新工科背景下機器人工程專業(yè)人才實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式探索

摘 要：機器人工程是典型的新工科專業(yè)，具有鮮明的多學(xué)科交叉特點，更加強調(diào)學(xué)生的工程實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)?；谶@一特點，文章首先構(gòu)建了梧州學(xué)院機器人工程專業(yè)實踐創(chuàng)新一體化培養(yǎng)體系，其次以水下機器人實訓(xùn)項目為例，詳細闡述實訓(xùn)平臺選擇、實訓(xùn)內(nèi)容由“學(xué)練”到“創(chuàng)新”的遞進式實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式，并系統(tǒng)設(shè)計了學(xué)生在對應(yīng)階段應(yīng)完成的項目內(nèi)容，最后明確了通過該模式應(yīng)達成的培養(yǎng)目標(biāo)。實踐表明，該模式提升了學(xué)生的水下機器人開發(fā)設(shè)計能力和工程實踐創(chuàng)新能力，為機器人工程專業(yè)新工科建設(shè)發(fā)揮了積極作用。

關(guān)鍵詞：新工科;機器人工程專業(yè);實訓(xùn)項目;實踐創(chuàng)新能力

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2024）10-0037-04

一、引言

2023年1月，工業(yè)和信息化部等十七部門發(fā)布的《“機器人+”應(yīng)用行動實施方案》提出，結(jié)合區(qū)域發(fā)展特色，開展“機器人+”應(yīng)用創(chuàng)新實踐，促進經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展[1]。該方案推動了機器人行業(yè)的加速發(fā)展，但追根溯源，加強人才培養(yǎng)才是方案實施的重要保障。機器人工程專業(yè)的最大特點是多學(xué)科交叉、工程實踐性強[2-4]，因此，該專業(yè)要和其他工科類專業(yè)有所不同，應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力為主線，構(gòu)建實踐創(chuàng)新一體化的培養(yǎng)體系[5-6]。

梧州學(xué)院是廣西地區(qū)最先獲批機器人工程專業(yè)的高校。機器人工程專業(yè)是該校電子信息新工科專業(yè)群中的新建專業(yè)，自2019年開始招生。梧州是三江（西江、桂江和潯江）匯合之地，水系資源豐富。作為地方本科院校，梧州學(xué)院辦學(xué)定位立足梧州，服務(wù)“一區(qū)一帶”（粵桂合作特別試驗區(qū)和珠江——西江經(jīng)濟帶），因此，機器人工程專業(yè)開設(shè)水下機器人實訓(xùn)對于服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。為提高學(xué)生的工程實踐創(chuàng)新能力，文章構(gòu)建了“四層次”實踐創(chuàng)新一體化培養(yǎng)體系，并以綜合自主實踐層的水下機器人實訓(xùn)為例，詳細闡述水下機器人實訓(xùn)項目的“學(xué)練”與“創(chuàng)新”2個階段設(shè)計。實踐表明，實訓(xùn)項目提高了學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，多名學(xué)生在學(xué)科競賽中取得了優(yōu)異的成績。

二、實踐創(chuàng)新一體化培養(yǎng)體系

梧州學(xué)院機器人工程專業(yè)將實踐與創(chuàng)新有機結(jié)合，構(gòu)建了實踐創(chuàng)新一體化培養(yǎng)體系，貫穿大學(xué)四年，如圖1所示。

整個體系分為四層，第一層為認知實踐能力培養(yǎng)，面向大一新生，進行機械、電子工藝方面的認知，學(xué)習(xí)了解機器人基礎(chǔ)知識;第二層為基礎(chǔ)實踐能力培養(yǎng)，完成基礎(chǔ)課程方面的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，強化學(xué)生的動手能力，為后面的實訓(xùn)和競賽打a/xkecqAjlfWpFo1v6sS4w==好基礎(chǔ);第三層為綜合自主實踐能力培養(yǎng)，學(xué)習(xí)機器人各個方面的知識和技能，同時參加校級/省級的學(xué)科競賽;第四層為創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)，主要通過各類學(xué)科競賽和“雙創(chuàng)”項目提高學(xué)生的理論水平和實踐技能，學(xué)生的成果主要在這一層產(chǎn)生。水下機器人基礎(chǔ)實訓(xùn)屬于綜合自主實踐層，是在完成相關(guān)基礎(chǔ)實踐后進入的高級實踐層，這一層的目的是引導(dǎo)學(xué)生建立系統(tǒng)和工程的概念。

