面向“新工科”的機器人多層次實踐教學(xué)體系及教學(xué)法

牛云 李道江 黃宇軒

相對于傳統(tǒng)的工科人才，未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟需要工程實踐和創(chuàng)新能力更強、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才。2017年2月，教育部發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開展“新工科”研究與實踐的通知》，希望各地高校開展“新工科”的研究實踐活動，深化工程教育改革，推進“新工科”的建設(shè)與發(fā)展。“新工科”對高校學(xué)生實踐能力，特別是創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提出了很高的要求，需要結(jié)合專業(yè)課程、科研訓(xùn)練和項目實踐等環(huán)節(jié)進行加強和引導(dǎo)。

機器人教育涉及電子、機械、信息等多個傳統(tǒng)學(xué)科和智能感知決策等新興學(xué)科。因此，機器人專業(yè)被認為是提升傳統(tǒng)工科專業(yè)以及新建一批新興工科專業(yè)的主要切入點及落地試點專業(yè)。

本文將ROS框架和Gazebo物理仿真引入移動機器人感知與控制課程實踐教學(xué)，建立基礎(chǔ)—綜合—創(chuàng)新的多層次實踐體系。在此基礎(chǔ)上，教師可利用開源社區(qū)資源，研究以學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主實踐為中心，面向工程實際的“項目驅(qū)動”式實踐課程教學(xué)法改革。

一、“新工科”背景下的機器人實踐教學(xué)現(xiàn)狀

機器人教育是現(xiàn)代工程教育中新興和熱門領(lǐng)域之一。虛擬現(xiàn)實、人工智能等新興技術(shù)在機器人教學(xué)尤其是實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的運用是目前國內(nèi)外研究的熱點之一。

在國外，美國早在20世紀80年代就開始了機器人工程專業(yè)建設(shè)方面的探索，已經(jīng)經(jīng)歷了嵌入傳統(tǒng)學(xué)科、獨立發(fā)展和專業(yè)認證等三個階段，而將高性能仿真、虛擬現(xiàn)實或遠程實驗室等方式融入機器人實踐與創(chuàng)新教學(xué)是當(dāng)前美國各高校重點探索的教學(xué)研究方向之一。俄羅斯高校試點聯(lián)合機器人公司開設(shè)機器人理論課程與實踐基地，試圖將工業(yè)界的最新需求及技術(shù)引入機器人教學(xué)，同時引入機器人仿真環(huán)境以緩解實踐資金不足的問題;德國、西班牙等國家的高校也大力推廣將虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、物理仿真引擎等高新技術(shù)手段運用于機器人課堂教學(xué)、實訓(xùn)以及創(chuàng)新實驗的教學(xué)法革新。

在國內(nèi)，“新工科”建設(shè)背景下，各大高校都開展了提升機器人等專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的相關(guān)部署和研究工作。清華大學(xué)張鈸院士認為，目前的機器人課程實踐內(nèi)容主要集中于編程學(xué)習(xí)，缺乏對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng);浙江大學(xué)重構(gòu)了自動化專業(yè)課程體系，通過頂層設(shè)計實現(xiàn)控制工程和機器人工程的知識融合，形成“自動化+”完整的課程體系;國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院提出了以機器人技術(shù)為主線，貫通基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的理論與實踐教學(xué)全過程的控制類專業(yè)教學(xué)體系;哈爾濱工業(yè)大學(xué)圍繞既有的機器人研發(fā)和實驗教學(xué)平臺，通過項目結(jié)合創(chuàng)新平臺開展機器人課程實踐教學(xué)改革，注重提升學(xué)生的實際工程問題解決能力。

針對教學(xué)現(xiàn)狀，面向培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維，借助新技術(shù)手段，整合資源，構(gòu)建高水平、開放性實驗平臺，進而開展創(chuàng)新研究、創(chuàng)新試驗和創(chuàng)新開發(fā)，是新形勢下機器人實踐教學(xué)的重要內(nèi)涵，在“新工科”創(chuàng)新型課程體系設(shè)置中占有重要地位，需要深入研究。

二、機器人多層次實驗教學(xué)體系

學(xué)生對復(fù)雜技術(shù)問題的認知是由淺入深的，機器人實踐項目的設(shè)置也應(yīng)該符合這一規(guī)律。教師將實驗設(shè)備、物理仿真引擎、數(shù)字仿真相結(jié)合，構(gòu)建了“移動機器人智能感知與控制多層次實驗體系”（如圖），通過“基礎(chǔ)實驗”夯實基礎(chǔ)知識、訓(xùn)練基本技能;通過“綜合實驗”面向科研問題或技術(shù)熱點設(shè)計實驗項目，提高學(xué)生對較復(fù)雜任務(wù)的分析、解決及團隊協(xié)作能力;“創(chuàng)新實驗”則面向工程難題或未有定論的顛覆性議題，為學(xué)生提供“開放性”的協(xié)同創(chuàng)新環(huán)境。

