智能機器人第二課堂教學改革與探索

謝 茜，呂 曉，劉愛軍

（海軍工程大學電子工程學院，湖北武漢 430033）

0 引言

緊隨時代發展趨勢，培養具有“創新、創造、創業、分享”精神的新時代大學生是高校發展的必然趨勢。同時，隨著我軍建設從機械化向信息化、智能化邁進，以及建設世界一流軍隊目標的鮮明提出，對培養一大批綜合素質高、實踐能力強的創新型人才的渴求比以往任何時候都更加迫切。海軍工程大學于2013 年依托各學科專業建立學員創新實踐俱樂部，2016 年為進一步促進各專業創新實踐俱樂部的交叉融合，選配專業教員隊伍（兼職）、選定專門場地，成立軍隊院校首個“創客空間”，并開設了相應的實踐類課程——用于第二課程教學，在培養學員綜合應用能力和工程實踐能力上取得了一定效果。

但“人工智能+”大背景下，對創新型人才培養又提出了新的要求：打破專業界限，基于多學科、跨專業，“跨界融合、集成創新”也是高等院校優化人才培養方式的必然舉措［1］。因此，為進一步落實大學“X+人工智能”計劃，拓展軍隊院校學員的創新思維及實踐創新能力培養，大力推進軍隊院校開展創新型第二課堂改革是應有之義。

然而，面對軍隊院校這種特殊環境下，如何開展“人工智能+”第二課堂的創新教育教學，且針對學員個體差異性進行改革，已經成為軍隊院校創新型人才培養亟需破解的問題。

1 相關工作

1.1 第二課堂與人才培養

文獻［1］重點論述了第二課堂在人工智能人才培養方面的優勢，提出借助第二課堂輔助開展人工智能教學，并給出了相應舉措；文獻［2-3］指出人工智能與教育深度融合是促進我國教育高質量發展的必然趨勢。在當前教育改革及互聯網、人工智能技術等信息技術的快速發展下，缺乏對學生個性和特點的關注，不利于充分發揮學生獨立性和創新性。而“互聯網+”智慧教學工具與混合式教學相融合，可以提升教與學效率，滿足高校人才培養質量需要。文獻［4］也明確提出要增強關聯，構筑互動顯著的一二課堂共育模式；強化牽引，建立科學合理的第二課堂課程體系；善用資源，提升第二課堂對外部資源的利用效能。文獻［5-6］指出合理化布置智能機器人知識體系可以滿足不同層次復合型人才培養需求，進而培養學生的團隊意識、合作精神以及自主創新精神，且課程中蘊含的工匠精神、職業素養以及安全操作等課程思政元素，也可為專業教學提供借鑒。

以上研究表明，第二課程在創新人才培養方面有優勢，但如何合理安排教學內容，注重學生各項差異有待進一步探索。

1.2 智能機器人

國外智能機器人教學主要集中在美國、日本、韓國、歐洲等地區。文獻［7-8］中以美國為例，其智能機器人教學的主要特點有：①課程設置靈活，課程針對方向和對象不同，教學體系安排、考核方法也有所不同；②課程設置交叉性強，美國許多高校的機器人課程對學生有很多先修課程要求，而且在導論性課程之后還有相關深入性課程供學生選修；③以項目為導向，實踐性強。美國高校的機器人教學往往以其最新的科研成果為載體，讓學生參與到科研和實踐中。文獻［9-12］指出國內智能機器人教學肇始于中南大學蔡自興教授，作為智能科學的奠基者和創始人，他在中南大學信息科學與技術學院率先建設了機器人學精品課程。隨后，清華大學、北京大學等高校都在本科階段或研究生階段開設了機器人學課程。2017 年，武漢大學在其校內大學員工程訓練與創新實踐中心成立智能機器人社團，形成了社團活動、競賽實踐、展示平臺“三位一體”的實踐中心。武漢工程大學智能科學與技術專業在設立之初就開設了機器人學專業課程。還有華中科技大學、武漢理工大學、華中師范大學等高校也組織成立智能機器人社團，在全國各大機器人比賽中都取得了不錯的成績。