三、水下機器人實訓(xùn)平臺

水下機器人被廣泛應(yīng)用于軍用、民用等各個領(lǐng)域，其作為水下開發(fā)工具在水下觀測和水下作業(yè)方面體現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢。梧州學(xué)院水下機器人實訓(xùn)平臺選用博雅工道（北京）機器人科技有限公司的自主仿生機器人作為教學(xué)工具，這是一款全面開源的水下仿生機器人，采用單關(guān)節(jié)仿生尾鰭作為推進器，模仿魚類外形和運動規(guī)律進行水下環(huán)境數(shù)據(jù)收集，實物圖如圖2所示。機器人工程專業(yè)配備有6套這樣的水下機器人及1個專用水池。由于水下機器人基礎(chǔ)實訓(xùn)項目較為復(fù)雜，因此，按照機器人學(xué)科競賽要求，學(xué)生每3人為一組，小組成員分工協(xié)作，一次可18人同時進行實訓(xùn)，利于有序地開展教學(xué)和培養(yǎng)學(xué)生的合作能力。

水下機器人系統(tǒng)組成：主機艙、控制艙、電池艙、尾鰭、天線、水聲遙控、PC 端平臺。

參數(shù)：主體尺寸長27.2 cm、寬11 cm、高18.1 cm;整體質(zhì)量1.2 kg;水下聲波通訊5～10 m;圖像采集30萬像素;續(xù)航時間90～150 min。

水下機器人實訓(xùn)平臺主要技術(shù)特點如下。①自主識別。搭載高清攝像頭，基于Linux操作系統(tǒng)對采集圖像進行處理，可在水下識別到目標(biāo)物體，并實現(xiàn)機器人對目標(biāo)物體的智能拍攝和跟隨。②代碼開源。提供機器人二次開發(fā)所常用的SDK庫函數(shù)，并配有相應(yīng)函數(shù)解析過程，便于對機器人進行二次開發(fā)，且易調(diào)試、上手快。③外設(shè)航插。預(yù)留防水航插，通過該航插接口，機器人可直接搭載外設(shè)，實時顯示外接設(shè)備的工作狀態(tài)信息。④調(diào)試平臺。提供配套調(diào)試軟件，可對機器人進行參數(shù)調(diào)節(jié)、程序編寫和燒錄，可查看外接設(shè)備的工作狀態(tài)信息，可實時拍攝圖像。⑤雙端操控?？稍O(shè)置手動遙控模式，通過水聲遙控器無線操控機器人;也可設(shè)置自主模式，規(guī)劃機器人游動方式，使機器人實現(xiàn)自主游動。⑥水聲通信。不同于常規(guī)的有纜操控方式，采用水聲通信方式操控機器人可增加機器人的便捷性和靈敏性。

這套水下機器人實訓(xùn)平臺作為教學(xué)載體，可在運動控制、機械設(shè)計、電子電路、水聲通信等方面對學(xué)生進行理論與實踐教學(xué);作為科研載體，可依據(jù)科研需求搭載相應(yīng)傳感器進行科研創(chuàng)新，進行自主水下圖像識別、路徑規(guī)劃、自主避障等智能程序開發(fā)，還可拓展研究方向，包括流體力學(xué)、仿生學(xué)、多機器人編隊等多個研究領(lǐng)域。同時，該實訓(xùn)平臺還可參與創(chuàng)新競技比賽及各類水下機器人競賽，提高學(xué)生的競技水平。

四、實訓(xùn)項目設(shè)計

水下機器人實訓(xùn)項目的教學(xué)設(shè)計分為2個階段，即第1階段“學(xué)練”與第2階段“創(chuàng)新”，2個階段呈遞進式模式，如圖3所示。

在“學(xué)練”階段，首先進行的是知識點引入，然后分配具體任務(wù)，在完成實訓(xùn)任務(wù)后要進行任務(wù)回顧，由小組探討實訓(xùn)過程中出現(xiàn)的問題，最后進行任務(wù)總結(jié)。這一階段是基礎(chǔ)，為“創(chuàng)新”階段做準(zhǔn)備。在“創(chuàng)新”階段，首先是引入具體項目，把分散的知識點進行整合與應(yīng)用，項目的來源主要是往年的競賽題目、教師的科研課題，主要針對特定場景的應(yīng)用項目。在項目確定后，小組成員要認真思考，至少提出3種解決方案，再擇優(yōu)實現(xiàn)項目。在項目的后期階段，要針對項目提出拓展任務(wù)并實現(xiàn)。通過這一階段的訓(xùn)練，學(xué)生可基于自己新的創(chuàng)意和想法申報創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目。

（一）“學(xué)練”階段實訓(xùn)設(shè)計

“學(xué)練”階段的項目主要包含6方面，且有對應(yīng)的具體內(nèi)容，知識點相對獨立，要求學(xué)生熟練掌握相關(guān)的“學(xué)練”項目，為“創(chuàng)新”階段打好基礎(chǔ)（表1）。

