新工科背景下機器人工程導論課程教學改革研究

吳巧云，曹 翔，周云虎

（安徽大學 人工智能學院，合肥 230601）

機器人工程與國家基礎性戰略密切相關，是國家重要的發展方向之一。近年來，政府高度重視機器人工程的發展，將其列為“中國制造2025”“新一代人工智能發展規劃”等國家戰略的重要組成部分，持續加大對機器人工程的投入和支持，推動機器人技術的創新和應用，培育機器人產業集群，加快機器人產業的發展。安徽省也出臺了一系列政策來促進機器人產業的發展，在《安徽省新一代人工智能產業發展規劃（2018—2030 年）》（以下簡稱《規劃》）中，明確提出要發展智能制造和服務機器人，推動制造業向智能化、高端化、綠色化轉型升級；《規劃》中還提出，要加快推進人工智能與制造業深度融合，推動機器人技術的應用和發展。為了跟上國家戰略的發展要求，滿足安徽省機器人相關產業發展的迫切人才需求，安徽大學于2020 年12 月30 日成立了人工智能學院，設立人工智能、機器人工程兩個專業，作為實施安徽大學“雙一流”建設背景下創新人才培養與“新工科”建設模式的前沿交叉平臺。

機器人工程在制造業、服務業、醫療衛生和教育等領域都有著廣泛的應用，可以提高生產效率、降低勞動強度、改善生產環境、提高產品質量和服務水平等。因此，機器人工程被視為推動國家經濟發展和社會進步的重要手段。機器人工程專業旨在培養具備機器人系統設計與開發、機器人控制與運動規劃、機器人傳感與感知及機器人系統集成與測試等能力的創新型人才[1-2]。機器人工程技術涉及機械學、電子信息學、計算機科學和控制科學等相關領域的深度融合，是一個跨學科和領域的交叉學科[3]。行業對機器人工程人才的要求不僅需要具備豐富的理論知識，還需要具備更強的工程能力。機器人工程導論作為機器人工程專業的一門核心課程，對培養具有機器人工程實踐經驗和跨學科綜合能力的優秀人才具有關鍵作用，具有高度抽象性、嚴密邏輯性、廣泛應用性等特點。其內容、思想、方法和語言已滲入自然科學和社會科學，已成為現代化文化的重要組成部分。通過該課程的學習，可以幫助學生在使用高等數學、程序設計基本知識的同時，培養抽象思維能力、邏輯推理與判斷能力、空間想象能力、綜合應用能力和編程語言及符號的表達能力。

一 機器人工程導論課程教學現狀

面向新工科背景下機器人工程專業復合型、工程型人才培養的實際需求[4-5]，針對機器人工程專業的機器人工程導論課程教學的研究尤為迫切。然而，目前機器人工程專業的機器人工程導論課程教學仍然存在一些問題。

（一）課程教學與行業需求脫節

機器人工程導論課程是機器人專業的基礎課程，其教學內容涉及機器人的概述、結構與運動學、感知與控制、應用案例及未來發展等方面。然而，在實際教學中，機器人工程導論課程與行業需求之間存在一定的脫節現象。這種脫節主要表現在兩個方面。首先，機器人工程導論課程缺乏實踐操作和行業應用案例等內容。由于機器人工程導論課程主要以理論知識為主，因此很難讓學生真正了解機器人的應用場景和市場需求。這導致一些畢業生在就業市場上難以適應行業需求，從而出現了“學術派”與“實用派”之間的矛盾。其次，機器人工程導論課程教師缺乏對行業需求的深入了解。由于機器人領域的技術更新速度較快，因此教師需要不斷更新自己的知識儲備，以便更好地服務于學生和行業。然而，在實際教學中，一些教師缺乏對行業需求的深入了解，導致他們無法把理論知識與實際應用相結合，從而使機器人工程導論課程與行業需求之間產生了脫節現象。

