面向高校學(xué)生的《智能機(jī)器人》課程教學(xué)創(chuàng)新方法研究

陳余慶，于雙和，牛小兵

（大連海事大學(xué) 船舶電氣工程學(xué)院，遼寧 大連）

一 引言

《智能機(jī)器人》課程以培養(yǎng)符合世界一流大學(xué)要求的具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)創(chuàng)新人才為宗旨，將重點(diǎn)建設(shè)各類機(jī)器人模塊化綜合平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高校教學(xué)開(kāi)放式課程體系?！吨悄軝C(jī)器人》實(shí)踐教學(xué)依托于新型機(jī)器人科技實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其具體內(nèi)容融合了機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)與控制方式、多種類信息感知、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與目標(biāo)跟蹤、自主定位與地圖構(gòu)建等[1-3]。與傳統(tǒng)多數(shù)課程知識(shí)體系相比，《智能機(jī)器人》教學(xué)內(nèi)容具有知識(shí)覆蓋面跨度大和綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)?！吨悄軝C(jī)器人》課程的教學(xué)知識(shí)體系也有必要構(gòu)建為一種從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的遞進(jìn)式教學(xué)模式，即實(shí)現(xiàn)從單一基本技能模塊逐步過(guò)渡到綜合技能模塊，進(jìn)而達(dá)到機(jī)器人綜合創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的能力進(jìn)階式系列化教學(xué)體系。同時(shí)，建立和不斷豐富機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)案例庫(kù)，使學(xué)生得到機(jī)器人開(kāi)發(fā)系統(tǒng)化訓(xùn)練。

提升和優(yōu)化《智能機(jī)器人》理論與實(shí)踐教學(xué)模式和內(nèi)容，擴(kuò)大學(xué)生知識(shí)面，提升專業(yè)知識(shí)水平，使學(xué)生掌握機(jī)器人所涉及的自動(dòng)化、電子、信息[4]、計(jì)算機(jī)軟硬件[5-6]和人工智能等學(xué)科相關(guān)內(nèi)容，從而為今后從事機(jī)器人等相關(guān)工作奠定良好基礎(chǔ)。此外，創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容與方法的實(shí)施可以將產(chǎn)業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)目標(biāo)的最新要求引入課程實(shí)踐教學(xué)，將機(jī)器人行業(yè)的新動(dòng)態(tài)、新成果融入新的教學(xué)過(guò)程中，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，凝練最新機(jī)器人特色應(yīng)用技術(shù)，并打造機(jī)器人課程優(yōu)勢(shì)方向，從而為高校學(xué)生創(chuàng)造良好的學(xué)習(xí)氛圍和機(jī)器人實(shí)驗(yàn)條件，不斷提高機(jī)器人相關(guān)專業(yè)的綜合實(shí)力與教學(xué)水平。

通過(guò)面向高校學(xué)生的《智能機(jī)器人》課程創(chuàng)新方法研究，全面梳理《智能機(jī)器人》教學(xué)課程創(chuàng)新體系架構(gòu)（圖1），修訂高校學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)和課程教學(xué)目標(biāo)，提升高校學(xué)生培養(yǎng)素質(zhì)和質(zhì)量。通過(guò)展示機(jī)器人構(gòu)型以及采用模塊化設(shè)計(jì)構(gòu)造的標(biāo)準(zhǔn)化智能機(jī)器人功能，讓學(xué)生理解當(dāng)前機(jī)器人系列課程的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和專業(yè)發(fā)展的引領(lǐng)作用。然后再改善和制定相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容和方法，將智能控制、大數(shù)據(jù)等融入機(jī)器人實(shí)踐中，創(chuàng)新機(jī)器人教學(xué)培養(yǎng)方式。理論課程以講解基礎(chǔ)知識(shí)，實(shí)驗(yàn)課則以若干機(jī)器人工程相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主要內(nèi)容，理論和實(shí)驗(yàn)課程均以智能控制與機(jī)器人工程新工科實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容為依托。通過(guò)結(jié)合具體項(xiàng)目來(lái)實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，提升高校學(xué)生質(zhì)量培養(yǎng)效果。

圖1 《智能機(jī)器人》課程創(chuàng)新體系架構(gòu)

