面向創新應用的“智能機器人”層次化實踐教學框架

薛建新　常曦　蔣川群

摘 要：多學科交叉性質增加了智能機器人課程實踐教學難度，如何高效開展實踐教學環節提升創新應用能力成為關注的重點。依托計算機科學與技術學科背景，基于循序漸進和學生自主選擇原則，提出面向創新應用的層次化實踐教學框架，即“基礎—綜合—創新應用”3個層次：基礎層熟悉和掌握基本功能，激發學生的學習興趣；綜合層關注主流應用場景的關鍵功能，提升學生的創新能動性；創新應用層取材于競賽項目和企業項目，實現學生對教學內容的創新應用。

關鍵詞：智能機器人；創新應用；實踐教學；層次化框架

0 引 言

社會生產力的進步和經濟發展模式的變革，促使機器人技術迅猛發展并得到廣泛應用。目前，機器人研究正處于第3代智能機器人階段，有一定的學習、自洽和適應能力，即機器人可以融合多類傳感器采集的信息，適應不斷變化的工作環境[1]。機器人技術相關人才需求逐年增長，促使國內很多高校開設了相關課程或專業。智能機器人作為計算機、自動化、機電、電子、腦認知等多學科交叉產物，已經成為教學、研究和應用的焦點。就本科教學而言，教師完整講授且學生要完整掌握這些知識，難度非同一般，勢必影響學生對智能機器人的學習興趣。因此，如何高效開展智能機器人課程實踐教學環節、快速提升學生對智能機器人的興趣和創新應用能力就成為關注及研究的重點。

1 智能機器人

智能機器人是計算機、自動化、機電、電子、腦認知等多學科和技術交叉的產物，它通過傳感器獲取多種外部環境信息，處理、識別并自主完成復雜的行為任務。智能機器人作為本科專業基礎課程，完整的課程內容包括空間描述和變換、動力學、運動學、控制論、計算機編程等多學科理論知識，同時還需要儲備多種技術能力，如傳感器使用、信號處理、信息識別、計算機編程等。完整地講授這些知識，必須配備同時具有這些知識背景的復合型人才，或者由多位專業教師協同授課。即使師資配備到位，要想在短時間內使應用型本科高校的學生掌握相關的理論知識和技術，并達到應用的效果，可以說難度很高。

因此，開設智能機器人相關本科課程時，必然依托具體的學科方向和專業背景，教授的內容有所側重。王旭等人主要講述機器人學的空間描述和變換、操作臂正/逆運動學、動力學、速度和靜力等數學原理問題，并利用MatLab編程框架進行仿真實驗，激發學生學習機器人理論的興趣[2]。鄧新等人利用開源硬件Arduino設計實體機器人，利用其易用性和可擴展性降低實體機器人的制作門檻[3]。王志良等人側重與人的交互，設計并研制具有一定情感處理和表達能力的情感機器人，通過機器人可感知外部環境以及實現肢體、語音等功能，加深學生對實體機器人設計的理解[4]。

以上研究工作主要側重對講授內容的選取，以及依托機械制造專業講授工作機器人的制造和編程，但未就如何在有限學時內激發學生智能機器人的學習興趣、創新能動性、提升創新應用能力做深入闡述。因此，筆者依托計算機科學與技術學科背景，提出“基礎—綜合—創新應用”3個層次的實踐教學框架，應用于上海第二工業大學智能科學與技術專業智能機器人課程的實踐教學環節，并取得初步成效。

2 學科依托和設計原則

“一帶一路”“互聯網+”“中國制造2025”等政策的不斷推進，使得新一代信息技術產業人才的市場需求劇增。預計到2025年，相關人才缺口將達到950萬人。作為新一代信息技術的核心支撐技術之一，計算機科學和技術也遇到了前所未有的發展機遇和就業前景。計算機科學與技術學科的培養過程，是對思維邏輯、算法和程序設計等嚴格訓練的過程。因此，以計算機科學與技術學科為依托講授智能機器人相關課程，可以將智能機器人的實踐教學重點聚焦在決策和應用方面。

層次化實踐教學框架按照循序漸進和自主選擇原則進行設計。

（1）循序漸進，逐步走向創新應用。整體框架采用循序漸進的方式設計，內容由易到難，由基礎逐漸過渡到創新應用。

（2）以學生為主體，鼓勵自主選擇。提供多個內容供學生選擇，鼓勵學生從興趣點出發自主選擇，以逐步激發其創新應用意識。

3 層次化實踐教學框架

以計算機科學與技術學科為依托，根據設計原則制定“基礎—綜合—創新應用”3個層次的智能機器人實踐教學框架。

智能機器人3個層次實踐教學框架包括基礎實驗、綜合實驗和創新應用（見圖1）。基礎實驗旨在讓學生熟悉智能機器人的基礎功能模塊，以激發其學習興趣；綜合實驗通過講授主流應用場景的關鍵功能，提升學生的創新能動性；創新應用實驗是通過競賽題目和企業項目實現相關技術的創新應用。

3.1 基礎實驗

基礎實驗需要熟悉和掌握智能機器人的4個基礎功能模塊——運動、傳感器、語音和視覺，為擴展試驗作準備?；A實驗共設4組，要求每個實驗所有人都必須參與，具體內容見表1。實驗1要求學生熟練控制機器人各個關節、剛度、行走方向、調整步態/姿態等簡單功能，最后設計連續動作，如一段舞蹈，以貝賽爾曲線擬合；實驗2要求學生熟練掌握各種傳感器數據的采集和查看，并體驗觸碰傳感器、關節溫度和角度傳感器的使用；實驗3要求學生熟練操作機器人自帶語音合成庫，編寫參數來控制機器人說話，并錄放相關音頻文件及實現其中斷控制；實驗4要求學生熟練掌握攝像頭數據的采集，對標志物、二維碼、人臉識別引擎的應用，最終實現選定目標的追蹤。

