“課程-項目-競賽”驅動的機器人方向教學方法

柯文德， 融亦鳴， 路 冬， 魏 艷， 黃業緒

（南方科技大學機械與能源工程系，廣東深圳 518055）

0 引 言

機器人是多學科綜合交叉的成果，是現代制造業的必然產物，其技術發展涉及機械、材料、仿生學、自動化、計算機、電子、傳感器、圖形圖像、人工智能等眾多學科，是智能制造的重要載體、測試和應用平臺，是創新實踐的重要體現［1-4］。2017 年7 月8 日，在《國務院關于印發新一代人工智能發展規劃的通知》中［5］，提及“人工智能的迅速發展將深刻改變人類社會生活、改變世界”“搶抓人工智能發展的重大戰略機遇，構筑我國人工智能發展的先發優勢，加快建設創新型國家和世界科技強國”，提及包括工業機器人、服務機器人、云機器人、特種機器人、空間機器人、海洋機器人、極地機器人、智能機器人等在內的機器人技術，在人工智能理論與技術、產業競爭力、法律法規、倫理規范和政策體系上明確了到2020、2025、2030 年的3 步走戰略目標。

結合機器人技術發展趨勢，2016 年教育部將機器人工程專業（代碼：080803T）批準為本科新專業，分別于2017 ～2019 年公布了已開設該專業的185 所本科院校［6-8］。

很多高校依托計算機、自動化或機械工程等專業，開設了機器人方向的課程教學并積極籌備申報機器人工程專業，在某些課程上踐行了項目驅動教學的方法并取得相關成效［9-15］。由于機器人方向教學內容涉及到相關學科的基礎理論、原理及方法，在機械結構、電子電氣、運動控制、傳感器信號處理、軟件開發及行業應用分析上特色明顯，新知識更新迭代速度快，對教學環境、教師的跨專業知識儲備、學術能力、工程實踐經驗等提出了挑戰，普遍出現一些新問題，例如理論知識與實際問題脫節、課程教學中前沿知識更新慢、學生學習缺乏行業指引、學習目的性和導向性不明確、解決問題的思路和創新性較差、工程樣機設計能力較弱等。

我校機械與能源工程系自2017 年2 月開設本科階段機械工程專業機器人方向教學以來，到2019 年3月機器人工程專業申請獲教育部批準通過，歷時約2年。在這兩年中，結合學校“創知、創新、創業”的辦學特色和“培養拔尖創新人才”的目標，兼顧機器人基礎知識與前沿技術進展，逐步開出一系列專業課程，例如，機器人導論、機器人基礎、機器人建模與控制、工業機器人系統、機器人創新與應用、機器學習、模式識別、傳感技術與信號處理、微機電系統基礎、微加工與微系統、嵌入式技術與機器人、仿生機器人、行走機器人、微型機器人、機器人操作系統、協作機器人學習、多智能體系統、機器人與仿生學、軟體機器人等課程，其教學過程貫穿了基礎理論、原理、方法、前沿技術及工程應用等一系列過程，力圖在教學廣度和深度上進行拓展。

“課程-項目-競賽”驅動的機器人方向教學改革方法在于實現行業拔尖創新人才培養，在此以機器人基礎、傳感技術與信號處理、嵌入式技術與機器人、機器人操作系統等4 門課程為例進行教學改革方法闡述，該過程貫穿了專業課程教學、課程項目研發與學科競賽，成果形式體現在教學方法上的創新、學生參加全國機器人大賽獲獎以及升學就業等方面。

在以上所述的4 門課程教學過程中，構建邏輯清晰、前后相關的教學主線，由淺入深、循序漸進地講授機器人結構、運動學、動力學、軌跡規劃、傳感器技術、嵌入式系統原理、運動控制及算法分析、機器人操作系統的任務節點設計與調度等知識，以關聯度高的課程實際項目研發為必要的知識鞏固和探索手段，緊跟機器人領域前沿技術發展、行業實際問題解決及應用等需求，構建起課程項目庫，指導學生選題并以工程管理方法實現完整項目，變被動式消極學習為主動式積極學習，設計并研制出了一系列的機器人仿真樣機與實際工程樣機，研究過程中積累的關鍵技術為本科生進入教師科研團隊參與研發打下了堅實的基礎，促使學生參加由中國人工智能學會和共青團中央主辦的全國性機器人賽事。通過該過程的鍛煉，學生深刻理解了機械工程專業機器人方向的培養目標，學習和研究體現出了明確和強烈的目的性，鍛煉了創新性思維、動手能力、團隊協作能力，培養出了“迎難而上、主動學習、緊跟發展、積極創新”的優良品質，學生們在畢業后獲得了國內外著名高校攻讀研究生或直接攻讀博士資格，或者進入行業影響力較大的企業中工作。