通過(guò)更新和改革機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容與方法，滿足高校機(jī)器人類課程教學(xué)需求，教學(xué)方法改革，更注重學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力培養(yǎng)?！吨悄軝C(jī)器人》教學(xué)內(nèi)容改革，同時(shí)為創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽的高校學(xué)生提供賽前培訓(xùn)、創(chuàng)新性實(shí)踐等指導(dǎo)，開(kāi)拓學(xué)生創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的實(shí)踐素質(zhì)。

二 課程改革目標(biāo)

通過(guò)《智能機(jī)器人》理論與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容改革和方法創(chuàng)新，旨在探索培養(yǎng)當(dāng)代國(guó)家社會(huì)需要的研究型創(chuàng)新科技人才，培養(yǎng)具有從事機(jī)器人領(lǐng)域工作的綜合技能人才，培養(yǎng)富于創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力、具有國(guó)際視野以及較強(qiáng)溝通能力的高素質(zhì)復(fù)合型人才。推動(dòng)高校的“雙一流”學(xué)科建設(shè)，推進(jìn)高校學(xué)生教育內(nèi)涵式發(fā)展，培養(yǎng)高校學(xué)生優(yōu)秀拔尖人，實(shí)現(xiàn)高校學(xué)生教育質(zhì)量提升，并取得具有顯示度的標(biāo)志性成果[7-9]。通過(guò)《智能機(jī)器人》課程教學(xué)方法研究，具體達(dá)到如下改革目標(biāo)：

（一） 提升學(xué)生機(jī)器人創(chuàng)新和批判性思維能力

整合高校學(xué)生《智能機(jī)器人》課程的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，形成一整套具有互動(dòng)性、啟發(fā)式和探究式的多學(xué)科交叉高校學(xué)生課程學(xué)習(xí)方法。通過(guò)教學(xué)方法改革，使得教師能夠給學(xué)生及時(shí)的幫助和反饋，并建立教學(xué)相長(zhǎng)、無(wú)私分享的高校學(xué)生教學(xué)形式。此外，在學(xué)生培養(yǎng)中，改變傳統(tǒng)的灌輸式教育方式，教師指導(dǎo)和放手之間找到平衡點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生具備學(xué)術(shù)質(zhì)疑精神和批判性思維，以培養(yǎng)出身心健康的能夠服務(wù)于國(guó)家社會(huì)的高素質(zhì)創(chuàng)新人才。

（二） 優(yōu)化學(xué)生學(xué)習(xí)資源配置和教學(xué)模式

充分開(kāi)發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)有多種類的信息化教學(xué)平臺(tái)和數(shù)字化資源，合理組織教學(xué)過(guò)程，建立高效的多平臺(tái)信息化教學(xué)體系。運(yùn)用課前問(wèn)題導(dǎo)學(xué)、課堂面對(duì)面講授、云端問(wèn)題測(cè)試、課后線下交流討論和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)操作等多種教學(xué)方法，營(yíng)造一種輕松高效而友愛(ài)的學(xué)習(xí)氛圍。通過(guò)多種線上學(xué)習(xí)應(yīng)用軟件的有效結(jié)合，配合及時(shí)的課后體會(huì)總結(jié)等內(nèi)容，建立學(xué)習(xí)與享受、學(xué)術(shù)與生活的有機(jī)統(tǒng)一，踐行“無(wú)處不學(xué)術(shù)”的研究新理念。

（三） 增強(qiáng)學(xué)生的互助協(xié)作與實(shí)踐能力

機(jī)器人教學(xué)過(guò)程中，建立以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，并組織學(xué)生更多進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)機(jī)器人開(kāi)發(fā)知識(shí)，并通過(guò)開(kāi)發(fā)小組成員的團(tuán)隊(duì)協(xié)作共同加強(qiáng)實(shí)踐能力的訓(xùn)練。此外，通過(guò)參加各類機(jī)器人科技競(jìng)賽活動(dòng)，學(xué)生自己動(dòng)手組裝和擴(kuò)展機(jī)器人功能模塊，并為機(jī)器人編寫核心算法控制程序，使學(xué)生掌握智能機(jī)器人開(kāi)發(fā)技術(shù)方法。積極培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)理論研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)相結(jié)合的問(wèn)題分析與解決能力、創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力、自主學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等。

