面向自主創(chuàng)新的移動(dòng)機(jī)器人高階思維實(shí)踐教學(xué)

牛 云，李慧平，張守旭

（西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072）

按照《中國教育現(xiàn)代化2035》[1]的戰(zhàn)略部署和《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020 年）》[2]對我國機(jī)器人人才培養(yǎng)提出的具體要求，機(jī)器人實(shí)踐課程應(yīng)更加注重激發(fā)學(xué)生興趣，同時(shí)安排具有一定難度和挑戰(zhàn)性的實(shí)踐內(nèi)容，以解決工程實(shí)際問題為牽引，提升學(xué)生項(xiàng)目開發(fā)及技術(shù)創(chuàng)新能力[3]。

國內(nèi)外機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與革新主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)手段、教學(xué)法、教學(xué)組織形式等幾方面。美國的一項(xiàng)調(diào)查顯示，機(jī)器人教學(xué)普遍缺乏合適的實(shí)驗(yàn)環(huán)境或場地以及低成本、靈活的實(shí)驗(yàn)平臺[4]，導(dǎo)致課容量不足，將高性能仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)或遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室等方式融入機(jī)器人實(shí)踐與創(chuàng)新教學(xué)是當(dāng)前美國各高校重點(diǎn)探索的教學(xué)研究方向之一[5-6]。俄羅斯高校將工業(yè)界的最新需求及技術(shù)引入機(jī)器人教學(xué)，同時(shí)引入機(jī)器人仿真環(huán)境以緩解實(shí)踐資金不足的問題[7]。德國、西班牙等國家的高校大力推廣融合CDIO 等教育理念的機(jī)器人課堂教學(xué)、實(shí)訓(xùn)及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)法革新[8-9]。

在國內(nèi)，各大高校也積極開展旨在提升機(jī)器人等專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的課程改革與研究工作。東北師范大學(xué)馬勛雕等[10]通過精細(xì)化的學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計(jì)，構(gòu)建旨在提升學(xué)習(xí)者高階能力的智慧課堂；王宏等[11]研究了面向深度學(xué)習(xí)的STEM 教育模型，促使學(xué)習(xí)者基于個(gè)人知識體系和深度加工信息，提高實(shí)踐操作能力和高階思維能力；哈爾濱工業(yè)大學(xué)張近民等[12]圍繞既有的機(jī)器人研發(fā)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，通過項(xiàng)目結(jié)合創(chuàng)新平臺開展機(jī)器人課程實(shí)踐教學(xué)改革，注重提升學(xué)生的實(shí)際工程問題解決能力。廈門大學(xué)林曉鷹等[13]運(yùn)用TRIZ 創(chuàng)新流程，設(shè)計(jì)面向新品開發(fā)的自主實(shí)踐教學(xué)法，讓學(xué)生在“創(chuàng)造中學(xué)習(xí)”，取得了良好的效果。

綜上所述，借助新技術(shù)手段，整合資源，構(gòu)建新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)法，激發(fā)學(xué)生通過高階思維進(jìn)行自主探究實(shí)驗(yàn)，是新形勢下機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的重要內(nèi)涵，在國內(nèi)外創(chuàng)新型課程體系設(shè)置中占有重要地位，需要深入研究。

本文充分利用網(wǎng)絡(luò)共享資源及物理仿真等信息化手段設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的開放性、多層次、由易到難的實(shí)驗(yàn)進(jìn)階項(xiàng)目；融合翻轉(zhuǎn)課堂和高階思維工程教育理念，研究面向工程問題的“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式”的實(shí)踐教學(xué)新模式，力求使學(xué)生在興趣的驅(qū)使下，通過自主實(shí)踐、深層次探討、評價(jià)與改進(jìn)，培育工程素養(yǎng)，提高解決工程問題及自主創(chuàng)新的能力。

一 實(shí)踐課程體系與教學(xué)法改革

（一）基于認(rèn)知規(guī)律的多層次實(shí)踐課程體系設(shè)計(jì)

