任務驅動、團隊協作在《導航控制系統設計與實現》教學中的探索與成效

張提升，牛小驥，賀喜，梅懿芳

摘要：《導航控制系統設計與實現》是武漢大學導航、制導與控制專業開設的碩士研究生課程。本課程以“任務為主線、教師為主導、學生為主體”為教學理念，以研制高精度導航機器人為教學任務，探索了具有分工協作、知行合一、循序漸進等特點的教學方法。

關鍵詞：任務驅動；團隊協作；導航控制系統；教學探索

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）47-0117-02

一、引言

導航定位是一門從A點到B點的藝術和科學，它既能畫出路線圖，又能讓人們循路前行[1]。控制是指控制主體按照給定的條件和目標，對控制客體施加影響的過程和行為[2]。導彈制導等軍事需求催生了導航、制導與控制這一跨學科專業。隨著科技的進步，我們將逐步進入智能化時代。蓬勃發展的無人機、無人車、機器人均屬于智能化產品，而它們均需要導航控制技術[3]。武漢大學導航、制導與控制專業開設了《導航控制系統設計與實現》課程，旨在加強智能化產品開發急需的高科技人才培養。

本科生課程的教學探索已有許多學者進行了研究[4-5]，而研究生教學沒有得到足夠重視。目前，研究生課程教學存在的主要問題包括：（1）單一地灌輸理論知識的現象普遍存在，學生不能深刻體會學習這些理論知識的用途和意義，不能達到研究生教學的預期效果。（2）同一課程的研究生往往具有不同的本科背景，然而大部分課程在內容和教學方式上不能充分考慮研究生的專業知識背景因素[6]。（3）考核方式仍然以理論知識考試為主，導致學生把時間和精力花在了應付考試，而不是自主鉆研的能力培養上。

工科研究生是企業技術研發的主力軍，教學必須注重理論與實踐相結合。本課程將探索以任務為驅動，以學生為主體，進行團隊協作、知行合一的教學方法。

二、教學目標與內容

《導航控制系統設計與實現》課程目標在于：一方面向研究生傳授導航控制系統設計的相關理論知識，讓學生掌握導航控制系統設計的原理及思想；另一方面，指導學生組隊參加典型導航控制系統的設計與實現，提高學生的實踐動手能力。這門課將培養學生如何運用理論知識指導科研實踐的能力，有助于提高學生的科研動手能力、團隊合作意識，同時，將增強學生的就業競爭力。

《導航控制系統設計與實現》課程設置為36個學時，授課方式包括講授、討論和實驗。教學內容具體包括：無人導航系統設計任務、目標和計劃，智能車平臺，系統電路設計，藍牙通信技術，大地主題算法，導航算法，控制算法，直線導航實現，圓形軌跡實現等。課程內容設置充分體現了以“任務為主線、教師為主導、學生為主體”的教學理念。

三、任務驅動—團隊協作教學探索

任務驅動—團隊協作教學法指教師根據當前教學主題提出并設計任務，根據任務需求和學生各自特點組建團隊，在任務目標驅動下，通過對理論知識的主動學習，進行自主探索、協作、討論的學習，在協同完成任務的同時，實現團隊內各成員的知識共享、能力互補、共同進步的教學方法[7]。本課程以研制高精度導航機器人為教學任務，探索該教學方法的分工協作、知行合一、循序漸進等特點。

1.分工協作。開展分工協作需要注意三個要點：任務分解、任務分工、協作開展。首先需要將總任務分解成若干個子任務模塊。本課程的總任務為實現一個導航機器人，在其人機界面輸入目的地，導航機器人自動引領主人到達目的地。任務可以分解為六個子任務模塊：（1）導航機器人硬件平臺搭建；（2）藍牙通信與數據傳輸；（3）高精度定位算法設計與實現；（4）路徑規劃算法設計與實現；（5）導航控制算法設計與實現；（6）人機交互界面制作。

其次，根據每位同學的專業背景和興趣愛好，合理安排其承擔的子任務模塊。例如：藍牙通信與數據傳輸比較適合電子工程背景同學，測繪背景同學擅長高精度定位算法。結構合理的協作小組是開展小組協作學習的基礎，這決定著后面的小組協作能否順利高效開展。

