面向新工科的移動機器人教育體系及實踐平臺構建

劉艷，張偉，李艷君，王雪潔，陳琢，潘樹文

（1.浙大城市學院 信息與電氣工程學院，浙江杭州 310015；2.浙江經濟職業技術學院 數字信息技術學院，浙江杭州 310018）

在新一輪科技革命和產業變革下，新興行業的出現需要多樣化、創新型卓越工程科技人才，即新工科人才[1-2]。這就要求高等院校培養類似自動化專業的學生時，除了要求他們在某一學科專業領域理論扎實、學業精深之外，還要具有學科交叉融合、實踐操作和科技創新的能力。同時，自從學校轉設公辦普通本科后，實施了面向全國范圍內招生的政策，當期教學中出現了一些問題。

以移動機器人為代表的人工智能設備是未來智能裝備發展的方向，涉及傳感器、信息處理、自動控制、導航等基本技術。另外隨著移動機器人的市場需求以及應用領域的不斷擴大，其涉及的研究內容變得更寬泛，研究技術和方法變得更多，具有鮮明的多學科交叉融合特征，特別適合培養學生創新、跨界和開發的核心競爭力[3]。本文提出了構建以移動機器人為核心的自動化專業機器人方向教育體系和實踐平臺，并制定措施保障教學體系的順利實施，提高了自動化類專業人才培養質量，取得了階段性成果。

1 以移動機器人為核心的教學體系

以移動機器人為主線的機器人方向課程教學體系將科學知識掌握和應用能力培養并重，該體系不依賴于學科知識分類和課程性質等要求，而體現在基于任務驅動的學科知識的“跨界”上。

1.1 培養方案的修訂

我校在新修訂的自動化專業培養方案中，設置了關于移動機器人的三門必修課和三門選修課，分別是《智能機器人設計基礎實訓》《智慧物流技術應用》《智能機器開發實踐》《機器人設計與實踐》《機器人創意設計與實踐》《智能電子控制系統設計實訓》。以上六門課程構建了移動機器人課程體系，將學科知識和素質融于能力培養之中，以能力培養為核心，以學科知識為支撐。這些融合既可以發生在課程內，也可以發生在課程間，課程不再是相對獨立的知識單元，課程之間存在必然有機的連接關系，形成了課程之間有機連接的網形結構。

課程設計在時序上按照完成移動機器人實際任務所需要的知識學習時序、能力訓練時序、工作流程時序和產品流程時序進行安排。

課程體系中課程內容由課程目標決定，是《教學大綱》負責解釋的范疇。基于從培養目標到課程內容的銜接關系，即a培養目標-b畢業要求-c畢業要求指標點-d課程體系-e課程目標-f教學內容。進行從a到f是反向設計，從f到a是正向實施。課程內容取決于課程結構，課程結構決定課程內容。結構是內容的框架，內容是結構的表現。采用文獻中筆者認為的系統、完整、有效的教育部職業技術教育中心研究所研究員、應用型課程建設聯盟主席姜大源教授的“工作過程系統化”的方法[4]，使得教學有效性大大提升，最終實現課程教學目標可以更加有效地達成。

1.2 培養方案執行

在新修訂的人才培養方案的執行過程中優化了網狀課程體系結構，深化了各門課程內容的層層遞進關系。對《智能機器人設計基礎實訓》《智能機器人開發實踐》和《機器人設計與實踐》的教學內容和教學方法進行了改革，如將機器人操作系統ROS引入了《機器人設計與實踐》課程中，將樹莓派用作《智能機器人開發實踐》的上位機來實現高級控制技術，將虛擬仿真實驗應用到了《智慧物流技術應用》課程中。

該培養方案行之有效的關鍵在于將課堂教學、設計實踐和科研創新融會貫通，極大地激發了學生學習移動機器人設計與實現技術的興趣和熱情，促進了學生對移動機器人技術的理解和掌握，提高了學生自主學習、設計和技術創新、獨立分析問題和解決問題的能力，為畢業設計、認知實習、生產實習、畢業實習或繼續深造打下了堅實的基礎。

2 以移動機器人為核心的實踐平臺

2.1 移動機器人競賽平臺

以移動機器人為核心的課外實踐主要是大學生學科競賽[5]和大學生科研[6]。目前所涉及的競賽有RoboCup、中國機器人大賽、中國服務機器人專項賽、浙江省大學生機器人競賽、中國高校智能機器人創意大賽（浙江省大學生智能機器人創意競賽）、全國大學生機器人大賽-RoboMaster、全國大學生機器人大賽-RoboTac、全國大學生機器人大賽-RoboCon等。

2.2 大學生科研及創客平臺

與移動機器人相關的大學生科研項目主要有校級大學生科研、省新苗、創客項目以及國家級大學生創新創業項目。該平臺學生參與科研團隊的橫向或縱向關于移動機器人關鍵技術研究課題，產出成果包括發明專利、實用新型專利、科技論文、軟件著作權等。

2.3 校內外實踐基地平臺

強化實踐，構建校內、校外實踐基地相結合的應用型人才培養實踐體系。以服務學生為宗旨，優化管理資源配置，與企業聯合培養學生，進行產學研合作，建立相對穩定的專業學士學位校外培養基地，為學生認知實習、生產實習、畢業實習和深度實習構建良好的基地平臺。目前建設有浙江大華智慧物流實踐基地、蘇州才炬機器視覺實踐基地、杭州納茵特機器人競賽實驗基地。