從上述研究可以看出，智能機器人“第二課堂”作為一項對綜合性、創新性和實踐性要求都較高的團隊型活動，對大學的學科專業建設、課程思政融入、學生綜合素質培養等方面都有很大裨益。

本文根據大學“X+人工智能”計劃，以拓展軍隊院校學員的創新思維及實踐創新能力培養為目標，遵循以學為本的教學思路，以多學科融合為特色，從教學設計優化、教學案例豐富和教學方法更新等方面開展智能機器人第二課堂教學改革與探索。本文從海軍工程大學第二課堂改革理念，教學設計思路、案例選取、教學方法和模式改革等方面闡述有關情況。

2 第二課堂改革理念

海軍工程大學是工程與管理、技術與指揮相結合，覆蓋多學科門類、包含多層次培養的軍種工程大學，一直重視學員創新實踐能力培養。同時，傳統以工為主、多學科門類交叉環境也為開展智能機器人第二課堂提供了堅實基礎。2016 年在創客空間成立之初，學校就開設了相關機器人綜合創新實踐項目。新的課程遵循以學為本的教學思路，以多學科融合為特色，從智能機器人的使用到創新創新智能機器人的應用等方面促進學員能力全面提升。課程改革突出在如下方面聚合發力：

（1）提煉精簡，突出智能機器人的多學科融合。針對智能機器人所涉及的電子、通訊、程序設計等多個學科領域的知識內容進行提煉精簡，突出與智能機器人相關的基本理論與核心知識，簡化理論推導，注重學員上手的可操作性，為學而教，以學員為主體，以教員為主導，以訓練為主線，切實為后續創新實踐活動開展打好基礎。

（2）以學定教，圍繞智能機器人開展教學。以學為中心，對標本科生培養目標，對之前創客實踐基礎訓練課程中智能機器人部分教學內容進行增補和刪減，明確哪些是目前階段需要掌握的，哪些可以留在研究生階段供進一步學習。

（3）以練助學，針對學員個體差異設置專項實驗。遵循興趣驅動、分級實驗的原則，注重各專業學員的不同差異及應用背景，將智能機器人與當前高新技術相銜接，深挖智能機器人在各類不同專業背景下的實戰化教學案例，將其以專項實驗的形式融入到后續深入的智能機器人課程教學內容體系中。

（4）以能力為核心，促進專業建設發展。智能機器人的教育教學改革強調創新能力培養、創新能力訓練，同時改革中的內容也與后續課程形成有效銜接，相互支持、相互服務，促進教研室專業建設中課程優化設置，提升專業建設水平，切實增強人工智能與軍隊院校創新型人才培養契合度。

3 第二課堂改革內容

3.1 優化教學設計，突出多學科融合

智能機器人學本身是一門多學科融合性教學。在進行智能機器人課程教學之前，學員已經先修過機械設計、理論力學、程序設計、編程單片機等相關課程，但教學中并沒有以機器人為對象進行過研究。本文主要研究以一個科目的教學內容為主切入、多學科相鄰知識融入課堂的整合路徑，即在一節課上以一個科目為主，多學科相鄰知識整合后的課堂教學。比如，海軍工程大學電子工程學院計算機與數據工程教研室負責的NAO 機器人教學，注重機器人與“人工智能”和軟件編程相結合，為此還進行了具體分析與設計，其教學設計思路如圖1所示。

Fig.1 Teaching design idea of NAO robot in Naval Engineering University圖1 海軍工程大學NAO機器人教學設計思路

以NAO 仿人機器人運動教學部分為例，教學內容為仿人機器人步行、雙臂動作等的實現，將有關運動學基礎知識、機器人各關節運動控制以及Python 語言指令編程等融入課堂教學中，在一節課上融入程序設計、控制原理等多個科目的綜合知識。

