人工智能2.0背景下技工院校移動機器人技術教學模式探討

朱勝昔

摘 要：人才是制約產業發展的關鍵因素。隨著我國制造業的轉型升級，科技創新能力不斷提高，目前移動機器人已經應用到物流、家政服務、特殊場地勘測等行業。此外，現在大火的“智能無人駕駛”也是以移動機器人自主導航自主運動為基礎發展起來的。面對國家政策的鼓勵和專業人才缺口的日益擴大，技工院校應如何圍繞移動機器人技術開展教學，或者說應以怎樣行之有效的教學模式為行業輸送合格的相關人才，是急需探索并解決的問題。

關鍵詞：移動機器人? 人工智能2.0? 教學模式

2018年6月，在上海舉辦的第45屆世賽全國選拔賽的競賽項目拉開帷幕。這一規模空前盛大的技能賽事吸引了社會各界人士的關注，許多學校紛紛組織學生前來觀摩學習。賽場中，“移動機器人”賽項吸引了很多人駐足觀看。不少學生對這種既能自動規劃路徑又能手動操控，可以完成抓取、搬運、視覺識別等擬人化任務的“機器人”產生了濃厚的興趣。類似的情形也發生在了今年3月世賽集中階段性考核北京賽區的三進一賽場。移動機器人三強爭霸各顯神通，吸引了許多老師、學生、企業人士等前來觀戰。近幾年，與移動機器人相關的各大賽項越來越受到國人關注，人們逐漸發現了一個長久以來被忽略的事實——具有自主智能思維的移動機器人正以勢不可擋的勁頭成為現今世界舞臺上的重要角色。在過去的幾十年乃至未來很長一段時間里，移動機器人技術在世界范圍內飛速發展，并不斷改變人類的生活及工作。

一、大勢所趨

“中國制造2025”中就人工智能技術和機器人技術的發展、應用提出了重點建設的綱領性方案，致力于通過AI和信息化技術的融入，推動我國從制造大國向制造強國轉變;提出將以AI技術為核心的服務型機器人推廣至服務、醫療、教育、交通等各行各業，惠及全民日常的工作、生活。人工智能技術和機器人技術取得高速發展，吹響了快速進入人工智能2.0時代。

政策上的強音進一步促進了行業的蓬勃發展，移動機器人人才需求缺口迅速增大。2017年12月，工信部發布《促進新一代人工智能產業發展三年行動計劃（2018-2020年）》，提出重點培育和發展包括智能服務機器人在內的17個產品或領域，并在保障落實上強調要加快人才培養，支持加強人工智能相關學科專業建設，引導培養產業發展急需的技能型人才。

二、技工院校開展移動機器人技術教學的可行性分析

1.挑戰

擺在眼前的第一個問題是，目前我國職業教育對移動機器人技術的教學開展并不普及，尤其是技工院校在此領域上專業建設幾乎是一片空白。部分抓住了先機的學校目前也僅是針對極少數學生開展專為競賽服務的“精英”式教學，并沒有將其推廣到常規教學中，更未建立起專項教學的課程體系。許多學校看好行業前景，在建設移動機器人專業上躍躍欲試，卻苦于沒有先例，沒有較為成熟可行的經驗可以借鑒，從而無從著手。

第二個不容忽視的問題是技工院校現有的專業課程體系框架近十年來幾乎沒有大的變動。以機電一體化專業為例，現行的課程體系安排已無法滿足新時代強調能力素養提升、強調跨專業融合、強調創新協作的學生培養目標與要求;教學模式受師資、場地、設備硬件資源、學生素質等諸多客觀因素影響，形式單一、僵化，仍蜷縮在長期慣性執行下的固有框架里。對學生“一刀切”式的統一要求，忽視了學生的個性特征和個體專長。對于入學時幾乎不了解所報專業，之后在個人專長、興趣發展、學習基礎與學習能力等各方面會有較大差異的技校學生來說，學習積極性極易受到打擊，也不利于培養學生的創造力和分析與解決問題的能力。在現行格局下，若要建設一個新專業，開展高度融合傳統技術基礎和最新科技成果的移動機器人技術教學，教師配備、資源調整、學生管理等都是必須解決的重要問題。綜上所述，突破現行老舊課程體系的桎梏，開辟符合新專業特性且體現學校辦學特色的新教學模式勢在必行。