本文將機(jī)器人實(shí)體、物理仿真引擎、數(shù)字仿真相結(jié)合，構(gòu)建如圖1 所示的符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的機(jī)器人多層次實(shí)驗(yàn)課程體系。引導(dǎo)學(xué)生從理論應(yīng)用到創(chuàng)新實(shí)踐，循序漸進(jìn)地獲得工程實(shí)踐高階思維訓(xùn)練，進(jìn)而提高解決復(fù)雜工程問題能力。

圖1 移動(dòng)機(jī)器人智能感知與控制多層次實(shí)驗(yàn)體系

“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”旨在讓學(xué)生掌握移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)所必備的編程框架、環(huán)境感知、運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的操作方法和基本實(shí)驗(yàn)技能。

“綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”面向移動(dòng)機(jī)器人關(guān)鍵或熱點(diǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師與學(xué)生探討題目工程背景、任務(wù)書、實(shí)現(xiàn)方案等；學(xué)生組隊(duì)合作完成相關(guān)算法的設(shè)計(jì)、編程和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，鍛煉對復(fù)雜工程任務(wù)的分析、綜合、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

“探索實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”面向工程難題、前沿探索性議題或?qū)W生自選議題，為學(xué)生提供“開放性”的協(xié)同創(chuàng)新環(huán)境，支持學(xué)生自由探索。

（二）創(chuàng)新激勵(lì)的“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式”高階思維實(shí)踐教學(xué)法

本文將高階思維和“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式”實(shí)踐教學(xué)相融合，首先通過合理創(chuàng)設(shè)面向工程實(shí)際或科研前沿的實(shí)踐項(xiàng)目，引起學(xué)生興趣，然后基于翻轉(zhuǎn)課堂、探究式教學(xué)等手段，開展面向高階思維培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)。教學(xué)過程如圖2 所示，學(xué)生在課前借助教師發(fā)布的學(xué)習(xí)資料或其他資源自主學(xué)習(xí)必要基礎(chǔ)知識、熟悉實(shí)驗(yàn)平臺和工具軟件。獲得基本實(shí)驗(yàn)技能后，課外、課堂形成閉環(huán)互動(dòng)式教學(xué)，課外，學(xué)生根據(jù)任務(wù)書進(jìn)行算法開發(fā)、實(shí)驗(yàn)調(diào)試和技術(shù)驗(yàn)證，并將遇到的棘手問題反饋至課堂；課堂上教師組織學(xué)生進(jìn)行交流互動(dòng)，教師集中精力和時(shí)間與學(xué)生就其關(guān)心的關(guān)鍵難點(diǎn)、技術(shù)問題進(jìn)行深入探討，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化指導(dǎo)和因材施教，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力，進(jìn)而激發(fā)自主創(chuàng)新潛能。

圖2 面向高階思維培養(yǎng)的翻轉(zhuǎn)課堂閉環(huán)實(shí)踐教學(xué)過程

針對不同層次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含的知識維度，高階思維教學(xué)活動(dòng)參考布魯姆（Bloom）教育目標(biāo)二維分類法[14]開展。實(shí)驗(yàn)課程的能力培養(yǎng)目標(biāo)見表1，對移動(dòng)機(jī)器人實(shí)踐課程內(nèi)容進(jìn)行了進(jìn)階式的教學(xué)任務(wù)設(shè)計(jì)，將移動(dòng)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)從傳統(tǒng)的驗(yàn)證、重復(fù)設(shè)計(jì)性認(rèn)知提升為基于高階思維的遷移性、創(chuàng)新性認(rèn)知。

表1 融合項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)和高階思維的實(shí)踐課程教學(xué)目標(biāo)

“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”旨在基礎(chǔ)知識鞏固、驗(yàn)證以及訓(xùn)練基本實(shí)驗(yàn)技能，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容全部在課前完成，思維訓(xùn)練專注于“了解/記憶-理解-應(yīng)用”等低階思維。