3.2 豐富教學案例，滿足個性化差異

在教學內容方面，完善智能機器人的初級教學內容，并將智能機器人與當前高新技術相銜接，深挖智能機器人在各類不同專業背景下的實戰化教學案例，將其以專項實驗的形式融入到智能機器人課程教學內容體系中。在初級教學內容中突出與智能機器人相關的基本理論與核心知識，簡化理論推導，注重學員上手的可操作性，切實為后續創新實踐活動開展打好基礎。

在案例選擇上，遵循興趣驅動、分級實驗的原則，注重各專業學員的不同差異及應用背景，將智能機器人與當前高新技術相銜接，深挖智能機器人在各類不同專業背景下的實戰化教學案例，將其以專項實驗的形式融入到后續深入的智能機器人課程教學內容體系中，重點是在專項性實驗中培養學員的創新意識和創新能力。例如：通過學習控制器、傳感器的深入使用，進一步深化相關知識點的理解和應用，并配合應用場景，達到鞏固知識、鍛煉實踐的目的；實驗中通過探究學習，引導學員主動參與、親身實踐、獨立思考、合作探究。教師設疑置難，使學員自學員疑、嘗試排疑、啟發釋疑、練習生疑、創造設疑。變教為“導”、變學為“悟”；讓學員觀察、思考、操作、表述、質疑；因材施教，讓學員在多方面得到發展。智能機器人部分專項實驗如表1所示。

Table 1 Special experiment contents of intelligent robot表1 智能機器人部分專項實驗內容

上述案例設計為海軍工程大學人工智能與人工智能應用實踐等新開設課程提供了機器人視覺識別、機器人人機交互等實驗案例，為深化課程改革實驗，進一步提升學員綜合應用能力、創新能力和實踐能力作出貢獻。

3.3 更新教學方法，注重生生合作、師生提升

在理論與實踐教學方法上，區別于以往教師講解，“第二課堂”主要采用小組討論法和案例教學法。在小組討論法中，根據學員情況（主要分為熟悉硬件類、熟悉軟件類及熟悉算法類）每2～5 人組成一個小組，每個小組設立一名組長負責課題匯報總結。根據智能機器人學課程學習情況，設定運動學、物體識別、圖像視覺和人機交互等討論內容（其中包含案例教學，將要討論的內容以案例形式出現），教師通過引導教學后，組織各小組進行相應課題討論，發揮人多力量大的優勢，讓學員動起來，發表自己的見解，這樣學員可以更深地理解題目，也會有新的體會。同時，為了拓展學員視野，由教師帶隊參加智能機器人交流會、報告會和各類智能機器人大賽，從而開闊學員視野，加強學員內部交流。以學促賽、以賽促思、以思促用，真正做到學懂弄通做實，不忘初心牢記使命。

同時，為了加強教師與學員的交流與反饋，及時發現問題，不斷調整措施，保證相關工作順利開展，對于課程教師的工程實踐教學能力培養進行了針對性加強。一是邀請企業技術人員通過線上和線下進行相關培訓，再通過教師對教學實踐的總結反思和自我調適，不斷積累經驗和材料，優化和改善教學行為、方法和策略，提高教學能力和水平；二是組織授課教師與武漢市內高校聯系，參與智能機器人技術交流會，互相交流教學科研方法，幫助教師更新教育理念，教研互動，促進教師專業化發展。

4 改革效果

4.1 激發學員學習熱情

學員的發展是教學過程中的學習成長。在主張以學促教，教學相長，教學策略關注學員的學習特點等一系列改革試點運行下，智能機器人吸引了很多學員的關注和興趣，成為學校一道獨特的智能機器人風景線，為普及人工智能知識，使“人工智能”概念切實走入學員大眾中間，為拓展學員的創新思維及實踐創新能力發揮了一定作用。同時，極大調動了相關專業，尤其是大數據與仿真專業學員學習智能機器人的積極性和熱情。