最后，團隊需要推薦一名隊長，負責協調和推動整個小組的工作開展。隊長責任包括監督各位成員的工作進展，協調成員之間的工作銜接，指揮任務的整體聯調，同時也要促進團隊成員的團結、和諧。

2.知行合一。知行合一教學模式實施分為三個階段：第一個階段是根據任務需求，開展理論知識學習；第二個階段是在理論知識指導下，開展任務實現工作；第三個階段是通過對任務成果的測試和分析，驗證和完善理論。

理論學習階段：首先，在課堂上，教師根據各子任務模塊的要求，分析需要用到的理論知識點；其次，同學們在課后查閱文獻，對理論知識進行學習和總結；最后，在課題上，同學們講解理論知識要點、任務實現的思路、存在的疑問等，教師和同學們進行討論分析。

任務實現階段：結合導航機器人任務實現的特點和需求，將理論知識用于指導任務工作實現。例如：具體到導航機器人的控制算法設計實現，需要分析清楚比例、積分和微分后的物理意義是什么，具體選擇使用哪個環節。

驗證理論階段：在任務完成后，通過實驗測試分析任務成果的性能，得出的結論對理論進行驗證，并通過成果經驗指導理論體系的完善。

3.循序漸進。循序漸進是任務驅動—團隊協作教學的重要特征。在該課程教學實踐中，循序漸進主要體現在兩個方面：一是理論學習和任務實現的從易到難、從淺到深；二是任務開展的從局部到整體、從模塊實現到系統聯調。

同學們都是對科技創新有興趣、對自身發展有激情的研究生，但是在專業基礎、統籌能力及團隊管理方面會缺乏一些經驗。在任務分配及下發以后，教師應該時刻關注團隊運行，及時為遇到困難的成員提供幫助，促進任務的順利開展和完成。

該課程教學的一個重要且行之有效的循序漸進方法就是，每次上課時都讓同學們匯報自己任務的進展情況以及遇到的問題，教師對問題進行分析并給出解算方案，同時制定下一時間節點的進展規劃。

四、教學成效

本課程已經連續開設三年，取得的教學成效主要體現在三個方面，包括課堂反饋、教學成果和學生就業。

受益于本課程的“任務驅動—團隊協作”特點，為同學們樹立了學習目標，創造了學習平臺，激發了同學們的學習興趣和責任心，大家每次都能保質保量完成教師制定的進展規劃。在課程總結時，同學們對該課程的教學方法給予充分肯定，并在課程結束后對課程任務成果進行進一步完善和增加功能。

部分同學對該課程教學上實現的導航機器人進行了性能改進和功能完善，參見了2016年中國研究生電子設計競賽，作品“基于GNSS RTK/INS的高精度導航機器人”獲得了第十一屆中國研究生電子設計競賽全國總決賽一等獎，本課程的教學老師獲得了全國總決賽優秀指導老師稱號。

五、結語

本文在介紹《導航控制系統設計與實現》課程的開設重要性、教學目標和內容的基礎上，以研制高精度導航機器人為教學任務，探索了任務驅動—團隊協作教學方法的分工協作、知行合一、循序漸進特點，最后對教學方法的成效進行了闡述。在武漢大學—大疆創新聯合實驗室平臺支持下，下一步該課程將基于無人機平臺進一步提高教學品質。另外，通過教學方法和成效逐年改善，本課程將嘗試申請研究生精品課程。

參考文獻：

[1]李躍，邱致和.導航與定位：信息化戰爭的北斗星[M].第2版.北京：國防工業出版社，2008：1-10.

[2]盧澤生.控制理論及其應用[M].北京：高等教育出版社，2009：5-12.

[3]譚民，王碩.機器人技術研究進展[J].自動化學報，2013，39（7）：963-972.

[4]張勤，王利.“GPS策略原理與應用”課程教學研究與改革[J].高等理科教育，2007，（1）：112-114.

[5]劉智敏，陽凡林，獨知行.衛星定位原理及應用的教學改革與實踐[J].測繪工程，2010，19（3）：77-80.

[6]方榮新，等.“導航理論與方法”課程教學研究與實踐[J].教育教學論壇，2014，（51）：130-131.

[7]馬寧，等.任務驅動—小組協作教學法在“數字圖像處理”課程中的實踐作用[J].教育教學論壇，2017，（3）：158-169.