注重創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，利用建設(shè)完成的實(shí)踐課程資源，面向國(guó)家機(jī)器人科技發(fā)展趨勢(shì)，培養(yǎng)以機(jī)器人為主要對(duì)象和工具的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用工程師作為專業(yè)特色，培養(yǎng)兼具計(jì)算機(jī)軟件和硬件設(shè)計(jì)及應(yīng)用能力、系統(tǒng)的控制理論與機(jī)電基礎(chǔ)及系統(tǒng)知識(shí)、能從事機(jī)器人產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用開(kāi)發(fā)、運(yùn)行管理與維護(hù)和教育培訓(xùn)等方面工作，在機(jī)器人工程與自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域具有顯著專業(yè)特長(zhǎng)的綜合型工程技術(shù)人才。

三 《智能機(jī)器人》課程改革方法

（一） 開(kāi)發(fā)啟發(fā)式、開(kāi)放性問(wèn)題教學(xué)資源

依托智能機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)，設(shè)置更多開(kāi)放性的研究問(wèn)題，通過(guò)機(jī)器人模塊化組裝、機(jī)器人路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)、機(jī)器人足球賽仿真、機(jī)器人串口運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人視覺(jué)目標(biāo)識(shí)別與分揀等多種實(shí)驗(yàn)案例操作實(shí)踐，將機(jī)器人應(yīng)用需求分析、機(jī)械設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)、仿真分析、平臺(tái)開(kāi)發(fā)實(shí)踐與功能驗(yàn)證等引入教學(xué)過(guò)程中，運(yùn)用任務(wù)引領(lǐng)和問(wèn)題導(dǎo)向的目標(biāo)式教學(xué)方法，提升學(xué)生的主動(dòng)創(chuàng)新意識(shí)和思辨能力。

為學(xué)生提供智能機(jī)器人領(lǐng)域的理論前沿與發(fā)展動(dòng)態(tài)，掌握機(jī)器人系統(tǒng)的基本理論，讓學(xué)生掌握機(jī)器人傳感器、機(jī)器人控制器和機(jī)器人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，完成智能機(jī)器人模塊化認(rèn)識(shí)實(shí)踐教學(xué)；要求學(xué)生了解開(kāi)發(fā)機(jī)器人軟件和硬件的模塊，學(xué)會(huì)機(jī)器人操作程序編寫。讓學(xué)生結(jié)合已經(jīng)獲取的機(jī)器人傳感信息以及機(jī)器人相關(guān)知識(shí)，進(jìn)行自由發(fā)揮，完成不同功能的移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)。學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)多自由度人、多形態(tài)機(jī)器人，并為學(xué)生提供軟件編程平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目前已有的機(jī)器人科技的學(xué)習(xí)。同時(shí)組織學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)和總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生提出研究主題的關(guān)鍵性科學(xué)問(wèn)題和存在不足，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)術(shù)批判性思維。

（二） 研究機(jī)器人發(fā)展的倫理道德和課程思政問(wèn)題

智能機(jī)器人本體的發(fā)展水平日新月異，然而機(jī)器人作為智能科技的一種重要的具有推理能力的載體，其智能自主思維能力的不斷演進(jìn)如何與人類社會(huì)的道德意識(shí)相匹配，成為人類不可避免要面對(duì)的新問(wèn)題。上世紀(jì)提出的“機(jī)器人開(kāi)發(fā)三原則”只是對(duì)于針對(duì)機(jī)器人如何不得傷害人類做出了框架性約束，對(duì)于機(jī)器人的思想和意識(shí)發(fā)展問(wèn)題并沒(méi)有提及。機(jī)器人教學(xué)改革可以加強(qiáng)規(guī)范機(jī)器人的人工智能思維意識(shí)，并與人類社會(huì)不同國(guó)家、不同地域以及不同種族和不同時(shí)代的倫理道德觀念相匹配，建立新的智能機(jī)器人發(fā)展的倫理道德約束機(jī)制。并與課程思政教育相結(jié)合，致力于發(fā)展有益于民族團(tuán)結(jié)和人類共同進(jìn)步的機(jī)器人開(kāi)發(fā)新規(guī)范。