2.機遇

事實上，技工院校對于移動機器人技術的教學難以普及的一大原因是人們對移動機器人技術的不了解。大部分學校、老師、學生以及家長將移動機器人當成了高嶺之花，覺得它有“智能”必然是很高端的，必然是只屬于科研人員的領域，對技校生能夠通過學習從而在一定程度上掌握這一技術沒有信心。

可以肯定的是，要利用基礎配件設計并制作一臺適應某一具體應用場景的移動機器人，需集機電一體化技術之大成。從其核心技術層面解析，移動機器人是集動作控制、路徑規劃、環境感知等于一體的綜合網絡系統，要求學生運用計算機工程、信息處理、機械設計與安裝、控制技術、傳感技術、電子技術、機器視覺、人工智能等多專業理論、實操技能經驗，圍繞移動機器人的機械和控制系統進行工作。再進一步解構，可以發現其中的機械設計、電子技術、電機控制、傳感技術的應用，安裝、調試等都是技工院校的學生已接觸過的課程，所以從專業及基本技能方面來說，技工院校的學生是具備學習移動機器人專項課程的前期能力要求的（見下表）。

而對于關鍵技術中的難點——機器人運動學和機器視覺，雖然其中涉及的算法對于初中起點的技校生來說太復雜了，但目前國際上多家公司針對移動機器人的編程控制開發出了功能強大的設計平臺。借助這些平臺中提供的工具，使用者可以將復雜的算法和控制邏輯以圖形化的語言實現，讓編程和使用過程變得生動有趣。這些便捷化智能化軟件的使用，將能幫助技校學生從苦于復雜的算法這一困境中解脫出來，為編程教學帶來極大的便利。

另外，隨著AI教育在中小學的普及，以及玩具機器人和遙控賽車逐漸成為兒童娛樂新寵，青少年對機器人本身就有著較強的好奇心和探索欲望。這是其他專業不具備的優勢。

三、探索新的教學模式

根據以上分析并結合筆者所在學院的實際情況，作為教學管理人員，筆者將從移動機器人專業建設初期的幾個層次構建的教學模式（見上圖）進行分析探索。

1.讓專業社團成為吸引學生興趣的前哨站和激發學習動力的實踐場

專業社團是整個培養體系中貫穿始終的重要環節，是帶領學生走進移動機器人并逐步成為高層次創新人才的實踐場所。學院設立移動機器人專業社團，配置社團導師和專業課教師，由學校提供訓練場地和主要社團經費，鼓勵表現優異的高年級學生作為教學助手負責對入社新生進行基礎教學指導工作，并將學生在社團里的表現及創新成果作為獎學金評審的重要加分項納入考核體系。

機電專業學生從入校后第二學期開始可自主選擇感興趣的社團加入，從第三視角手動控制和搭建開始，以簡單、有趣、上手性強的小項目對入社新生進行學習和訓練，通過達成一個個階段性成果目標，增強學生的學習信心，調動他們的積極性，實現將學生的“一時好奇”變為“長期興趣”。在提高專業認知的同時，也為后續的專業方向選擇提供了雙向依據。

對于高年級學生，鼓勵他們跨方向參與社團訓練，在社團中基于相同興趣和項目目標實現跨專業融合、協作。學生通過專業社團，應用積累的專業知識和技能，在社團指導老師的帶領下，探索、發現創新項目和實例問題，組建項目組開展研究、設計、制作。社團模式使得師生間的互動不再受制于課堂，除社團指導老師外，由不同專業領域的教師組成技術顧問團隊，為學生提供全面的技術力量支持。通過解決不同的應用場景下的實際問題，不斷思考、討論、試驗來攻克技術難點，能有效鍛煉學生思維和邏輯能力，增強他們的組織、溝通與協調能力，激發學生自我學習的創新意識。

