基于URWPGSim仿真平臺的機器人教學探索

王梅娟，張海濤，葛武滇

（1. 陸軍工程大學 指揮信息系統學院，江蘇 南京 210001；2. 陸軍工程大學 國防工程學院，江蘇 南京 210001；3. 陸軍工程大學 指揮軍官基礎教育學院，江蘇 南京 210001）

0 引 言

隨著新時代軍事人才高等教育改革[1]的不斷深入，創新能力在綜合素質培養中的意義已成為常態化目標。創新精神不是憑空想象從無到有的簡單思維[2]，而是要具體體現在真正能夠理論聯系實踐、科學主導工程，涉及科學、技術和工程3個方面的基本要素。

然而，綜合類本科院校對知識的理論傳授往往占據重要比重，在缺乏技術鍛煉和工程實踐的情況下，學員的綜合素質培養可能存在短板[2]，尤其是軍隊高校與地方就業和項目過程化實踐的銜接更是嚴重脫節，學員在掌握理論知識的同時如同紙上談兵，解決實際問題的能力尤為欠缺。實驗教學改變傳統的理論授課單一、單向的教學模式，在工程類訓練中尤為重要。

工程教育機器人[2]是跨專業、多學科理論與技術綜合的高新技術產品和系統，是進行創新教育改革的理想對象，在以工程教育機器人活動開展、機器人課程輔導交流、機器人競賽參與等為核心的創新型人才培養模式實踐中，有效地提供創新平臺，實踐科學的創新教學方法，可以加強以學員為主體的綜合素質能力培養[3]。

1 仿真平臺教學定位

隨著未來戰爭日趨智能化、一體化，加之軍隊信息化的不斷推進[4]，國家更注重信息化軍事戰場的實戰模擬與戰場指揮，我軍的軍事訓練必須結合仿真技術。雖然現代社會多種系統的自身性質很難實現真實系統的仿真，但由于仿真模擬技術具有可控性與較強的實現性，利用仿真技術來進行系統的研究就具有了重要的現實意義。因此，仿真技術的學習與應用尤為迫切。

虛擬仿真實驗教學在實踐層面具有明顯的優越性[3]：經濟省錢、生動直觀、安全可靠、情境再現、精確無誤、客觀真實。采用這種教學模式可以降低實驗實踐教學成本，打造多樣化的教學環境，營造安全實驗教學氛圍，突破時間和空間的限制。

水中2D仿真機器人[5]就是在科研或軍事的平臺上，研究水中魚類活動或水中艦艇、水下潛艇、協作方式的仿真技術，URWPGSim仿真機器人平臺是作為水中機器人實體裝置的模擬，同時也是水中2D仿真機器人的實現平臺。基于URWPGSim仿真平臺的實驗教學[6]，不僅能提高學員對仿真技術的理論研究能力，同時也使學員掌握仿真平臺實現的技術，鍛煉創新能力，提高計算機編程水平，提升學員的自我能力素質，并激發學員對科學研究的濃厚興趣。

2 URWPGSim仿真實驗平臺建設

URWPGSim2D[7]是Underwater Robot Water Polo Game Simulator 2 Dimension Edition的簡稱，最初底層來源于國際水中機器人大賽URC水球比賽仿真器2D版本，包括服務端（URWPGSim2D Server）和客戶端（URWPGSim2D Client）兩大部分。服務端模擬水中比賽環境，控制和呈現比賽過程及結果，向客戶端發送實時比賽環境和過程信息；半分布式客戶端模擬比賽隊伍，全分布式客戶端模擬單個水中機器人，加載比賽策略，完成計算決策過程，向服務端發送決策結果。URWPGSim2D仿真平臺初始化界面如圖1所示。

圖1 URWPGSim 2D仿真平臺初始化界面

2.1 已有項目解析

無論作為參賽平臺還是教學平臺，原2D仿真項目的弊端已逐漸顯露出來：①由于項目歷時已久，代碼傳承、代碼復用、代碼泄漏導致程序重復率高，項目最優化策略趨于穩定，全國參賽隊伍排名也逐漸趨于穩定[9]；②由于系統穩定性的欠缺，仿真實體跳變導致個別項目競技公平性失衡[8]；③由于競賽偏重程序設計能力的養成，缺乏學員創新思維的發揮；④由于競賽側重競技性、觀賞性，缺乏結合實際專業訓練仿真能力的培養。

因此，為更好地結合專業與職業能力培養，教學團隊將競賽平臺改造重設，探討項目，設計規則，革新底層，測試反饋，結合已有平臺重新布局規劃，并針對原有平臺底層波動穩定進行二次開發，嚴謹地實現并測試新增比賽項目，逐步建設成為適應我校學員能力培養和創新激發的新URWPGSim仿真實驗平臺。

2.2 URWPGSim仿真平臺解析

URWPGSim平臺依據C/S模式搭建，采用面向對象的設計思想，基于Visual Studio 2010軟件以C#開發，在PC機或工作站上運行，其軟件、硬件基本配置指標見表1和表2。