改革自2018 年開始，經過一輪實踐教學后，學員開始陸續參加相關競賽項目的角逐：從2019 年上半年中國高校智能機器人創意大賽優秀獎，到下半年世界機器人大賽三等獎，再到年底中國機器人技能大賽冠軍，以及2020 年和2021 年相應競賽一等獎等等，一次次優異成績的取得，讓學員體會到辛苦付出之后的收獲，大家都熱情高漲。其中，多名學員本科畢業設計圍繞智能機器人開展研究，先后有3 人的畢業設計獲得了校級優秀。同時，后續本科階段及研究生階段的人工智能課程選修人數也大幅提升。

4.2 加強教師業務能力

智能機器人課程是多學科交叉的課程，具有很強的前沿性和實踐性。而課程內容涉及面寬、內容廣、更新快，授課教師只有不斷更新自身知識技能，才能適應課程發展需求。每輪開課之前，授課教師都會利用假期積極主動地進行相關教學內容、教學方法的培訓，對于教學觀念轉變、教學內容更新、教學能力提升等均產生了有效的促進作用。教師還根據課程特點和可用的教學設備情況，運用教學設計方法與工具，在其他相關課程中穿插開展課堂教學實踐，以此提高教師自身的多樣化教學能力，使教師能夠不斷積累教學經驗，從而為后續教學開展起到支撐作用。

開課后教師通過對智能機器人教學過程中教學行為的反思，進一步夯實專業知識素質，并注重現代化教學手段的研究和使用。經過實踐競賽歷練，不僅帶動了教師加強業務訓練，促進了教學團隊整體素質提升，也為專業建設提供了理論與實踐并重的優秀教師隊伍，先后有5 人獲得了國家級或校級教學能力競賽獎項。

4.3 提升專業建設水平

實踐條件的優化，使圍繞核心能力提升的專業課程和技能競賽活動有了更大更好的展示空間，進而促進相關課程考核評價體系優化、課程體系改革及教學內容更新，充分發揮傳統專業師資力量強、教學經驗豐富等優勢，不斷改造新專業，實現傳統專業新的發展，從而不斷提升專業建設水平。

以海軍工程大學大數據和仿真專業為例，在對學生的編程技能考核中，不再單單是上機考試，而是引入競賽機制：“圖靈杯”大賽以當年熱門話題或熱點為題，促進學員發揮創意，在圖文設計、數據分析、編程挑戰中提升編程技能。“極客賽”更是以軍事特色為前提，讓學員尋找實戰化條件下待解決的問題，比如無人車或無人機路徑規劃問題、機器人視覺偵測問題等，并開展研究與實踐。

這種考核方式的轉變，有效實現了課程與任職崗位的銜接，同時還為人工智能應用實踐等新開設課程提供了機器人視覺識別、機器人人機交互等實驗案例，為深化課程改革實驗，進一步提升學員綜合應用能力、創新能力和實踐能力作出貢獻。

根據近幾輪的授課經驗，經過調研和深入研究，按課程特色及要素進一步規范和完善與之相關課程的教學計劃，將現有專業從內涵上做強做大，并準確把握人才培養的服務方向，進一步論證、調整教學計劃中理論課程、實踐課程所占比例，進而提升專業人才培養的綜合性與專業性。

5 結語

通過改革并開展試點教學，智能機器人進入了更多學員的課堂，也吸引了更多學員的關注和興趣，提升了學員的學習熱情，促進了專業建設發展，為海軍工程大學普及人工智能知識，使人工智能概念切實走入學員大眾中間，為拓展學員的創新思維及實踐創新能力發揮了積極作用。

同時，改革也存在一些問題，如教學資源限制、學生初學體驗感待提升等，這些都有待進一步研究。正如習主席在世界人工智能大會的賀信中所言“中國正致力于實現高質量發展，人工智能發展應用將有力提高經濟社會發展智能化水平”，應該以“智”提“質”：讓智能機器人為學校高質量人才培養賦能加瓦，力求促進智能機器人創新教育教學更大的發展。