2.摒棄單一寬徑式分專業教學，采用因材施教和雙向優選的分方向制

移動機器人作為機電一體化專業的分支學科，如果僅在機電專業現有課程中加入移動機器人的內容，最終的學習效果將既達不到移動機器人專業領域知識技能所應有的深度，學生有限的精力和課程安排也不足以將熱門領域逐一涉獵。大部分學生受限于單一的寬徑式專業劃分模式，直至畢業都不了解自己所學專業的特點和崗位能力要求。而若是直接在新入學時就設立移動機器人專業進行招生，相當一部分家長、學生將會因為對移動機器人專業缺乏基礎認知或者不考慮學生自身情況而盲目跟風，使得所選專業無法較好地與學生個人能力和意向相匹配，導致后續學習興趣和動力難以提升。

筆者認為，可參考部分大學專業在統一基礎教學后再進行專業方向選擇的模式，在所有機電類專業學生一年級結束后進行專業方向分流，設立移動機器人、建筑電氣施工及智能家居控制、智能制造（工業控制）、工業機器人、綜合機械與自動化五個專業方向，結合一年來專業基礎課程的學習情況和學生在各個專業社團中所形成的初步專業方向認知，在教師的指導和建議下由學生自主選擇專業方向。這種模式能最大限度地將學生個人能力、興趣取向與所學專業相匹配，加深后續專業學習的深度，與畢業后從事的工作領域相適應。

在此模式下，對一年級的課程結構進行以“能力驅動”為前提的調整至關重要。現行一年級的基礎專業課程安排上忽視了對學生技能應用能力的培養，一味的灌輸式理論教學并不符合技工院校學生的發展定位，而且讓大部分初中基礎知識薄弱的新生對專業課望而生畏，失去學習信心和動力。所以，可結合專業特點和學生認知過程，用“動手做”帶動學生“動腦想”，將抽象的理論學習落地到具體的真實應用場景，通過學生實物實踐訓練，激發他們去主動思考并接受相關的理論知識點，并對知識點在應用層面上有更直觀、深刻的認識。

3.深入推進“產教融合”，積極參與專業技能競賽，專業優化與轉型升級

“產教融合”應體現過程性融合。由專業教師團隊通過調研企業是如何生產的，去探尋其背后的教育內涵，然后在學校環境里進行抽象改造。學校與企業的對接，不是照搬企業的生產過程再讓學生機械復制，而是要模仿企業的問題解決過程;不是按照生產過程設置學習任務，而是要按照企業的生產情境設置學習問題。通過與企業合作獲取的大量企業工程項目案例，學生在實踐體驗中逐漸掌握如何發現問題、分析問題、解決問題的方法，形成新模式。

對于新的專業方向來說，技能競賽是進行專業建設、優化及宣傳的重要助推劑。它既能作為檢驗學生專業能力水平的競技場，又能通過競賽內容、規則進一步優化專業建設，更能由取得的成績為學校和專業打出知名度。競賽的內容來源于合作企業的工程實際，通過深入推進“產教融合”，既能增進學生與企業的相互了解，為學生就業選擇與企業技術人才選拔搭建橋梁，也能提高競賽的實戰效果。

四、小結

綜上所述，在人工智能2.0時代，面對如此巨大的人才缺口，技工院校加入到移動機器人人才培養梯隊中既是勢在必行也是切實可行的。移動機器人技術教學的開展應結合學校傳統學科基礎，創新改革教學模式，注重因材施教，用靈活的教學形式讓艱深的學習變得生動有趣，逐步實現學生從“掌握技能”到“提升能力”的飛躍，最終為企業輸送擁有自主創新思維能力的高技能人才。

參考文獻：

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（作者單位：婁底技師學院）