1 培養目標與教改方法特色

1.1 培養目標

我校機械與能源工程系機械工程專業機器人方向體現學科交叉、產業共建、產業實習、海外實習等方面，培養學生具有堅實、寬廣的基礎理論知識以及機器人工程知識、掌握機器人工程的科學研究方法和工程設計方法，了解機器人理論、工程技術和產業的發展動態和前沿技術，學生具備嚴謹求實的科學態度、追求卓越的精神、強烈的社會責任感與使命感、良好的交流溝通能力、創新性思維、獨立認識問題及解決問題的能力，具有國際化視野，能夠與國際化專業及產業發展接軌，能解決未來重大科學問題和工程挑戰。

1.2 教改方法特色

（1）教學、項目、學科競賽有機結合，互為補充和促進。以課程教學為主，以課程項目和學科競賽為有效補充和促進手段，3 者相互結合、相互補充、互為驅動。課程教學、課程項目、學科競賽等環節在側重點和執行過程中存在較大差異，協調各環節差異、確保整體過程的有效性非常必要，需要充分考慮知識點安排與任務組織的有效性、長期性和挑戰性。課程教學著重于夯實機器人方向的基礎理論和體系架構，對原理及方法的掌握要深入、細致、有效；課程項目著重于提高學生把握行業現狀和關鍵問題，創新性地將理論知識融入實際問題的解決中，并設計機器人樣機；學科競賽是檢驗課程項目尤其是關鍵知識的良好平臺。這3 個環節彼此關聯，課程教學是課程項目和學科競賽的基礎，課程項目和學科競賽則反饋到課程教學中，共同提升整體教學水平。

（2）緊跟機器人行業和前沿技術發展。機器人行業技術發展是機器人方向教學的有力推手，緊跟國內外機器人前沿技術發展，選取有代表性的新方法引入課程教學中，體現前沿性特點。同時，為增進專業知識的學以致用和創新能力培養，與企業聯合設計滿足教學內容并具有一定挑戰性的課題項目庫，題目的確定涉及已有的理論知識綜合應用和創新，部分教學未講授的知識也被引進到項目中來。以工程方法管理并推進項目進度，學生參與完整流程的研發工作，確定研發目標、任務分解、物料表清單、進度安排等，實現從行業分析、文獻查閱、應用場景設計、仿真模型構建與分析、實物樣機機械結構打樣、下位機運動控制、數據采集到上位機場景識別、智能計算與決策等完整流程。

2 課程教學方法的改革

2.1 完善教學環境、拓展交流渠道

良好的軟硬件教學環境有利于教學課程的正常開出與授課質量，我系完善了機器人及自動化實驗室、機器人教學實驗室所需的機器人軟硬件設備，并創建了用于教學與科研創新的三大實踐平臺。包括：①先進制造實踐平臺；②創新設計實踐平臺；③自動控制、機器人與人工智能技術實踐平臺。用于支持課程實驗與項目實踐教學需要，并服務學術科研，鼓勵學生依托該平臺開展創新構思、原理探索、樣機研發等活動，完成課程項目，學生完成相關課程學習并積累研究經驗，有助于進入教師科研課題組并在教師指導下開展新的科學研究工作。

為加強與國際同行及行業企業交流，拓展學生的國際視野，引入創新性思想，及時把握機器人方向發展動態，培養機器人行業引領人才，我系邀請國內外高校、研究院所、機器人企業資深專家進行探討和交流，開展技術講座，安排學生們在夏季學期參與國內外高校與企業的研究及實踐活動。目前，我系與深圳市大疆創新科技有限公司、固高科技（深圳）有限公司、大族激光科技產業集團股份有限公司等眾多企業建立了合作關系，并與清華大學、哈爾濱工業大學、美國麻省理工學院、美國約翰霍普金斯大學、加拿大不列顛哥倫比亞大學、新加坡南洋理工大學等國內外高校開展項目合作、教授互訪、學生參與科研項目等交流活動。

2.2 聯合授課、對接國際先進教學水平

為培養學生的專業知識和國際視野，拓寬知識面與學術交流渠道，促進國際交流與合作，我系在部分課程中邀請了國際上著名的機器人專家學者與系里教師合上某一門課程。例如，機器人基礎是學生接觸的第一門機器人方向的核心課程，系統性地介紹了機器人動力學、運動學、軌跡規劃、控制系統、傳感器、驅動技術、圖形圖像處理等，具有基礎性、原理性、方向性的重要地位，課程講授時既要體現教學主線及其重點與難點，也要體現本學科相關技術的演變過程與前沿特征，對講授教師提出較高要求。在該課程中，我系分別在不同學期邀請了美國霍普金斯大學和新加坡南洋理工大學的相關教授與系里教師聯合開出，結合實際工程案例分析教學內容，并從學科高度上闡述機器人關鍵技術的研究進展及現狀。傳感技術與信號處理是專業核心課程，主要講授傳感器原理、多傳感器信號融合及分析方法等，并增加了傳感器前沿科學研究問題，該課程邀請了美國麻省理工學院的相關教授聯合講授，強調課堂教學并加大了自學環節任務量，在課程考核中增加了創新性項目開發及成果答辯，要求學生采用新理論及方法構建傳感器信號分析系統并證明其有效性。通過這些聯合授課，對接了教學資源，實現教學優勢互補，促進了學生積極主動學習并在項目實踐中提高分析和解決問題的能力。

