機器人實踐教學體系綜合探索與實踐

張偉民 楊宇航 靳家豪 聶富宇 王洋

摘要：伴隨人工智能技術的快速發展，機器人領域的發展出現了新的機遇，機器人相關課程教學將更加注重和強調學生的創新思維和實踐能力。通過分析現有的機器人方向的專業課程教學體系，指出了存在的問題。隨后根據機器人課程教學需要具備綜合性、創新性、實踐性的特點，嘗試引入了項目教學法，闡明了項目教學法在提高學生的綜合應用能力和實踐創新思維等方面的作用。在項目教學法的基礎上，根據具體教學實踐情況，設計了機器人實踐課程教學體系，在引導學生設計并搭建一套相對完整的機器人系統的過程中，逐步加深學生對機器人技術和專業知識的理解和認知，培養學生的工程實踐能力和創新思維。數年的教學實踐證明，該文所提出的機器人實踐課程體系可有效提升教學質量和學生的實踐創新能力，取得了良好的效果。

關鍵詞：機器人；實踐教學體系；項目教學法；創新思維

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

近年來，伴隨著人工智能浪潮的興起，機器人領域得到了很大的發展。作為人工智能技術的重要載體之一，機器人技術也展現出新的生命力和創新力，但是傳統的機器人本科教育缺乏相應的創新性和有效的實踐內容，不能更好地滿足機器人產業發展的迫切需求。本文針對機器人涉及專業課程多、課程之間難以建立有效的聯系的問題，在借鑒國內高校在實踐教學經驗的基礎上[1-8]，以培養學生的工程實踐能力和自主創新思維為目標，構建了機器人實踐課程體系，能夠將專業課程的理論知識聯系起來，并在實際的工程項目中加以應用。通過設計并完成一套完整的機器人系統，提高學生的專業素養和團隊合作能力。

（一）機器人課程體系

機器人是一個綜合性很強的系統，把多種相關專業技術融合在一起，因此機器人課程體系相應的也比較復雜，可以簡單分為軟件設計、機械設計、傳感器、電氣設計、機器人設計及仿真五個模塊，如表1所示。

（二）前期機器人課程體系存在的問題

結合近年來國家對機器人專業教育的要求，為了使課程體制改革“對癥下藥”，我們系統分析了當前機器人課程體系改革存在的問題，主要有以下四個方面[9][10]。

1.抽象理論難度較高。現有的機器人學專業課相對前期本科生的基礎課難度上梯度較大。例如正運動學、逆運動學、空間運動學和動力學的概念，針對本科的同學教學上需要采用較多的課時去普及概念形成一個抽象的總體認識。在教學上也難以使學生對抽象的理論計算產生較高的學習興趣和積極性。從學生的角度來講，這一類知識也較難產生聯想思維，在鞏固知識時難以形成科學的知識網絡結構。

2.對機器人系統整體性認識不足。現階段，我們對機器人的理論教學主要從機械、電氣、控制、決策等方面入手，以模塊化的方式針對機器人的不同部分進行介紹。這種教學模式會導致學生對機器人的認識離散化、碎片化，而不能夠形成整體的概念，學生會誤以為機器人僅僅是由一些獨立的模塊和獨立的技術簡單拼湊而成的機電設備，而不能充分認識到技術和模塊之間的相互關聯和有機結合。因此，學生在進行機器人設計的活動中，很難在系統層面對機器人有一個全局的把控。

3.缺乏系統創新實踐。在傳統的課程設計教學活動中，由于設計的元件較多價格昂貴，一般學生也缺乏加工和測試環境，課程設計往往停留在理論設計。學生往往因為條件限制無法動手或接觸到具體的機器人設計的細節。如果學生對課程設計沒有實踐體驗，而僅僅停留在理論層面的設計，在設計的過程中就難以激發出創新思維。學生只有對實物設計有一個真實的感受和認識，才能在后續的創新設計中提出針對現有設計不足之處的改進。

