智能機器人方向的實踐教學體系改革探討

吉鴻海 畢 松 李志軍 徐繼寧 范國梁

(北方工業大學 北京 100144)

一、引言

(一)背景

近年來，機器人在城市安全、電力、醫療、教育、農業、環保、家庭服務等幾乎所有與社會生活相關的產業迅速發展。機器人已經成為“十三五”規劃的重要產業方向，《機器人產業“十三五”發展規劃》中明確指出智能機器人將發展成為具有千億規模的巨大市場，據權威預測，未來5 年我國智能機器人領域專業技術人員和工程師的需求巨大。

新型工科專業人才的典型特征之一就是具有復雜工程問題解決能力，而面向復雜工程問題是新型工科培養方法與傳統工科教學方法的重要區別，如何設計復雜工程問題就成為新型工科教學的重點問題之一。智能機器人方向是典型的面向產業、面向世界、面向未來的新興工科專業，具有典型的多學科交叉的特點，是培養具有產教融合、多學科交叉能力的新型工科人才的良好載體。因此，智能機器人方向的綜合實踐教學就是“新工科”背景下培養和鍛煉解決復雜工程問題能力的典型教學方式，該綜合實踐教學體系改革探討具有重要的理論意義和實踐價值。

（二）現狀

以智能機器人為對象，不同高校對“新工科”背景下的教學模式進行了深入研究和探討。廣東理工學院對工業機器人應用技術教學改革進行了探索[2]。天津大學制作了一套互聯網+機器人智能制售系統，滿足了實踐教學與創新創業需求[3]。上海理工大學以“成果導向”教育理念為前提條件，把專業教育成果作為出發點，對基于“成果導向”教育理念的機器人工程專業人才實踐能力培養模式進行了探索[4]。

（三）問題

傳統的智能機器人相關課程的設置以經典工業生產環節抽象的被控對象為目標，通過調整配套被控對象的控制系統參數，并觀察被控對象的變化過程，引導學生深入認識系統化、智能化過程。但是經典的被控對象存在形式較為抽象、控制目標較為單一、控制系統體系擴展較為困難的問題，同時不符合新時代技術發展趨勢和學生學習的興趣，培養學生跨學科知識及跨界能力不足，對學生工程實踐能力培養不到位等問題；授課方式以課堂講授為主，缺乏對學生進行整體知識構建及開展工程實踐能力培養的有力舉措。以電氣與控制工程學院自動化系17級實驗班專業分流情況看，該班80%的學生選擇了智能機器人方向。因此從復雜工程問題的角度建設智能機器人方向的相關課程，對提高自動化專業教學能力和滿足相關專業學生學習需求具有重要的支撐意義。

二、研究基礎

（一）研究目標

圍繞智能機器人方向的相關復雜工程問題，本課題組進行了“自動化系統設計”課程建設，重點開展了綜合實踐教學體系設計。以智能雙輪平衡機器人為實踐載體，設計了實踐教學資源、平臺和評價體系，結合教學過程反饋研究教學改革機制，構建智能機器人實踐課程的“設計-實施-改進”閉環。

（二）研究思路

1.實際工程問題的要素化分解方法，區分實際問題的要素種類，研究各要素之間的聯系，實現實際工程問題的要素化分解。

2.復雜工程問題的功能化重構方法，以智能機器人“自動化系統設計”課程建設為目標，設計基于實際問題要素重構的復雜工程問題，并建立目標場景并完成面向智能機器人方向的教學內容設計。

3.基于教學過程反饋，探究復雜工程問題和教學內容設計過程，調整實際問題要素化分解和復雜工程綜合過程，提升復雜工程問題對實際問題的映射能力，建立面向復雜工程問題的“設計—實施—改進”機制。

（三）研究平臺

智能機器人方向的實踐教學改革依托于北方工業大學電氣與控制工程學院智能機器人場景化實驗室。該實驗室運行和學習模式由學院自動化專業教師精心設計和組織，聚集了自動化、電氣工程、機械設計、計算機、工程管理、文法藝術等各個專業、多個年級的學生，已經成為我?！靶鹿た啤苯ㄔO的重要試點工程。智能機器人場景化實驗室已經運行四年多，完成了全校多個專業的數百名學生的綜合實踐教學培養，畢業后大部分學生進入研究生階段學習，部分學生進入企業成為核心研發人員。實驗室開發了“智能雙輪平衡車”作為“自動化系統設計”系列課程實踐教學載體。