項目1和2涉及水下機器人基本原理及基本編程方法;項目3涉及圖像識別的應(yīng)用;項目4涉及水下機器人傳感器的開發(fā)應(yīng)用;項目5涉及多個數(shù)字、模擬傳感器的協(xié)同應(yīng)用;項目6涉及水下機器人的二次開發(fā)。通過“學(xué)練”階段的訓(xùn)練，師生可以共同學(xué)習(xí)和探討水下機器人的運動路線設(shè)計、目標(biāo)識別、避障算法等相關(guān)知識點，并進行“學(xué)練”階段的總結(jié)。

（二）“創(chuàng)新”階段實訓(xùn)設(shè)計

“創(chuàng)新”階段要完成3個模擬場景的水下機器人應(yīng)用項目，是“學(xué)練”階段知識點的綜合運用（表2）。

項目1是2020年第二屆廣西大學(xué)生人工智能設(shè)計大賽第二賽道競賽題目，具體要求：機器人在水池中穿越攔截繩，穩(wěn)定停止在終點并成功拍攝完整的紫色球。機器人的出發(fā)位置位于場地邊緣出發(fā)區(qū)標(biāo)志點，在穿越攔截繩的過程中，機器人不得觸碰到攔截繩。攔截繩平行放置在水中，紅、綠交錯放置，攔截繩之間的間距均為 80 cm，且各個攔截繩所處的水深不同，紅色攔截繩處水深 20 cm、綠色攔截繩處水深40 cm，具體示意圖如圖4所示。

項目2具體要求：機器人在水池中按照學(xué)生設(shè)計的搜索策略，通過前置攝像頭搜尋污染源。在搜尋到污染源后需近距離拍照取證，要求照片上可以清晰看到污染源編號。其中，紫色球為污染源目標(biāo)模型，紅色球和綠色球為干擾模型，所有球均在水平面 20 cm 以下。機器人的出發(fā)位置位于出發(fā)岸的標(biāo)志點，目標(biāo)球體在水池中的位置固定，不受機器人的游動影響。每個目標(biāo)模型上標(biāo)有數(shù)字編號，具體示意圖如圖5所示。

項目3具體要求：用直徑75 mm的白色PVC管鋪設(shè)模擬輸油管線，PVC管鋪在水池底部，管線布局由每個實訓(xùn)小組自己設(shè)定。用直徑1～3 cm圓形實心黑色標(biāo)記表示漏油處，共設(shè)置多個漏油處，隨機分布在輸油管正上方。機器人沿著鋪設(shè)好的輸油管線游動，游動的同時檢測管線上標(biāo)記的漏油處，通過聲音、光、回傳PC機數(shù)據(jù)等方式報警漏油處。更進一步還可以設(shè)置漏油處在水面，用紅色氣球表示石油已滲漏至水面的點位，水下和水面都有漏油處，既增加了項目的復(fù)雜度，也更接近于實際場景。

項目引入后，學(xué)生應(yīng)主動積極思考，根據(jù)項目任務(wù)進行方案設(shè)計。例如，項目2要求學(xué)生自己設(shè)計搜索策略，完成相應(yīng)的任務(wù);項目3的難度取決于模擬輸油管線鋪設(shè)的復(fù)雜度。3個項目都是通過對圖像處理知識的學(xué)習(xí)，掌握圖像處理的基本算法，從而實現(xiàn)水下物體識別和機器人運動控制。

“創(chuàng)新”階段的訓(xùn)練要求師生在項目完成后要共同探討機器人仿生項目策略、機器人搜尋項目策略等問題，總結(jié)項目實施過程中出現(xiàn)的問題及解決方法。同時，鼓勵優(yōu)秀的學(xué)生可針對水下機器人項目提出和實現(xiàn)自己的創(chuàng)新想法。

（三）創(chuàng)新與學(xué)科競賽

水下機器人大賽具有廣泛的工程背景，可以促進水下機器人相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，在海底勘探、軍事偵察、海洋開發(fā)等諸多領(lǐng)域具有重要的意義。為實現(xiàn)機器人創(chuàng)新開發(fā)的目的，水下機器人實訓(xùn)平臺預(yù)留了防水航插接口，可搭載溫度、含氧量、PH值、硝氮等水質(zhì)傳感器。學(xué)生可通過接口進行二次開發(fā)，在機器人機體上搭載新的傳感器，通過復(fù)雜的程序設(shè)計完成新的創(chuàng)意作品，探索水下世界，實現(xiàn)創(chuàng)意的現(xiàn)實轉(zhuǎn)化，以激發(fā)創(chuàng)新思考。