4.對機器人產業需求了解較少。學生在傳統課程中學習到的是一些較為成熟的成體系的知識。因此，現在的學生普遍對機器人產業了解較少。在學校環境中進行的創新實踐活動往往會脫離機器人實際的產業需求。機器人是一門需要聯系生產實際的技術，在其上進行拓展創新的時候必須結合生產實際，這種創新才會具有更強的生命力。所以，培養學生對機器人產業需求的認識也至關重要。

項目教學法[11-13]是一種以學生為主體，充分發揮教師的引導作用的教學法，其由美國著名教育家凱茲博士和加拿大教育家查理博士共同推出。該教學法自引入我國后先后在中小學、高校開展了各種教學試點，取得了不俗的教學成果。這一系列教學實踐證明，項目教學法完全適合我國各階段教育，是符構建教學理論、促進學生全面發展的科學教學法。機器人技術的學習對學生的創新性、探索性、綜合學習能力提出了極高的要求，而多年的教學成果表明，側重理論知識學習、驗證性實驗的傳統機器人課程體系并不能很好地完成這一教學目標。因此，機器人知識的教育離不開實踐環節，而項目教學法將實踐和研究融入教學環節的核心思想恰好完美契合了這一需求。本文針對目前機器人本科教育中存在的實踐不足的問題，結合項目教學法，設計了一種以項目為基礎、以教師為引導、以學生為主體、注重知識的實際運用的課程教學方式。通過設計機器人系統這一自主實踐形式，學生在學習機器人專業知識和探索機器人核心技術的過程中鍛煉了自主學習能力，培養了工程實踐能力和創新思維，從而有效解決了學生抽象理論難以聯系工程實踐、對系統缺乏整體性認識、缺乏創新實踐意識等問題。

項目教學法的框架體系下，教師和學生同屬于教學活動的參與者與推動者，因此效率也大大提高。基于目前科學技術與社會生產活動對各高校學生培養要求越來越高的背景之下，教師也逐漸習慣將項目教學法融入在日常的教學活動中去。以工科專業為例，實踐類課程往往依托于以若干學生作為成員組成不同學習小組的形式而開展，其中每個學習小組至少可選定一名指導老師。這樣的教學形式與項目教學法的契合度很高，為項目教學法的引進創造了得天獨厚的條件。因此，面向工科大學生群體開展一系列以項目教學法為核心的實踐類課程，是探索新工科專業教學模式踏出的重要一步，具有重要的意義。

第一，有利于提高學生的自主性與積極性。首先，項目教學法將主體從教師轉換到了學生，在項目開展的過程中，學生不再單方面接受并執行教師的指令，而是可以結合自身實際情況和小組項目進展靈活調整學習計劃，教師在此期間為學生完成項目盡可能提供指導和幫助；同時每位學生可充分發揮自己的興趣特長，在項目中各司其職，也更愿意為團隊發光發熱，貢獻自己的力量。

第二，有利于提升學生的綜合應用能力。機器人專業的實踐性決定了學生必須通過親自動手實踐才能更好地將所學的知識加以應用；機器人系統的復雜性也決定了學生需要熟練掌握不同領域的知識和技能以應對項目開展過程中隨時出現的各種問題。在項目立項階段，學生必須要有主動獲取知識、研究理論、提煉方法的能力；在項目實施階段，需要學生靈活運用理論，選擇合適的方法開展項目實驗等；在項目總結階段，為了盡可能將項目成果完整且簡潔明了地呈現給評委老師們，學生團隊在制作項目演示PPT時要具備良好的文字處理能力和效果展示技巧。由此可見，在一個項目的執行周期內，學生在知識的理解與應用、技術的驗證與調試、成果的展示與呈現等各方面都得到了很好的鍛煉。

第三，有利于培養學生的創新思維。首先在項目立項階段，學生需要充分調研相關領域的行業背景，就某一個或幾個方面的行業痛點針對性地提出具有創新性的解決方案。其中創新性不僅局限于提出開天辟地式的新方法，還可以對現有的方法進行改進和優化。在項目開展的過程中，也要求學生能夠充分進行頭腦風暴解決可能出現的問題。以上實踐活動都能在極大程度上激發學生的創造力，培養必不可少的創新思維。