2.3 構建明晰的學習主線和合理的知識體系

參加課程學習的大多是大二大三的學生，大部分是由于好奇、興趣而選擇該方向，對機器人領域及知識結構并沒有太明確的理解和體會，因此，要結合培養目標，構建起有足夠涉及面和一定深度的知識體系，特別是要將課程教學內容貫穿為前后關聯、整體的教學主線，體現明顯的層次性、梯度性和延續性特點，緊扣機器人領域基礎性、原理性和經典方法開展教學，以夯實基礎，并將前沿關鍵技術的起因、基本思想、已有解決方法的優缺點等適當融入課程教學中，激發學生的興趣和求知欲，體現教學內容的立體化特點。應能使學生深刻理解每門課程的知識體系與該門課程在教學主線中的地位和作用、涉及的重點與難點問題，承上啟下、深入淺出地學習從機械結構、運動學、動力學、運動控制、傳感器、操作系統、智能算法等不同的知識點并實現逐一過渡。

清晰和貫穿始終的學習主線對于機器人方向教學成效至關重要，直接構建了知識體系并明確了各個知識點之間的關系，是具體課程的理論教學、實驗教學、課程項目開發、企業實踐、科技競賽等的基礎和根本。圍繞該主線開展教學工作，既體現出宏觀上的專業方向架構，也體現出微觀上的基礎性、原理性及方法性的特點，具有重要意義。

由于每門課程的自身系統性特點，教學主線貫穿的課程內容會存在一定差異甚至鴻溝，例如從基礎動力學和運動學到仿生機器人中的運動學和動力學的跨越、從運動控制到傳感器數據處理的跨越、從操作系統到智能算法的跨越等，不同課程的主講教師要增進交流，在課程教學中預留后續課程伏筆并善于引導學生，在課程實驗與項目設計中要確保內容前后邊緣重疊，從而在一定程度上彌補和消除差異。

2.4 項目緊扣課程教學并體現行業前沿發展

機器人技術發展迅速，行業應用的迭代過程及更新速度快，應用前景非常廣闊，《中國制造2025》《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020 年）》《新一代人工智能發展規劃的通知》《機器人產業發展規劃（2016—2020 年）》等綱領性文件均提出技術研發和行業應用的迫切要求，本課題在設計項目時，與深圳市大疆創新科技有限公司、固高科技（深圳）有限公司、深圳市優必選科技有限公司、樂聚（深圳）機器人科技有限公司等企業相關研發人員討論，深入了解機器人行業特點，結合課程教學內容與學生培養方案，設計出滿足實際應用需要、有挑戰性和前沿性的項目庫，供學生選題并開展研發。

通常，在課程總成績分布中，作業、考勤與實驗成績占30%，期末考試成績占40%，課程項目成績占30%；對于沒有期末考試的考查課，課程項目成績占70%。在每學期第1 次上課時，將會向同學們公布本學期的課程項目庫，要求在1 周內完成選題。項目庫題目與課程教學知識關聯緊密并體現前沿技術特點，以確保學生可以從課堂講授和課外自學中實現學習效果。例如，機器人基礎課程項目庫包括4 個題目：雙臂協作機器人、機器人手掌、并聯機器人、底盤移動作業機械臂。傳感技術與信號處理課程項目庫包括傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換在故障診斷、通信、圖像處理中的應用（約15 個題目）以及基于卡爾曼濾波、人工神經網絡的多傳感器數據融合中的應用（約15 個題目）。智能機器人技術課題項目庫包括7 個題目：24 自由度仿人機器人、雙足輪腿式機器人、四足機器人、六足機器人、管道機器人、蛇形機器人、17 自由度機器人手掌。機器人操作系統課題項目庫包括2 個題目：差速移動ROS機器人、全向移動ROS 機器人。在這些項目中，僅提供必要的配件耗材，例如鋁板、亞克力板、伺服電動機、步進電動機、直流減速電動機、Arduino控制板、STM32 控制板、驅動器、鋰電池、杜邦線、銅柱等，學生們根據自身興趣組隊（2 或3 人/組），逐項完成問題分析、建模、運動學與動力學分析、機械結構打樣、控制系統設計、軟件開發與樣機測試等。在每門課程項目正式答辯和樣機展示前，教師會組織一次中期檢查，重點了解項目研究進度、存在困難以及解決思路；在正式答辯時，通常會粘貼每組項目海報，歡迎校內師生參加旁聽，同時邀請相關機器人公司一線工程師和系里機器人方向教師參加并對每組項目評分，其平均分作為該組成員的最終項目分數。