（三） 探索高效的線上/線下混合教學(xué)模式

建立《智能機(jī)器人》課程微論壇、課前知識(shí)點(diǎn)的云端問(wèn)題調(diào)查、課堂教學(xué)討論以及課后學(xué)習(xí)成果線上云反饋的多信息交互平臺(tái)授課軟硬件支撐體系。通過(guò)探索不同線上信息教學(xué)平臺(tái)的特點(diǎn)，構(gòu)建一種形式聚焦一起、融為一爐、共為之用的混合教學(xué)模式，利用新興的信息技術(shù)把傳統(tǒng)課堂教學(xué)的優(yōu)勢(shì)和網(wǎng)絡(luò)在線教學(xué)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，通過(guò)平臺(tái)資源優(yōu)化進(jìn)一步提升現(xiàn)有的學(xué)生培養(yǎng)教學(xué)質(zhì)量，探索學(xué)生教學(xué)模式的高效支撐信息平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)。

（四） 融合課程教學(xué)與科技創(chuàng)新競(jìng)賽知識(shí)體系

改變傳統(tǒng)的課程教學(xué)以基礎(chǔ)理論為主線的模式，采用科技創(chuàng)新需求為導(dǎo)向的教學(xué)方法。構(gòu)建國(guó)家級(jí)大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽 “RoboCup”杯、“RoboMaster”杯等學(xué)生科創(chuàng)競(jìng)賽指導(dǎo)規(guī)范，并融入《智能機(jī)器人》課程中的教學(xué)主題元素之中。根據(jù)歷年的科創(chuàng)競(jìng)賽主題和經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生參與和設(shè)計(jì)所在學(xué)習(xí)年度的新科創(chuàng)主題。這樣，通過(guò)融合課程教學(xué)與科技創(chuàng)新競(jìng)賽知識(shí)體系，不僅可以提升工程類學(xué)生的實(shí)踐操作能力，而且可以保持學(xué)生教學(xué)內(nèi)容的新穎性和知識(shí)前瞻性。

利用所建設(shè)的機(jī)器人本體學(xué)習(xí)平臺(tái)，課程開(kāi)展的過(guò)程中，讓學(xué)生在掌握智能機(jī)器人控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)器人的分解與組裝，充分了解機(jī)器人的機(jī)械組成，從組裝拆卸的過(guò)程中學(xué)習(xí)機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路，由此讓學(xué)生學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)易機(jī)器人。此外，課程開(kāi)展的過(guò)程中，讓學(xué)生基本理解掌握控制工程、電氣與計(jì)算機(jī)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)和系統(tǒng)工程基礎(chǔ)知識(shí)，掌握履帶式、麥克納姆輪式等移動(dòng)平臺(tái)的使用，并將多種移動(dòng)平臺(tái)與其他機(jī)器人設(shè)備相結(jié)合運(yùn)用，通過(guò)開(kāi)放性、綜合性的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，掌握機(jī)器人系統(tǒng)集成和工程應(yīng)用的開(kāi)發(fā)技術(shù)?？傊?，通過(guò)機(jī)器人教學(xué)方法創(chuàng)新，可以拓展高校學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和創(chuàng)新意識(shí)，并提升學(xué)生的整體綜合素質(zhì)和創(chuàng)新開(kāi)發(fā)工程實(shí)踐能力。

四 結(jié)語(yǔ)

《智能機(jī)器人》課程伴隨著我國(guó)智能科技的發(fā)展而成為大學(xué)生教育的核心課程之一，迫切需要改變目前傳統(tǒng)的機(jī)器人教學(xué)方式，提高學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的興趣，培養(yǎng)其實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，還可將智能機(jī)器人與學(xué)生各種機(jī)器人類賽事相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生綜合知識(shí)的掌握和綜合能力的提高。通過(guò)深入研究開(kāi)發(fā)啟發(fā)式、開(kāi)放性研究問(wèn)題教學(xué)資源，并研究機(jī)器人的倫理道德和課程思政等新問(wèn)題，探索高效的線上/線下混合教學(xué)模式，融合課程教學(xué)與科技創(chuàng)新競(jìng)賽知識(shí)體系，建立符合未來(lái)社會(huì)“人機(jī)統(tǒng)一”的智能機(jī)器人技術(shù)發(fā)展需求的教學(xué)新體系。