(kù)包括傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換在故障診斷、通信、圖像處理中的應(yīng)用（約15 個(gè)題目）以及基于卡爾曼濾波、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多傳感器數(shù)據(jù)融合中的應(yīng)用（約15 個(gè)題目）。智能機(jī)器人技術(shù)課題項(xiàng)目庫(kù)包括7 個(gè)題目：24 自由度仿人機(jī)器人、雙足輪腿式機(jī)器人、四足機(jī)器人、六足機(jī)器人、管道機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、17 自由度機(jī)器人手掌。機(jī)器人操作系統(tǒng)課題項(xiàng)目庫(kù)包括2 個(gè)題目：差速移動(dòng)ROS機(jī)器人、全向移動(dòng)ROS 機(jī)器人。在這些項(xiàng)目中，僅提供必要的配件耗材，例如鋁板、亞克力板、伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流減速電動(dòng)機(jī)、Arduino控制板、STM32 控制板、驅(qū)動(dòng)器、鋰電池、杜邦線、銅柱等，學(xué)生們根據(jù)自身興趣組隊(duì)（2 或3 人/組），逐項(xiàng)完成問題分析、建模、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析、機(jī)械結(jié)構(gòu)打樣、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)與樣機(jī)測(cè)試等。在每門課程項(xiàng)目正式答辯和樣機(jī)展示前，教師會(huì)組織一次中期檢查，重點(diǎn)了解項(xiàng)目研究進(jìn)度、存在困難以及解決思路；在正式答辯時(shí)，通常會(huì)粘貼每組項(xiàng)目海報(bào)，歡迎校內(nèi)師生參加旁聽，同時(shí)邀請(qǐng)相關(guān)機(jī)器人公司一線工程師和系里機(jī)器人方向教師參加并對(duì)每組項(xiàng)目評(píng)分，其平均分作為該組成員的最終項(xiàng)目分?jǐn)?shù)。

課程項(xiàng)目的意義在于：學(xué)生們?cè)谝?guī)定時(shí)間內(nèi)（通常為一個(gè)學(xué)期）完成該門課程項(xiàng)目，力爭(zhēng)在機(jī)器人的行業(yè)應(yīng)用及創(chuàng)意、結(jié)構(gòu)及控制優(yōu)化、系統(tǒng)魯棒性等方面達(dá)到盡量高的指標(biāo)值，驅(qū)動(dòng)他們對(duì)講授的課程知識(shí)和未講授的關(guān)聯(lián)知識(shí)的學(xué)習(xí)變得有強(qiáng)烈的目的性和主動(dòng)性，提高了學(xué)習(xí)效果和速度，對(duì)涉及的前沿技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣并力圖在項(xiàng)目中加以體現(xiàn)。

2.5 參加學(xué)科競(jìng)賽并反哺教學(xué)

機(jī)器人相關(guān)競(jìng)賽通常與前沿技術(shù)研究熱點(diǎn)及難點(diǎn)結(jié)合，設(shè)置的比賽項(xiàng)目多、涉及面廣等。例如，由中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)主辦的全國(guó)機(jī)器人大賽自1999 年起已連續(xù)舉辦20 屆，項(xiàng)目種類有仿真型、半自主型、全自主型、仿人型、水中、空中、對(duì)抗、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型等，影響力大、參賽隊(duì)多、競(jìng)爭(zhēng)激烈、競(jìng)賽水平高，是驗(yàn)證學(xué)生們學(xué)科知識(shí)、創(chuàng)新能力、實(shí)際動(dòng)手能力、心理素質(zhì)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的重要平臺(tái)。教師根據(jù)該大賽要求，基于已有的課程項(xiàng)目成果和對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的積累及掌握，篩選學(xué)生組成參賽隊(duì)，投入精力和時(shí)間積極備賽，分別于2017年、2018 年參加兩屆全國(guó)機(jī)器人大賽，均取得多項(xiàng)一等獎(jiǎng)的優(yōu)異成績(jī)，同時(shí)，還積極參加由共青團(tuán)中央主辦的“創(chuàng)新有未來”全國(guó)高校人工智能創(chuàng)新大賽并取得較好成績(jī)。通過學(xué)科競(jìng)賽的賽前、賽中、賽后各階段，同學(xué)們能夠分析競(jìng)賽類型的特點(diǎn)和要求，主動(dòng)找尋解決問題的方法，分析對(duì)手特點(diǎn)并準(zhǔn)備相關(guān)應(yīng)對(duì)策略，提升樣機(jī)的重要性能指標(biāo)和綜合性能指標(biāo)，全身心投入打好每一場(chǎng)比賽，在比賽間隙及時(shí)改進(jìn)樣機(jī)并調(diào)整技術(shù)參數(shù)，在比賽后結(jié)合視頻錄像和感受，分析得失并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為下一次比賽積累經(jīng)驗(yàn)并迭代技術(shù)。