3.2 綜合實驗

綜合實驗需要學生掌握機器人主流應用場景的關鍵功能，即通信、定位、識別以及交互。綜合實驗共設4組內容，見表2。該部分內容要求學生必須在通信和交互，定位和識別兩組中各選一個進行實驗，為創新應用作鋪墊。實驗1強調智能機器人之間的通信；實驗2強調智能機器人的室內定位技術和對聲源目標的搜索技術；實驗3引入云服務擴展語音識別和人臉識別功能；實驗4使用自帶情緒識別引擎定制人機交互內容。

3.3 創新應用實驗endprint

創新應用實驗作為學生學習人工智能、模式識別、圖像處理與機器視覺、語音識別與自然語言處理等專業課程后的專業綜合實訓內容，結合前期基礎實驗和擴展實驗的技術，根據智能機器人應用的主流方向，取材于機器人相關賽事，如世界機器人大賽格斗機器人大賽之仿人機器人接力賽以及企業實際項目，主要分為運動控制類綜合實驗和人機交互類綜合實驗，見表3。綜合實驗須分組進行，由學生選擇其中任一實驗或根據實際場景自主擬題，目的在于使學生綜合運用所學知識解決實際問題，以激發學生的積極性，提升其創新應用能力。

4 框架應用

上海第二工業大學智能科學與技術專業歸屬計算機科學與技術學科，開設了智能機器人及相關實踐教學環節，智能機器人3個層次實踐教學框架取得初步成效。

4.1 實踐教學支撐

作為應用型本科院校，上海第二工業大學重視實踐教學環節。智能機器人配備的實踐課程包含理論課隨堂實驗、課程實習和綜合實訓，總計160學時。先后購置9套ROBOCUP標準競賽平臺類人機器人NAO，作為智能機器人的實踐教學平臺。NAO支持多種程序語言，便于學生進行探索性實驗和自主學習，符合以機器人實驗為載體的實踐創新培養體系要求[5]。上海第二工業大學產學研合作基地——上海儀酷智能科技有限公司，提供擁有自主知識產權的基于LabVIEW的NAO開發工具包，為順利開展實驗提供軟件平臺支撐。

4.2 初步實效

層次化實踐教學框架已經初步應用于我校2014級智能科學與技術本科專業，通過隨堂實驗完成基礎實驗、在課程實習完成綜合實驗以及在綜合實訓完成創新應用實驗，課程教學已取得初步成效，目前已經完成課程實習階段，尚未進入創新應用實驗階段。其中，部分學生已經能綜合使用相關基礎功能和擴展功能，申請上海市大學生創新活動計劃項目“基于LabVIEW的NAO機器人社交型人機交互系統設計與實現”并獲批（項目編號201712044003）。

層次化實踐教學框架關注學生興趣的激活和創新應用，對專業學生的學習具有3方面的潛在影響。

（1）激發學習興趣。基礎實驗內容為核心基礎內容，相對簡單，有助于激發學生的學習興趣。

（2）訓練自主學習能力。開展智能機器人實踐課程的意義在于提高智能機器人應用技能。擴展實驗考慮到學生的知識結構，在學生已掌握核心功能的前提下展開，實驗結果具有明顯特征，便于學生自行檢查和提高。

（3）提升創新應用意識。強調學生是主體，鼓勵其自行選題；鼓勵學生自主探究解決問題的方法，學生可自主設計與實施實驗方案；教師只對最終實現的系統提出基本要求，不過多介入具體設計；學生可以憑借對系統的理解，對實驗系統進行補充和擴展；教師可以將學生的自主創新內容列為課程學習的重要評價指標。

5 結 語

依托計算機科學與技術學科背景，提出智能機器人的“基礎—綜合—創新應用”3個層次的實踐教學框架，并應用于智能科學與技術專業，目前已取得初步成效。運用層次化實踐教學框架，既能讓學生掌握智能機器人的核心知識點，又能讓學生自主選擇感興趣的實驗內容，增強其自主學習能力，提升其創新應用能力，還能使學生踴躍參加相關競賽和創新項目。

該層次化實踐教學框架內容是根據智能機器人課程設計的，下一步將研究如何利用該框架設計數據挖掘、圖像處理與機器視覺、自然語言處理等課程的實踐教學環節。

參考文獻：

[1] 馮士剛， 齊倩蕊， 張俊， 等. 智能機器人實踐課程自主創新能力培養研究[J]. 計算機教育， 2016（10）： 45-48.

[2] 王旭仁， 何花， 周全， 等. 深入完善“智能機器人”實踐課程體系，促進實踐教學[J]. 計算機教育， 2009（11）： 116-118.

[3] 鄧欣， 王進， 于洪， 等. 開源硬件在“智能機器人”實踐課程中的應用[J]. 計算機教育， 2015（18）： 105-110.

[4] 王志良， 劉遙峰， 解侖. 基于智能交互機器人平臺的教學與實踐[J]. 計算機教育， 2009（11）： 74-77.

[5] 陳小平， 羅文堅. 以機器人實驗為載體的實踐創新培養體系研究[J]. 研究生教育研究， 2011（3）： 48-52.

（編輯：史志偉）endprint