表1 URWPGSim仿真平臺開發配置硬件指標

表2 URWPGSim仿真平臺開發配置軟件指標

平臺分為界面和底層兩部分功能，服務器端功能主要是環境監測和仿真模塊加載，客戶端功能主要是人機接口和策略加載，具體功能結構[10]如圖2所示。

模塊化的功能結構使項目開發思路清晰，針對底層優化或針對項目模塊設計實現都可以由學員自主完成，而不是僅僅停留在平臺參數設置和項目策略編程的用戶層面。

2.3 URWPGSim仿真項目設置

為更好地開發學員的潛能，激發其學習動力，不斷改進，全面打造面向陸軍工程大學指揮信息系統學院適合學員實踐開發，能更好地發揮軟件實力的實驗平臺。

圖2 URWPGSim功能結構圖

在參加水中機器人項目競賽過程中，學員編程能力得到一定鍛煉，但是局限在原項目設置規則層面，與計算機程序設計之外的綜合素質關聯不大。年輕的學員思維十分活躍，敢想敢做，因此實驗平臺中實體水下仿生魚在與現實生活更貼近的范疇內，學員可以進行更多的創意設計和改進，教員將引導學員從規則中跳出來實踐更完整的創意實現。

模塊化設計思想和基于C#的開發使得有編程能力的學員即使沒有軟件開發經驗，也有可能對底層進行學習和改寫，不用完全依賴教員的“給”，學員可以實現具有充分創新思維的“造”。

現有項目設置體系框架如圖3所示。

其中，斜體標明項目為結合特色專業和技能培養由陸軍工程大學自主研發，部分提供國際水中機器人聯盟ILUR作為國際性大賽的比賽項目。項目設置不僅囊括多項能力培養，更突顯專業素質養成，過程化建設給學員提供了充分發散創新思維的空間。

3 基于URWPGSim平臺的教學模式

3.1 運行機制

由于機器人課程設置不在各專業學科建設體系內，而是依托大學機器人俱樂部展開選修課程和自學過程，因此，基于URWPGSim平臺教學考慮的原則是開放、自主、自由。

圖3 URWPGSim項目設置體系圖

一是打造特色鮮明、專業素質凸顯的仿真實驗內容，并為機器人俱樂部實體實驗開發多學科融合的仿真項目體系，為有興趣、有志向的學員提供一個標準的實驗教學平臺。

二是建成一個高標準、高起點、開放的、注重創新能力培養的學員科技創新基地和教員創新教學改革研究基地，開展進一步探索知識、能力、素質協調統一的教學模式。

三是建成具備創新能力、實踐能力的機器人競賽參賽團隊，通過參加國際性、全國性機器人賽事，形成體系建設的良好循環運作。

四是鼓勵創新思維鍛煉，不斷更新、提高仿真平臺的模擬環境，不斷創造、完善新的仿真項目融入新的血液，形成有活力、自生長的仿真實驗生態平臺。

3.2 教學方案

隨著大學機器人俱樂部的發展壯大與完善，逐步形成連貫和系統的知識體系，在知識領域框架平臺下，計劃定期開展俱樂部交流學習活動，形成各院交錯、各專業匯集的電路、信號、計算機、工程圖學等多學科融合的討論環境，為仿真技術學習起步、仿真項目專業規則設置、仿真平臺建設提供充分的滋養。

由于仿真實驗平臺的學習是多個實體項目基礎教學演練的特殊性，基于URWPGSim的實驗課程一般在學員入門階段集中展開，學員根據不同項目的學習和體驗，再結合自身興趣和能力發散其他類型的專攻項目。具體的教學形式分為課堂講授、自主實驗、研討、自學、分組PK賽等多種形式。

3.3 考核機制與競賽交流

與工程類實體教育機器人不同，URWPGSim仿真平臺沒有耗材消耗開支，而且是基礎過渡性平臺，為全局視覺水中機器人、單關節巡檢機器人、BIKI自主視覺機器人等項目模擬學習，且并不是所有研發項目都列入國際性賽事，因此考核標準常采用非正規化，一般分為3個層次。

第一層，完成仿真平臺基本實驗內容，達到各項目預設指標要求。大部分參與教學活動的學員可以通過在這一層檢驗相應學習任務的成效，也存在個別放棄選修的情況。

第二層，實現競賽交流水平的策略代碼，能夠達到參與國際水中機器人大賽、全國教育機器人大賽資格并取得成績。針對基礎考核的排名優秀者，遴選參加比賽交流，不僅深入策略優化，更側重平臺底層研究。

第三層，提供自主設計的仿真項目規則和平臺實現。在熟悉平臺基礎上，個別在程序代碼、軟件開發方面有一定造詣的學員將根據團隊創新設計的新游戲規則進行模塊化項目開發，提供更多的實驗項目，形成不斷更新的實驗平臺環境。

由此，形成具備創新能力、實踐能力的團隊，形成檢驗成果、經驗積累的良好循環運作。

4 成果總結與展望

URWPGSim平臺以“知行合一”為建設理念，依托大學機器人俱樂部實現跨學科、跨專業、跨營區、跨年級的多元化教學融合，堅持“學為主體”的教學目標，為工程項目模擬能力訓練、 創新理念發散思維訓練提供一體化教學模式的基礎環境。

該教學模式把理論與實踐結合、全方位多層面考核、學員自主學習能力培養、團隊精神培養等多元化方式融合在一起，重點突出“自己動手，豐衣足食”的教學特點，實現以學員自主學習、自主開發的教學模式推廣，最終達到學員創新能力的培養和提高。

URWPGSim仿真實驗平臺建設與運行3年來，團隊獲得各項榮譽和認可，參與項目建設的學員在國際、全國大賽中獲冠軍3項、亞軍1項、季軍3項、一、二等獎多項，并發表科技成果論文4篇，獲校級卓越杯一等獎1項、二等獎3項，校優秀畢業論文2人。在今后的教學實踐過程中我們還將鼓勵教員和學員不斷擴充項目類型，結合軍事訓練要素、專業能力培養開發更加趣味、復雜、實用的新項目平臺。

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