梧州學(xué)院機器人實訓(xùn)室實行開放模式，為學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和場所，鼓勵學(xué)生參加水下機器人創(chuàng)新創(chuàng)意類比賽，提高動手能力（圖6）。在經(jīng)過“學(xué)練”和“創(chuàng)新”2個階段訓(xùn)練后，學(xué)生組建興趣小組，側(cè)重于水下機器人的創(chuàng)新創(chuàng)意開發(fā)，可在原有API函數(shù)庫的基礎(chǔ)上編制新的程序，設(shè)計和實施新的比賽策略。在了解國內(nèi)外機器人競賽的規(guī)則和要求后，學(xué)生可積極參加國內(nèi)外的水下機器人大賽，以此為載體，提升學(xué)校的綜合水平及影響力，獲得與國內(nèi)外一流教師、參賽隊員的交流機會。參賽學(xué)生還可以進行項目綜合開發(fā)，在機械開發(fā)能力、團隊合作能力等多方面得到鍛煉。與其他類型的機器人競賽相比，水下機器人競賽較好地融合了技術(shù)挑戰(zhàn)和視覺觀賞，吸引了眾多學(xué)生的興趣和機器人愛好者參與其中，在競賽中也出現(xiàn)了很多好的創(chuàng)意。

五、實訓(xùn)項目達成目標(biāo)

梧州學(xué)院以水下機器人為載體，構(gòu)建水下機器人基礎(chǔ)實訓(xùn)平臺，通過運動控制系統(tǒng)控制機器人的游動速度、浮潛、拍攝、照明及姿態(tài)穩(wěn)定，通過圖像識別系統(tǒng)進行目標(biāo)識別和跟隨，通過水聲遙控系統(tǒng)進行機器人操控，著重培養(yǎng)學(xué)生對水下機器人系統(tǒng)的分析與設(shè)計能力，以及學(xué)生對機器人系統(tǒng)科學(xué)知識的應(yīng)用能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識，同時支撐了機器人專業(yè)建設(shè)成果中相應(yīng)指標(biāo)點的達成。

梧州學(xué)院通過機器人工程專業(yè)實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式，具體達成了如下目標(biāo)。①了解應(yīng)用。學(xué)生了解了水下機器人的概念和工作方式，熟悉前沿領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用狀況。②掌握原理。學(xué)生掌握了水下機器人的各個組成部件原理及應(yīng)用、各種傳感器和驅(qū)動器的原理，通過編程實現(xiàn)對水下機器人的控制。③提高能力。通過完成“學(xué)練”項目和“創(chuàng)新”應(yīng)用項目，學(xué)生提高了規(guī)劃能力、動手能力、協(xié)作能力和解決問題的能力。④轉(zhuǎn)化創(chuàng)意。以水下機器人為平臺載體，通過水下機器人的航插搭載不同類型的傳感器，完成各種水下的實驗和創(chuàng)意，學(xué)生提高了創(chuàng)新能力，并可將自己的創(chuàng)新創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為實際作品。⑤拓展學(xué)習(xí)。學(xué)生學(xué)習(xí)圖像識別和人工智能的科技前沿，以水下機器人為載體，還學(xué)習(xí)了自主視覺、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方面的前沿科技知識。

六、結(jié)束語

通過水下機器人實訓(xùn)，學(xué)生提高了海洋科技與人工智能方面的創(chuàng)新意識和能力。自2020年開始，梧州學(xué)院機器人工程專業(yè)已連續(xù)參加了3屆廣西大學(xué)生人工智能設(shè)計大賽（水下機器人賽道），共獲得一等獎3項、二等獎8項、三等獎多項，2023年第一屆畢業(yè)生就業(yè)率達到91.67%。實踐表明，實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式提升了學(xué)生的水下機器人開發(fā)設(shè)計能力和工程實踐創(chuàng)新能力，為機器人工程專業(yè)新工科建設(shè)發(fā)揮了積極作用。

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作者簡介：李志軍，男，副教授，高級工程師，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能與機器人;杜麗，女，高級工程師，研究方向為無線充電技術(shù)、實驗教學(xué)與管理;張文祥，男，教授，研究方向為無線傳感網(wǎng)絡(luò)及創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。

基金項目：廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項目“新工科背景下地方本科高校機器人工程專業(yè)建設(shè)研究與實踐”（2023JGZ163）、“高質(zhì)量發(fā)展背景下地方應(yīng)用型本科院校電子信息類專業(yè)科研教學(xué)一體化建設(shè)與改革研究”（2023JGA320）;廣西教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃項目“工程教育專業(yè)認證高質(zhì)量課程體系教學(xué)目標(biāo)協(xié)同建構(gòu)與實現(xiàn)路徑研究”（2023A069）;梧州學(xué)院教育教學(xué)改革工程項目“‘電路分析實驗’課程思政建設(shè)的探索與實踐”（Wyjg2023A037）、“新工科背景下應(yīng)用型高校機器人工程專業(yè)建設(shè)探索與實踐”（Wyjg2022B022）