課程項目的意義在于：學生們在規定時間內（通常為一個學期）完成該門課程項目，力爭在機器人的行業應用及創意、結構及控制優化、系統魯棒性等方面達到盡量高的指標值，驅動他們對講授的課程知識和未講授的關聯知識的學習變得有強烈的目的性和主動性，提高了學習效果和速度，對涉及的前沿技術產生了濃厚的興趣并力圖在項目中加以體現。

2.5 參加學科競賽并反哺教學

機器人相關競賽通常與前沿技術研究熱點及難點結合，設置的比賽項目多、涉及面廣等。例如，由中國人工智能學會主辦的全國機器人大賽自1999 年起已連續舉辦20 屆，項目種類有仿真型、半自主型、全自主型、仿人型、水中、空中、對抗、創新創業型等，影響力大、參賽隊多、競爭激烈、競賽水平高，是驗證學生們學科知識、創新能力、實際動手能力、心理素質、團隊協作能力的重要平臺。教師根據該大賽要求，基于已有的課程項目成果和對關鍵技術的積累及掌握，篩選學生組成參賽隊，投入精力和時間積極備賽，分別于2017年、2018 年參加兩屆全國機器人大賽，均取得多項一等獎的優異成績，同時，還積極參加由共青團中央主辦的“創新有未來”全國高校人工智能創新大賽并取得較好成績。通過學科競賽的賽前、賽中、賽后各階段，同學們能夠分析競賽類型的特點和要求，主動找尋解決問題的方法，分析對手特點并準備相關應對策略，提升樣機的重要性能指標和綜合性能指標，全身心投入打好每一場比賽，在比賽間隙及時改進樣機并調整技術參數，在比賽后結合視頻錄像和感受，分析得失并總結經驗教訓，為下一次比賽積累經驗并迭代技術。

在比賽后的課程學習中，教師會列舉比賽涉及的專業知識，分析其中的得失，特別指出因為主觀原因和專業技術不足導致的被動和失分問題，提出技術問題的突破口，在課程項目研發中涉及該技術時，會額外增加加分項作為同學們解決該問題的回報。通過競賽與反哺，驗證了課程教學中的知識點和課程項目的創新性技術，鍛煉了同學們的學習能力、動手能力和競賽能力，增進了對機器人發展前沿的關鍵知識把握。

3 取得的成效

經過約兩年的實踐檢驗，初步形成了一套“課程教學-項目研發-學科競賽”的教學改革方法，在2014 ～2016 級機械工程專業機器人方向的教學過程中得到了推廣和應用，取得了相關成效，主要體現在：

（1）研發出了一系列的機器人實物樣機，包括：工業機器人、管道機器人、爬壁機器人、中型仿人機器人、機器人手掌、蛇形機器人、輪腿式機器人、六足機器人、四足機器人等。

（2）在2017、2018 年參加了由中國人工智能學會主辦的第十九屆、第二十屆全國機器人大賽取得一等獎4 項、二等獎9 項；在2018、2019 年參加了由共青團中央主辦的“創新有未來”全國高校人工智能創新大賽獲得一等獎1 項、二等獎2 項。

（3）所有學生均進入教師課題組開展學術研究，課程學習中打下的良好基礎促使他們能更好地開展研究工作、發表研究論文和申請專利，部分學生參加了國內外學術會議并宣讀研究論文。

（4）升學就業方面，部分應屆畢業生赴美國圣母大學、北卡羅萊納州立大學、波士頓大學、英國謝菲爾德大學、加拿大多倫多大學、澳大利亞昆士蘭大學、新加坡國立大學、華中科技大學、北京郵電大學、南方科技大學等高校攻讀碩士和博士學位；部分應屆畢業生進入工業和信息化部研究所、三星通信技術研究有限公司、比亞迪股份有限公司、海能達通信股份有限公司等企事業單位工作。

4 結 語

基于我校人才培養目標和辦學特色、機器人學科特點、行業發展需求等要素，從教學主線確立、教學內容組織、課程實驗及項目開展、行業交流、學科競賽等多個方面共同構建，經過兩年多的實踐檢驗，初步凝練出了一套“課程-項目-競賽”驅動的機器人方向教學改革方法，并取得了一定成效，可對兄弟院校的相關工科專業尤其是機器人方向的教學工作有一定的參考。