3 保障教學體系實施的措施

3.1 建設機器人社團平臺

以興趣為導向，機器人社團平臺的面向對象為大一本科生，該平臺包含機器人、智能制造、無人機等新技術元素，學生通過該平臺能夠理解相關對象的組成、工作原理、應用等方面的內容，降低學生參與科技活動的門檻，激發學生的學習積極性。

該平臺使用簡單控制器，以使學生經過簡單的學習，就可以利用該平臺實現簡單的任務功能，以培養學生對機器人的基本認識、編程邏輯、分析問題、解決問題的能力。

3.2 建設移動機器人長學期和短學期實訓平臺

該平臺的服務對象為二、三年級本科生，建設目的是學生可以利用長學期和短學期機器人創新開發平臺提供的軟件模塊、硬件模塊和調試模塊，快速地組建驗證驗機，進行創新思想驗證，降低學生科技創新活動的難度，加速創新周期，促進學生創新活動的開展。創新平臺包括無人機系統和機器人系統的整套軟硬件模塊，以及軟硬件模塊的學習培訓資料。

3.3 建設移動學生機器人競賽平臺

該平臺的服務對象為參與機器人類科技競賽和無人機類科技競賽的本科生。包括無人機類競賽和機器人類競賽需要的成熟的硬件模塊、軟件模塊和調試模塊，有一定基礎的科技競賽學生，利用該平臺經過短時間培訓，可以達到基本競賽要求，而且利用該平臺可以根據不同的競賽要求開發出競賽作品。建設該平臺的目的是：降低學生參加機器人類競賽的難度，培養學生參加科技競賽的興趣，為科技競賽培訓活動提供物質基礎，提高信電學院在機器人類科技競賽中的成績，促進學生科技競賽的發展。

3.4 建設移動機器人科研平臺

該科研平臺主要是以平臺設備為基礎申報國家級、省級、校級大學生科研項目和學校創客項目。通過科研訓練培養大學生綜合能力。一是學會通過各種信息檢索工具，查詢國內外文獻，提高文獻查詢、分析、綜述能力。二是在科研項目實施過程中，學習科研支撐知識和技能，全面和深入拓展獲取和吸收新知識的能力。三是對科研項目實施過程中的成果和結論，學習以文檔資料形式總結和撰寫，提高文字表達和歸納整理問題的能力。四是在科研項目的成果展示階段，提高PPT制作和口頭表達能力。

3.5 建設移動機器人實驗室平臺

按照“硬件平臺模塊化、軟件平臺結構化、機器人功能多樣化”的思路，建設了移動機器人設備群，支撐自動化專業移動機器人專業方向課和選修課的實踐教學，為學生搭建了適合于不同年級、興趣以及能力的機器人平臺，包括積木編程機器平臺、ROS移動機器人平臺、AI移動機器人平臺、樹莓派控制移動機器人平臺、基于STM32的移動機器人平臺、基于Arduino的移動機器人平臺等。

3.6 建設移動機器人虛擬仿真實驗平臺

基于“條件不具備”“實際運行困難”“高危、高成本、高消耗、不可逆、大型綜合”的標準，建設了移動機器人及關鍵技術環境的虛擬仿真實驗項目。如機械臂視覺控制系統虛擬仿真實驗和智慧物流虛擬仿真實驗項目。這兩個項目分別就機械臂視覺控制過程中二維空間到三維空間轉換過程的可視化以及智慧物流系統綜合性路徑規劃做了虛擬實現。以上兩個虛擬仿真實驗教學項目是從科研成果轉化而來，先進的科研和行業成果為虛擬仿真實驗提供了豐富的素材，成為資源建設的重要內容，豐富了學生學科知識內涵。

4 以移動機器人為核心的教育體系的階段性成效

4.1 參加學科競賽成績優異

2015年以來，學生參加國家級和省級各類學科競賽分別有48人次和308人次。關于移動機器人競賽項目的代表性成績包括中國智能機器人格斗及競技大賽一等獎1項、中國高校智能機器人創意賽國家級二等獎1項、小型足球機器人競賽省級一等獎2項。

2021年學校智能機器人實踐團隊僅機器人類學科競賽獲15項，其中國家一等獎1項、國家二等獎2項、國家三等獎4項、華東賽區的三等獎3項、浙江省二等獎1項、浙江省三等獎4項。

4.2 畢業設計質量顯著提高

依托競賽平臺、大學上科研項目團隊完成的畢業設計質量較高，每年都有多項作品參與畢業設計作品展；優秀設計（論文）獲得優秀畢業設計（論文）稱號，此類論文多數有大學生科研過程中獲得的實用新型專利、科技論文以及軟件著作權的支撐。

5 結語

目前學院經歷了學校轉設公辦、培養方案的修訂，逐漸明確了機器人方向的建設路線和人才培養目標。以“智能移動機器人”為載體，以開發移動機器人運動、環境感知以及任務實現等智能化功能為基礎，進一步實現移動機器人思維智能的設計與開發。經過多年探索，信息與電氣工程學院機器人方向在智能機器人的人才培養方面已經摸索出一套行之有效的模式，這種“以做促學、以賽促學，以研促學”和創新項目驅動的培養模式極大地激發了學生的潛力，無論在學生就業還是在深造方面都有很好的效果。