機器人是一個綜合性、實踐性都很強的領域，工程能力、實踐能力、創新能力是重要的培養目標。本文依托項目教學法，以培養學生工程實踐能力和自主學習能力為目標，在機器人專業開展實踐類課程進行教學實踐。相比于傳統的實踐類課程由教師命題制作，本課程以學生為主體，給學生足夠大的自由度和發揮空間，通過自主選題和實踐學習，培養學生在面對問題、解決問題時的方法論，提高學生的獨立思考能力和自主學習能力。

（一）實踐課程要求

1.滿足多層次多方面需求。實踐課程的教學目標是加深學生對機器人系統整體性的理解和認識，并在這個過程中鍛煉學生的工程實踐能力和創新思維，包含硬件系統，軟件系統在內，劃分為基礎學習、強化提高、學科競賽三個層次。

基礎學習階段是在接觸機器人的初始階段，通過查詢相關的技術文獻，學習使用機器人基本的硬件設備，包括電機、單片機、傳感器等，掌握其控制原理和方法，能夠實現簡單的機器人系統的控制；強化提高階段是在完成基礎學習之后，按照學生感興趣的方向和相關的專業課程，強化動手能力，加深對機器人系統整體的理解，并開始嘗試比較復雜的機器人系統的設計；學科競賽階段是學生通過所學知識，在教師的指導下，參加機器人相關的競賽，完成具有創新性的機器人系統設計，通過自主完成項目，在工程實踐中應用前期所學的理論知識與技術，在這個過程中不斷激發學生的創新思維、提高實踐水平。

2.實踐教學向科研延伸。利用教師所在實驗室的資源和條件，將實踐課程向科研方向延伸，引導學生參加教師主持開展的科研項目，進入教師的課題組開展相關的研究，真正將專業課所學知識和科研實踐相結合，培養學生真正具有自主科研能力。

（二）總體實施計劃

機器人實踐課程的總體實施計劃如圖1所示，分為課程引入、理論學習、綜合實踐、課程總結四個階段。通過創新競賽引導學生先將所學知識應用在創新訓練中，并在訓練中引入專業知識教學，過渡至理論學習階段，在具備一定程度的理論基礎之后，通過實驗教學培養學生的動手能力。隨后引導學生自由組合，以解決實際應用問題為目的，設計具有創新性的機器人系統，通過系統級別的實踐，將之前所學的知識融會貫通，最后在小組總結和導師點評階段總結問題，加深理解。

具體的實施安排如下：

1.大一年級開展專業引導，鼓勵學生先修部分專業知識，積極參與大學生創新競賽；

2.專業課學習階段，相關課程以課程設計的形式開展實驗教學；

3.大三年級開展為期兩個學期的實踐課程，向學生提供一定的資金、器件方面的支持，由學生自主選題，教師指導，設計并完成一個機器人系統。

4.學生進行項目展示，由指導教師和機器人領域教師組成團隊對各組完成的機器人系統進行項目評價、指導和總結。

（三）機器人實踐課程實施計劃

課程的實施計劃分為課程準備、項目實施、項目評價三個階段，整體的流程如下頁圖2所示，項目準備階段完成學生分組和項目的方案論證，通過前期的積累，尋找一個具體的應用場景并發現其中存在的問題，設計論證一套可行的方案。項目實施階段根據任務需求分工協作，按照方案設計完成項目。項目總結階段通過總結歸納，回顧項目中出現的問題和解決問題的方法，并經過老師點評之后，加深學生對所學所用知識的理解。

1.課程準備階段。學生按照6—8人規模進行自由組隊，學生團隊充分調研機器人各領域行業現狀，總結行業痛點，充分考慮機器人產業需求后組內討論確定2—3種方案。初步方案與老師進行探討，分析選題的可實現性和相關技術，確定一套工作量適當的可行方案。學生根據選題方案和老師的意見制定初步方案和任務分工，部分小組制定初步方案如圖3所示。學生制定方案和分工完成后，教師根據學生的方案統計相關關鍵技術，對關鍵技術進行簡要的講解與指導，幫助學生開展初期工作。