“基礎(chǔ)實驗”層基于已購置的激光雷達、深度攝像頭、嵌入式系統(tǒng)套件、伺服電機等系統(tǒng)開展，這類實驗旨在鞏固和加深課程的基本理論，配合課程內(nèi)容設(shè)計單元實驗，加深學(xué)生對抽象概念或重要傳感器的感性認識或操作方法。在能力培養(yǎng)方面，這類實驗以學(xué)生掌握重要傳感器的使用方法及訓(xùn)練基本實驗方法和技能為主。

“綜合實驗”層基于ROS移動機器人以及MATLAB中的Robotics System Toolbox和Gazebo物理仿真引擎構(gòu)成虛實結(jié)合的實驗平臺。Robotics System Toolbox基于ROS接口與Gazebo物理仿真引擎或?qū)嶓w機器人交互。學(xué)生可以利用MATLAB強大的數(shù)學(xué)計算能力或工具箱設(shè)計相關(guān)算法或調(diào)試參數(shù)處理傳感器數(shù)據(jù)并完成機器人的決策與控制。在算法調(diào)試完畢后，學(xué)生可以進一步利用工具生成或自行設(shè)計基于ROS框架的C++或Phython代碼，并將其加載到Gazebo物理仿真引擎或?qū)嶓w機器人，在真實環(huán)境下驗證算法的有效性。上述平臺在一定程度上打破了實驗場地、實驗設(shè)備的限制，使學(xué)生能夠隨時通過桌面電腦系統(tǒng)及Gazebo物理仿真軟件開展包括環(huán)境和傳感器特性的實踐學(xué)習(xí)，且基于ROS框架實現(xiàn)了與實體機器人的接口統(tǒng)一。而課程實驗內(nèi)容的設(shè)計側(cè)重使學(xué)生綜合運用所學(xué)知識及基礎(chǔ)實驗獲得的技能，解決科學(xué)研究或工程實際問題。在教學(xué)組織上，教師將科學(xué)技術(shù)問題整合成若干實驗項目，提出項目任務(wù)與要求，給定功能或技術(shù)指標(biāo)，由學(xué)生分組合作，在教師及助教研究生的指導(dǎo)下，擬定實驗方案，編寫程序、探討調(diào)試，最終完成實驗任務(wù)，達到指標(biāo)要求。

“創(chuàng)新實驗”層面向?qū)W有余力的學(xué)生，鼓勵其根據(jù)興趣及技術(shù)發(fā)展趨勢，自主選題或根據(jù)科研需求，開展創(chuàng)新實驗研究。學(xué)生通過查閱資料、設(shè)計實施方案、設(shè)計硬件、編寫軟件、組織實驗、撰寫總結(jié)報告等過程，獲取新的知識和經(jīng)驗，使科研創(chuàng)新能力得到全面鍛煉，從而培養(yǎng)從事科學(xué)研究和科學(xué)實驗的素質(zhì)和本領(lǐng)。

三、“項目驅(qū)動式”移動機器人實踐教學(xué)法

利用移動機器人多層次實踐平臺，教師研究并實施了“項目驅(qū)動式”移動機器人智能控制實踐課程。課程為32學(xué)時，其中理論課時8學(xué)時，實踐課時24學(xué)時。

課程面向工程或科研需求，從無人系統(tǒng)感知與控制實際工程問題中提煉綜合實踐項目。每個項目都配有任務(wù)書，學(xué)生要明確項目的功能需求、基本原理、難點、關(guān)鍵技術(shù)解析、支持資源、參考資料等。與傳統(tǒng)“灌輸式”教學(xué)法不同，“探究式”教學(xué)法以解決具體問題為牽引，以學(xué)生為中心，以探究式的討論、嘗試性的實踐為手段開展課程內(nèi)容。

在教學(xué)過程中，教師要先讓學(xué)生充分了解題目的工程背景、意義、應(yīng)用場景。然后，分解項目各子功能實現(xiàn)的基本原理，明確可用的傳感器與執(zhí)行機構(gòu)特性以及不同模塊間的接口或通信方式，并形成初步方案。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)字仿真軟件進行核心算法的設(shè)計和有效性驗證，進而利用開源成熟資源，基于ROS框架解決各類傳感器數(shù)據(jù)訪問、執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動以及算法編程，并綜合運用Gazebo物理仿真平臺驗證是否達到指標(biāo)。有硬件實驗條件的，還可以在真實機器人平臺上驗證算法。最后，訓(xùn)練學(xué)生完成規(guī)范的、高質(zhì)量的科技報告，使之不再是相關(guān)技術(shù)的堆砌或大段的已知公式推導(dǎo)，而是實踐方案的選取依據(jù)、技術(shù)問題的分析、關(guān)鍵算法與程序的設(shè)計方法、實驗結(jié)果與存在問題的深入討論等。

總之，移動機器人實驗體系及實踐課教學(xué)法已經(jīng)運用于信息工程專業(yè)的本科生教學(xué)中，從學(xué)期末反饋的學(xué)習(xí)效果來看，學(xué)生認為本課程的層次化體系設(shè)計與教學(xué)方法符合認知規(guī)律，他們能自主、循序地學(xué)習(xí)相關(guān)知識并通過合作完成實驗項目，提高了解決工程實際問題的能力。

（作者單位：西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院）

（責(zé)任編輯 岳舒）