面向全流程工程訓(xùn)練的“無(wú)人”專業(yè)綜合實(shí)踐教學(xué)體系

徐 明，盧惠民，徐曉紅，肖軍浩，李治斌，曾志文

(國(guó)防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

一、引言

日益復(fù)雜激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，歸根到底是人才的競(jìng)爭(zhēng)[1]。人才是科技創(chuàng)新的主要承載者，是一個(gè)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力和軟實(shí)力的主體依托。新型工程科技人才的培養(yǎng)，是我國(guó)“中國(guó)制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)”“一帶一路”等重大戰(zhàn)略順利實(shí)施的重要保障，更是我國(guó)在未來(lái)全球創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)戰(zhàn)略制高點(diǎn)的迫切需求[2]。這就要求高等院校培養(yǎng)的學(xué)生要具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)、更強(qiáng)的創(chuàng)新能力和解決實(shí)際復(fù)雜問(wèn)題的能力，適應(yīng)以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式為特點(diǎn)的新經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求[3]。

新質(zhì)作戰(zhàn)力量的建設(shè)發(fā)展迫切需要軍隊(duì)院校培育大批無(wú)人裝備工程、無(wú)人系統(tǒng)工程專業(yè)的高素質(zhì)新型專業(yè)化軍事人才[4]。本文提出了以機(jī)器人為主線，以“3+1”一體化綜合實(shí)踐項(xiàng)目群為載體，以項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的全流程工程訓(xùn)練為手段，構(gòu)建多學(xué)科交叉融合的無(wú)人裝備工程、無(wú)人系統(tǒng)工程專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)體系[5]，并通過(guò)實(shí)踐環(huán)境建設(shè)與組織管理保障，確保實(shí)踐教學(xué)體系的順利實(shí)施，進(jìn)而提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量，取得了階段性顯著成效。

二、綜合實(shí)踐體系設(shè)計(jì)

考慮到學(xué)生從知識(shí)到能力轉(zhuǎn)化訓(xùn)練機(jī)會(huì)少、工程實(shí)踐能力偏弱等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，教學(xué)團(tuán)隊(duì)以機(jī)器人為主線，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣為出發(fā)點(diǎn)，注重知識(shí)應(yīng)用訓(xùn)練和工程實(shí)踐訓(xùn)練，以此提高學(xué)生工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維[6]。

(一)“3+1”一體化綜合實(shí)踐體系設(shè)計(jì)

以“機(jī)電技術(shù)”“信息系統(tǒng)”“控制系統(tǒng)”和“智能系統(tǒng)”四個(gè)課程群為基礎(chǔ)，一體化設(shè)計(jì)“機(jī)電系統(tǒng)綜合實(shí)踐項(xiàng)目”“信息系統(tǒng)綜合實(shí)踐項(xiàng)目”“控制系統(tǒng)綜合實(shí)踐項(xiàng)目”“專業(yè)一級(jí)項(xiàng)目”綜合實(shí)踐項(xiàng)目群，如圖1所示。其中，“機(jī)電系統(tǒng)綜合實(shí)踐項(xiàng)目”又分為“電類”和“機(jī)械類”兩類?！半婎悺眰?cè)重電路設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，“機(jī)械類”側(cè)重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣選擇不同類別?！皩I(yè)一級(jí)項(xiàng)目”又分為“對(duì)抗類”與“維修保障類”，學(xué)生根據(jù)出口不同可選擇不同的類別。整個(gè)實(shí)踐體系涵蓋機(jī)械、電子、通信、控制、計(jì)算機(jī)與人工智能等諸多學(xué)科知識(shí)，是支撐四個(gè)課程群、引導(dǎo)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)、提升工程實(shí)踐能力的重要手段，如圖2所示。