2.項目實施階段。在完成項目準備的基礎上，學生按照任務分工開展相關的研究工作，主要研究內容包括機械結構設計、強度校核與仿真、控制系統設計和編程、機器人部分和整體調試等。在這一階段，學生是課程進行的主要推動力，通過自主學習推動項目進行，并在每周課堂上進行匯報討論，提出已發現的問題，通過學生進行討論和教師指導，給出解決問題的方向，按照“方案-優化-實踐”的思路推進實踐教學。

3.項目評價階段。在基本完成項目后，進行項目評價。項目評價主要包括學生展示與互評、邀請課外相關方向教師評價、指導教師總結三個環節。首先組織學生進行整個項目進展過程的總結與梳理，在最后幾節課進行展示；同時邀請機器人相關方向的教師進行評審，對學生的成果和展示進行綜合評價；最后由指導教師從項目的立項、進展和成果等方面進行全方位點評，就項目的關鍵實現細節與學生進行細致討論，指明項目仍存在的問題，最后從項目完善和未來展望的角度給學生提出具有建設性和可行性的建議。

（四）機器人實踐課程體系與傳統機器人課程對比

表2為本文提出的機器人實踐課程體系與傳統的機器人課程體系在重要教學指標上的對比，可以明顯看出機器人實踐課程體系在教學內容和教學效果方面具有明顯的優勢。

（五）教學成果展示

在數年的教學實踐活動當中，本文提出的機器人實踐課程體系取得了優秀的教學成果，學生的實踐能力有了極大的提升，很好地達到了課程的預期。相比于傳統機器人課程體系中由教師單方面制定學習計劃、發布教學指令，學生按部就班的固定教學模式，本課程體系賦予學生最大程度的自主權，學生可以根據自身實際情況和個人差異定制化學習計劃，根據個人興趣和特長確定項目分工，各司其職，充分發揮每個人的創造力和價值，這給了學生更大的發揮空間，更好地鍛煉了學生的創新思維和獨立思考能力。

在機器人領域，專業課程較多，涉及知識面廣，各部分知識聯系緊密。本文通過對傳統機器人課程體系的改革，以項目教學法為基礎引入機器人實踐課程體系，在學生工程實踐能力和創新思維的培養等環節進行了充分的探索。數年的教學實踐表明，本文提出的基于項目教學法的機器人實踐課程體系不僅大幅提升了學生對機器人專業知識和核心技術的認知水平，還鍛煉了學生的動手實踐能力、團隊合作精神，為未來機器人專業教育的進一步改革提供了參考。

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作者簡介：

張偉民：研究員，博士，博士生導師，研究方向為機器人定位導航、室內機器人服務應用。

楊宇航：在讀碩士，研究方向為機器人視覺導航。

靳家豪：在讀碩士，研究方向為機器人路徑規劃。

聶富宇：在讀碩士，研究方向為激光SLAM。

王洋：在讀碩士，研究方向為多傳感器融合與定位。

Comprehensive Exploration and Practice of Robot Practical Teaching System

Zhang Weimin1，2， Jin Jiahao1， Nie Fuyu1， Wang Yang1（1.Institute of intelligent robots， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081； 2.Intelligent robot advanced center， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081）

Abstract： With the rapid development of artificial intelligence technology， there are new opportunities for the development of the robot field. The teaching of robot-related courses will pay more attention to and emphasize the students’ innovative thinking and practical ability. The existing problems are analyzed based on the professional course system of the robot. Then， according to the innovative characteristic of robot course teaching， this paper tries to introduce the project teaching method， and expounds on the role of the project teaching method in improving students’ comprehensive application ability and innovative thinking. Based on the project teaching method， the robot-practice course teaching system is designed to the specific practice. In guiding students to design and build a relatively complete robot system， gradually deepen students’ understanding and cognition of robot technology and professional knowledge， and cultivate students’ engineering practice ability and innovative thinking. Finally， the results of the practice course are displayed， which shows the positive effect of the course system.

Keywords： robot； practical teaching system； project teaching method； innovative thinking

收稿日期：2022年3月30日

責任編輯：李雅瑄