在比賽后的課程學(xué)習(xí)中，教師會(huì)列舉比賽涉及的專業(yè)知識(shí)，分析其中的得失，特別指出因?yàn)橹饔^原因和專業(yè)技術(shù)不足導(dǎo)致的被動(dòng)和失分問題，提出技術(shù)問題的突破口，在課程項(xiàng)目研發(fā)中涉及該技術(shù)時(shí)，會(huì)額外增加加分項(xiàng)作為同學(xué)們解決該問題的回報(bào)。通過競(jìng)賽與反哺，驗(yàn)證了課程教學(xué)中的知識(shí)點(diǎn)和課程項(xiàng)目的創(chuàng)新性技術(shù)，鍛煉了同學(xué)們的學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手能力和競(jìng)賽能力，增進(jìn)了對(duì)機(jī)器人發(fā)展前沿的關(guān)鍵知識(shí)把握。

3 取得的成效

經(jīng)過約兩年的實(shí)踐檢驗(yàn)，初步形成了一套“課程教學(xué)-項(xiàng)目研發(fā)-學(xué)科競(jìng)賽”的教學(xué)改革方法，在2014 ～2016 級(jí)機(jī)械工程專業(yè)機(jī)器人方向的教學(xué)過程中得到了推廣和應(yīng)用，取得了相關(guān)成效，主要體現(xiàn)在：

（1）研發(fā)出了一系列的機(jī)器人實(shí)物樣機(jī)，包括：工業(yè)機(jī)器人、管道機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、中型仿人機(jī)器人、機(jī)器人手掌、蛇形機(jī)器人、輪腿式機(jī)器人、六足機(jī)器人、四足機(jī)器人等。

（2）在2017、2018 年參加了由中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)主辦的第十九屆、第二十屆全國(guó)機(jī)器人大賽取得一等獎(jiǎng)4 項(xiàng)、二等獎(jiǎng)9 項(xiàng)；在2018、2019 年參加了由共青團(tuán)中央主辦的“創(chuàng)新有未來”全國(guó)高校人工智能創(chuàng)新大賽獲得一等獎(jiǎng)1 項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2 項(xiàng)。

（3）所有學(xué)生均進(jìn)入教師課題組開展學(xué)術(shù)研究，課程學(xué)習(xí)中打下的良好基礎(chǔ)促使他們能更好地開展研究工作、發(fā)表研究論文和申請(qǐng)專利，部分學(xué)生參加了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議并宣讀研究論文。

（4）升學(xué)就業(yè)方面，部分應(yīng)屆畢業(yè)生赴美國(guó)圣母大學(xué)、北卡羅萊納州立大學(xué)、波士頓大學(xué)、英國(guó)謝菲爾德大學(xué)、加拿大多倫多大學(xué)、澳大利亞昆士蘭大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京郵電大學(xué)、南方科技大學(xué)等高校攻讀碩士和博士學(xué)位；部分應(yīng)屆畢業(yè)生進(jìn)入工業(yè)和信息化部研究所、三星通信技術(shù)研究有限公司、比亞迪股份有限公司、海能達(dá)通信股份有限公司等企事業(yè)單位工作。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于我校人才培養(yǎng)目標(biāo)和辦學(xué)特色、機(jī)器人學(xué)科特點(diǎn)、行業(yè)發(fā)展需求等要素，從教學(xué)主線確立、教學(xué)內(nèi)容組織、課程實(shí)驗(yàn)及項(xiàng)目開展、行業(yè)交流、學(xué)科競(jìng)賽等多個(gè)方面共同構(gòu)建，經(jīng)過兩年多的實(shí)踐檢驗(yàn)，初步凝練出了一套“課程-項(xiàng)目-競(jìng)賽”驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人方向教學(xué)改革方法，并取得了一定成效，可對(duì)兄弟院校的相關(guān)工科專業(yè)尤其是機(jī)器人方向的教學(xué)工作有一定的參考。