(二)綜合實(shí)踐項(xiàng)目之間的關(guān)系

四個(gè)綜合實(shí)踐項(xiàng)目雖然分屬于不同課程群，但以“機(jī)器人”為主線，前后繼承與連貫，如圖3所示。其中，“機(jī)電系統(tǒng)綜合實(shí)踐項(xiàng)目”要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一套智能機(jī)器人的機(jī)械子系統(tǒng)或者電源子系統(tǒng)，完成智能機(jī)器人的平臺(tái)搭建，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的“生出來(lái)”；“信息系統(tǒng)綜合實(shí)踐項(xiàng)目”要求學(xué)生設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一套機(jī)器人的信息子系統(tǒng)，完成機(jī)器人的電氣搭建，使平臺(tái)“動(dòng)起來(lái)”；“控制系統(tǒng)綜合實(shí)踐項(xiàng)目”要求學(xué)生設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一套機(jī)器人的控制子系統(tǒng)，使平臺(tái)能通過(guò)遙控手段被“控起來(lái)”，并完成環(huán)境建圖和目標(biāo)識(shí)別任務(wù)；“專業(yè)一級(jí)項(xiàng)目”要求學(xué)生在虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下完成機(jī)器人保障維修、遠(yuǎn)視距資源點(diǎn)爭(zhēng)奪和對(duì)抗打擊競(jìng)賽，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的“打起來(lái)”。四個(gè)項(xiàng)目在體系上自成一體，在內(nèi)容上前后連貫，在要求上逐級(jí)提高。

圖1 四個(gè)課程群

圖2 綜合實(shí)踐項(xiàng)目所需知識(shí)體系

圖3 各綜合實(shí)踐項(xiàng)目之間的關(guān)系

(三)培養(yǎng)手段與目標(biāo)

以機(jī)器人的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、調(diào)試、優(yōu)化、運(yùn)用全流程為牽引，使學(xué)生掌握工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的完整流程，從而運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)知識(shí)到能力的轉(zhuǎn)化。項(xiàng)目涉及電子、通信、計(jì)算機(jī)、控制等多學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用，可提升學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，實(shí)現(xiàn)從分散到貫通的融合。采用繼承與差異化相結(jié)合的項(xiàng)目要求，給學(xué)生創(chuàng)造了兼顧傳承與創(chuàng)新的良好條件，實(shí)現(xiàn)了從模仿到創(chuàng)新的飛躍，如圖4所示。

圖4 培養(yǎng)手段與目標(biāo)

三、保障實(shí)踐教學(xué)體系實(shí)施的措施

(一)教學(xué)設(shè)備保障

在機(jī)器人實(shí)踐平臺(tái)的建設(shè)上，指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)擺脫了只為單一實(shí)踐項(xiàng)目服務(wù)的局限性，站在了更高更系統(tǒng)全面的角度，按照體系化、模塊化的思路，自研定制了一系列機(jī)器人平臺(tái)及配套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，這些設(shè)備“同芯”設(shè)計(jì)，復(fù)雜度與難度各異，通過(guò)合理設(shè)計(jì)實(shí)踐體系，達(dá)到逐級(jí)進(jìn)階培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的目標(biāo)[7-8]。

在體系建設(shè)上，按照“虛擬與實(shí)際結(jié)合、技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)結(jié)合”的思路，建設(shè)了機(jī)器人設(shè)備群及應(yīng)用環(huán)境，如圖5所示。考慮無(wú)人系統(tǒng)在未來(lái)作戰(zhàn)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)制作了戰(zhàn)場(chǎng)沙盤模型、高精度局部定位系統(tǒng)，可以滿足多機(jī)多人在模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的對(duì)抗演練。開(kāi)發(fā)了三維虛擬對(duì)抗平臺(tái)，可進(jìn)行無(wú)人系統(tǒng)虛擬對(duì)抗作戰(zhàn)；也可將空地?zé)o人平臺(tái)實(shí)物、三維虛擬對(duì)抗平臺(tái)和局部定位系統(tǒng)結(jié)合，完成虛實(shí)結(jié)合的對(duì)抗演練[9]。通過(guò)體系環(huán)境構(gòu)建，學(xué)生既可以深入學(xué)習(xí)并實(shí)踐機(jī)器人技術(shù)，又可以探討未來(lái)無(wú)人作戰(zhàn)的應(yīng)用技術(shù)戰(zhàn)術(shù)，為培養(yǎng)復(fù)合新型軍事人才奠定了基礎(chǔ)。