三、研究內容

（一）技術路線

（二）教學改革

1.教學目標

智能機器人方向的綜合實踐教學目標具體要求學生在畢業五年后，具有以下職業發展能力：

目標1：具有智能機器人相關領域的基礎理論和專業知識，能夠應用相關知識對復雜工程問題進行描述、分析、評價和提出解決方案。

目標2：具有系統思維和智能機器人相關領域的專業技能，能夠在社會、經濟、法律、環境、安全和文化背景下解決相關領域的復雜工程問題。

目標3：具有良好的溝通交流和團隊合作能力，能夠組織或實施智能機器人相關領域的工程項目。

2.要素化分解

本文主要從工程知識、設計/開發解決方案、研究、個人和團隊、專業溝通、系統思維能力六個方面進行教學體系要素化分解，具體描述如下。

（1）工程知識：能夠認識、理解和判定智能機器人系統的組成、基本原理和相關復雜工程問題。

（2）設計/開發解決方案：能夠對智能機器人方向相關復雜工程問題進行分析，構建問題解決方案。

（3）研究：能夠基于科學原理和科學方法在智能機器人方向相關領域進行實驗設計。

（4）個人和團隊：能夠對實踐教學過程中的非技術表現予以評價，說明團隊中個人與合作同學、老師之間的角色定位和關系，具備團隊合作意識。

（5）專業溝通：能夠就智能機器人方向相關領域復雜工程問題撰寫技術文檔、清晰表達觀點，并與團隊成員形成有效交流。

（6）系統思維能力：能夠從“要素、鏈接、功能（或目的）”的系統視角構建或設計智能機器人系統。

3.功能化重構

相關課程通過講解智能機器人系統的傳感器采集與信號處理、硬件電路模塊控制、軟件PID 算法設計等知識內容，進行智能機器人方向綜合實踐教學體系功能化重構，讓學生理解智能機器人系統的主要構成，認知相關傳感器、執行器工作原理，掌握基本電子電路模塊使用，理解PID 等算法理論和控制流程，熟悉智能機器人系統設計的基本研究工具。希望本科生能夠掌握智能機器人系統設計的基本內容，為其未來理解和解決復雜工程問題，從事自動化或智能化控制系統設計的研究和開發工作奠定基礎。

4.實踐教學

智能機器人方向實踐教學以“智能雙輪平衡車”為平臺，是研究智能機器人系統工作原理與組成、系統設計與實操、總結改進與匯報的綜合實踐課程。每學期課程計劃設計64 學時，包含講授4 學時以及實踐56 學時（含階段性總結3 次），2 學時用于驗收，2 學時用于匯報。旨在引導學生逐步提升能力，解決智能機器人系統設計領域的復雜工程問題，充分發揮學生自主研究動力，培養學生獨立發現、分析和解決問題能力。教學組織方式上，采用翻轉課堂形式，踐行以學生討論和交流為主體，以教師講解和指導為主導的教育理念，對學生進行啟發式教學，同時強調學生團隊交流，分工協作完成指定實踐內容。

5. 評價分析

課程采用分階段、分層次開展實踐教學活動。初期安排了方案設計環節，強調學生掌握實驗目的和原理，探索初步實驗方案設計，進行團隊項目分工，預測實驗實踐效果。在中期安排了階段性演示和匯報，注重過程性評價，通過動手實踐環節，持續對前期方案設計進行改善和矯正。后期則安排了答辯和匯報總結，對前中期實驗結果進行全面復盤，形成持續的改進機制。并注重從理論知識維度，實踐技能應用維度以及工程和社會適應維度綜合培養專業人才，突出學生工程應用能力和創新意識的培養。

（三）研究方法

（1）針對要素分解，首先調研并收集實際問題，研究實際問題解決的主要關鍵點，形成要素內容。根據不同實際問題的要素內容，提煉具有共性的要素點，研究要素的提煉機制。從而研究要素的分解方法。

（2）研究復雜工程問題設立的目標，研究實際問題要素點與復雜工程問題培養目標的對應關系，通過實際問題要素點的綜合構建復雜工程問題，形成要素點的綜合方法，實現實際問題到復雜工程問題的映射。

（3）針對智能機器人方向的相關課程，從收集的實際問題出發，進行要素點分解和綜合復雜工程問題過程，并面向復雜工程問題構建場景，設計并制作實踐教學所需設備。

（4）設立由學生組成的聯合學習小組，和由老師組成的教學評價小組。開展演講、答辯、展示等多種形式的評測，評價實際問題要素分級、復雜工程問題綜合過程的合理性，并對要素分解和綜合過程進行改進。

四、結束語

智能機器人方向具有綜合學科優勢，教學研究氛圍好，可以脫離單一學科的局限性。課題組依托于電氣與控制工程學院智能機器人場景化實驗室，以北京市專業綜合改革項目為依托，結合“自動化國家級特色專業建設點”和“分層分流人才培養”國家級教改創新示范區建設，以服務“新工科”改革和探索為目標，以學習能力和思維能力培養為核心，面向智能機器人專業方向進行了持續的改革和探索，目前已取得顯著成果。另外，教學改革組成員結構配備合理，既有經驗豐富的一線教師，也有多年來一直從事智能機器人、人工智能技術研究的人員，以及長期從事教學方法研究和教學設計的教師，具有良好的教學活動機制和氛圍，具有持續改進和提升的基礎。

五、參考文獻：

[1] 林健.如何理解和解決復雜工程問題——基于《華盛頓協議》的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016(5)：17-26.

[2] 黃永程，楊斌，黎志勇，等.新工科背景下工業機器人應用技術教學改革探索[J].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/44.1522.TH.20190307.1627.028.html，2019.

[3] 于赫洋，白瑞峰，曹晴晴，等.互聯網+機器人智能制售系統[J].自動化博覽，2018(z1).

[4] 申慧明.基于“成果導向”教育理念的機器人工程專業人才實踐能力培養模式探索[J].學科探索，2019(2)：43-45.