“綜合實(shí)驗(yàn)”的主要教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生綜合運(yùn)用相關(guān)知識對移動(dòng)機(jī)器人已較為成熟的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)和改進(jìn)。采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)形式，分“創(chuàng)設(shè)-構(gòu)思”“設(shè)計(jì)-綜合”“評價(jià)-遷移”幾個(gè)階段開展，并融入高階思維訓(xùn)練。

對于“探索實(shí)驗(yàn)”，其主要教學(xué)目標(biāo)是引導(dǎo)學(xué)生嘗試探索移動(dòng)機(jī)器人的前沿技術(shù)點(diǎn)。首先通過課堂探討，使學(xué)生了解移動(dòng)機(jī)器人前沿問題；然后學(xué)生通過頭腦風(fēng)暴等開放式探討獲得創(chuàng)新設(shè)想并進(jìn)行協(xié)同創(chuàng)新實(shí)踐；最后，教師組織答辯對項(xiàng)目創(chuàng)新性、實(shí)用性進(jìn)行評價(jià)，研討成果推廣方式和創(chuàng)業(yè)設(shè)想，使學(xué)生通過自主探索研究掌握創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方法論相關(guān)“元知識”。

二 移動(dòng)機(jī)器人實(shí)踐課程實(shí)施案例

以移動(dòng)機(jī)器人無先驗(yàn)信息自主導(dǎo)航項(xiàng)目為例，展示“綜合實(shí)驗(yàn)”的開展過程。

項(xiàng)目要求：①無先驗(yàn)全局地圖；②機(jī)器人能夠自主到達(dá)指定目標(biāo)點(diǎn)。

“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式”實(shí)踐教學(xué)過程如下。

本項(xiàng)目屬于“綜合實(shí)驗(yàn)”，按照“創(chuàng)設(shè)-構(gòu)思”“設(shè)計(jì)-綜合”“評價(jià)-遷移”分階段開展。

“創(chuàng)設(shè)-構(gòu)思”階段。教師通過播放視頻、組織參觀等方式，讓學(xué)生了解倉儲(chǔ)機(jī)器人、AGV、掃地機(jī)器人等移動(dòng)機(jī)器人典型應(yīng)用場景；與學(xué)生研討上述場景中機(jī)器人必須具備的核心功能，引出本項(xiàng)目的實(shí)踐內(nèi)容；引導(dǎo)學(xué)生分析復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境無先驗(yàn)信息條件下，移動(dòng)機(jī)器人完成自主導(dǎo)航所需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，形成任務(wù)書。

“設(shè)計(jì)-綜合”階段。學(xué)生通過分析任務(wù)書，分組討論獲得項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)方案。將項(xiàng)目實(shí)踐內(nèi)容分解為五個(gè)模塊：激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與處理模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)境中障礙物相對方位的探測；里程計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)根據(jù)里程計(jì)輸出解算機(jī)器人當(dāng)前的位置和姿態(tài)；局部路徑規(guī)劃及避障模塊根據(jù)環(huán)境障礙物相對位置信息和機(jī)器人本體位姿信息利用相應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)局部路徑規(guī)劃以規(guī)避障礙物；路徑跟蹤模塊根據(jù)機(jī)器人當(dāng)前位姿利用相應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)使機(jī)器人趨向目標(biāo)點(diǎn)的路徑跟蹤；機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制模塊完成兩輪差動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。學(xué)生利用Matlab/Simulink 實(shí)現(xiàn)算法，并加載到實(shí)體或Gazebo 虛擬機(jī)器人驗(yàn)證算法有效性。

“評價(jià)-遷移”階段。教師引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)“性能評價(jià)—瓶頸調(diào)查—確定真因—改進(jìn)方案—效果驗(yàn)證”等高階思維方法進(jìn)行循序、啟發(fā)式創(chuàng)新活動(dòng)。