圖5 虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐環(huán)境

(二)指導(dǎo)與組織方式

以團(tuán)隊(duì)和特定老師構(gòu)成的雙重指導(dǎo)架構(gòu)，指導(dǎo)整個(gè)綜合設(shè)計(jì)的實(shí)施過(guò)程。學(xué)生以小組為單位參加實(shí)踐，每個(gè)小組有具體指導(dǎo)老師負(fù)責(zé)，同時(shí)受團(tuán)隊(duì)導(dǎo)師組管理。對(duì)于多個(gè)小組的共性問(wèn)題，可以由團(tuán)隊(duì)導(dǎo)師組指導(dǎo)；對(duì)于每個(gè)小組的特定性問(wèn)題，主要由小組的指導(dǎo)老師負(fù)責(zé)解答和處理。探索運(yùn)用合作學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，通過(guò)組間競(jìng)爭(zhēng)組內(nèi)合作的方式，引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，激發(fā)組內(nèi)學(xué)生的責(zé)任感和團(tuán)結(jié)協(xié)作精神。指導(dǎo)教員努力做到既把好技術(shù)關(guān)，避免不必要的時(shí)間、物質(zhì)上的浪費(fèi)，幫助學(xué)生在有限的實(shí)踐學(xué)時(shí)內(nèi)完成好綜合實(shí)踐項(xiàng)目，又充分鼓勵(lì)和尊重學(xué)生的想法，支持學(xué)生的探索精神。優(yōu)化考核方式，采用過(guò)程性與終結(jié)性考核相結(jié)合的方式，覆蓋項(xiàng)目實(shí)施全過(guò)程。每個(gè)綜合實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)置5個(gè)階段性考核任務(wù)與1個(gè)競(jìng)賽型/對(duì)抗性考核內(nèi)容。以“信息系統(tǒng)綜合實(shí)踐項(xiàng)目”為例，包括方案設(shè)計(jì)(20分)、避障功能(10分)、遠(yuǎn)距離遙控(10分)、視頻傳輸(10分)、人機(jī)交互(10分)以及綜合競(jìng)速(40分)，如圖6所示。

圖6 “信息系統(tǒng)綜合實(shí)踐項(xiàng)目”考核方式

四、教學(xué)體系實(shí)施階段性成效

(一)實(shí)踐項(xiàng)目效果顯著

自2019年第一次開(kāi)課以來(lái)，3個(gè)二級(jí)項(xiàng)目已完成15個(gè)班次的實(shí)踐教學(xué)，一級(jí)項(xiàng)目完成4個(gè)班次的實(shí)踐教學(xué)。學(xué)生通過(guò)各個(gè)項(xiàng)目的逐步開(kāi)展，實(shí)踐典型機(jī)器人的“需求分析、資料查閱、方案設(shè)計(jì)、理論計(jì)算、工程實(shí)現(xiàn)、試驗(yàn)調(diào)試”的全套設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程，鞏固所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)工程素養(yǎng)和協(xié)作精神，激發(fā)創(chuàng)新思維和科研興趣，有效提升了創(chuàng)新實(shí)踐能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

(二)提升學(xué)科競(jìng)賽成績(jī)

基于本綜合實(shí)踐項(xiàng)目群訓(xùn)練獲得的能力提升，大批學(xué)生在各類學(xué)科競(jìng)賽中成為主力隊(duì)員，并在比賽中獲得了優(yōu)異成績(jī)。2019年以來(lái)，100余人次在國(guó)際級(jí)、國(guó)家級(jí)、省級(jí)學(xué)科競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)。例如，獲得UGVC國(guó)際無(wú)人系統(tǒng)創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽冠軍2項(xiàng)；獲得機(jī)器人世界杯冠軍1次、季軍1次。

五、結(jié)語(yǔ)

本文提出并構(gòu)建了面向全流程工程訓(xùn)練的無(wú)人裝備工程、無(wú)人系統(tǒng)工程專業(yè)綜合實(shí)踐教學(xué)體系。以實(shí)踐教學(xué)為基石、團(tuán)隊(duì)合作為手段、對(duì)抗競(jìng)技為平臺(tái)，以機(jī)器人的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、調(diào)試、應(yīng)用的全流程工程訓(xùn)練為主線，多維度地培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新思維，有效提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量。