具體到本實(shí)施案例，有學(xué)生小組采用動(dòng)態(tài)窗口法（DWA）實(shí)現(xiàn)即時(shí)避障。在性能測試過程中，發(fā)現(xiàn)在障礙物離導(dǎo)航的目的地很近，且障礙物對目標(biāo)形成遮擋時(shí)，算法容易出現(xiàn)死鎖（圖3（a）所示）。

圖3 機(jī)器人運(yùn)行軌跡

針對上述問題，教師指導(dǎo)學(xué)生首先回顧其使用的DWA 算法的核心思想。DWA 是在速度空間中采樣多組速度矢量（線速度和角速度（v，ω））并模擬推算機(jī)器人下一定時(shí)間內(nèi)的軌跡，經(jīng)過碰撞檢測去掉可能引起碰撞的軌跡，然后基于一個(gè)評價(jià)函數(shù)（如式（1）所示）對可行軌跡進(jìn)行評價(jià)，選取最優(yōu)軌跡（J（v，ω）最大）對應(yīng)的速度驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

式中：θ（v，ω）表示目標(biāo)視線角（機(jī)器人朝向目標(biāo)時(shí)為0，背向目標(biāo)時(shí)為π），Dmin（v，ω）表示機(jī)器人當(dāng)前軌跡與障礙物的最小距離，α，β∈[0，1]為固定權(quán)值。

通過分析式（1）所示的評價(jià)函數(shù)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)被障礙物近距離遮擋時(shí)，基于視線角和障礙物距離按照固定權(quán)值計(jì)算評價(jià)函數(shù)會(huì)周期性地得出相反的航向決策，表現(xiàn)軌跡評價(jià)函數(shù)大幅波動(dòng)，造成機(jī)器人陷入死鎖圓周運(yùn)動(dòng)。即：機(jī)器人發(fā)生死鎖的原因?yàn)樵u價(jià)函數(shù)的固定權(quán)值造成的決策矛盾。

確定原因之后，得出解決這一問題的基本思路是將軌跡評價(jià)函數(shù)中的固定權(quán)值改進(jìn)為自適應(yīng)可調(diào)權(quán)值。學(xué)生開展頭腦風(fēng)暴討論具體改進(jìn)方案，包括權(quán)值調(diào)整的觸發(fā)條件、調(diào)整范圍、調(diào)整算法等。最終學(xué)生基于反饋控制思想，設(shè)計(jì)如式（2）所示的評價(jià)函數(shù)權(quán)值調(diào)整策略

其中，Dmin與式（1）中的意義相同，Ds表示避障閾值。

當(dāng)機(jī)器人離障礙物很近時(shí)（Dmin≤Ds），動(dòng)態(tài)降低評價(jià)函數(shù)中的目標(biāo)朝向權(quán)重，同時(shí)增大避障權(quán)重，即離障礙物很近時(shí)機(jī)器人的航向決策以避障為主，離障礙物較遠(yuǎn)時(shí)（Dmin＞Ds），恢復(fù)評價(jià)函數(shù)固定權(quán)值，機(jī)器人優(yōu)先朝向目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，兼顧避障，解決了問題（圖3（b）所示）。

三 結(jié)束語

機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)是落實(shí)《中國教育現(xiàn)代化2035》、新工科等教育戰(zhàn)略規(guī)劃的重要陣地。本文提出的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)踐課程層次化課程體系設(shè)計(jì)、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺應(yīng)用以及面向創(chuàng)新的“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式”高階思維實(shí)踐教學(xué)法符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，使之能夠自主、循序地學(xué)習(xí)相關(guān)知識并通過團(tuán)隊(duì)合作完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。教學(xué)實(shí)踐表明，上述教學(xué)改革內(nèi)容在調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力，提高實(shí)踐能力，激發(fā)創(chuàng)新思維等方面都取得了較好的效果。