（二）課堂教學內容及方式安常守故

機器人工程導論教學內容涉及機器人的概述、結構與運動學、感知與控制、應用案例及未來發展等方面。然而，在實際教學中，機器人工程導論課堂教學內容及方式卻往往安常守故，缺乏創新和多樣性[6]。首先，機器人工程導論課程的教學內容往往比較死板，缺乏新穎和前沿的知識。由于機器人技術的更新速度很快，因此教師需要不斷更新自己的知識儲備，以便更好地服務于學生和行業。但是，在實際教學中，一些教師仍然沿用老舊的教材和教學大綱，忽視了新興技術和熱點領域的涉及。其次，機器人工程導論課堂的教學方式也比較單一，缺乏多樣性和靈活性。由于機器人工程導論課程主要以理論知識為主，因此很難讓學生真正理解和掌握機器人的實際應用和操作技能。在實際教學中，一些教師仍然采用傳統的講授方式，缺少互動和實踐環節，使得學生的學習興趣和動力不足。

（三）課程教學資源和平臺不足

在實際教學中，機器人工程導論課程教學資源和平臺往往不足，這給學生的學習和發展帶來了一定的影響[7]。首先，機器人工程導論課程教學資源不足。在實際教學中，一些教師缺乏教學資源，無法提供足夠的教材、案例和實驗設備等資源，這給學生的學習和發展帶來了一定的困難。因此，在機器人工程導論課程的教學中，應該加強對教學資源的投入和管理，提供更多的教材、案例和實驗設備等資源，以更好地支持學生的學習和發展。其次，機器人工程導論課程教學平臺不足。在實際教學中，一些教師缺乏教學平臺，無法提供足夠的實驗平臺和交流平臺等資源，這給學生的學習和發展帶來了一定的障礙。因此，在機器人工程導論課程的教學中，應該加強對教學平臺的投入和管理，提供更多的課程、實驗平臺、交流平臺等資源，以更好地支持學生的發展和學習。此外，可以加強與行業的合作，利用行業資源和平臺來支持機器人工程導論課程的教學和發展。

（四）課程考核方式不全面

機器人工程導論課程考核方式對于學生的學習和發展至關重要。然而，在實際教學中，機器人工程導論課程的考核方式往往不夠全面，缺乏實際操作和綜合能力的考核，這給學生的綜合素質提高帶來了一定的影響。首先，機器人工程導論課程的考核方式往往只注重學生對理論知識的掌握程度，缺乏對實際操作能力和綜合素質的考核。在實際工作中，機器人專業的從業人員需要具備一定的實際操作能力和綜合素質，而這些能力和素質往往無法通過傳統的筆試和口試來考核。因此，在機器人工程導論課程的考核方式中，應該加入更多的實際操作和綜合素質考核內容，以更好地評估學生的能力和素質。其次，機器人工程導論課程的考核方式往往缺乏多樣性和靈活性。在實際教學中，一些教師仍然采用傳統筆試和口試的方式來考核學生，忽略了其他考核方式的重要性。然而，隨著信息技術的不斷發展，現代教育已經越來越注重多樣性和靈活性，因此在機器人工程導論課程的考核方式中，應該加入更多的多樣化和靈活化的考核方式，如實驗報告、項目作業、小組討論等，以更好地評估學生的能力和素質。

本文對原有的機器人工程導論課程教學資源優化整合，更新理論教學方法，以期實現機器人工程導論課程與機器人工程專業課的銜接；并開展與課程配套的創新實踐項目研究，編制相關的機器人實驗，以期構建適合機器人工程專業的機器人工程導論課程的教學新體系，培養學生抽象思維能力、邏輯推理與判斷能力、空間想象能力和編程語言及符號的表達能力。此外，在教學過程中注意引導學生形成負責任的人生態度，至誠至堅；對人和事考慮周到，積極應對人生的困難，承擔起社會責任[8]，博學篤行。

二 教學改革內容和主要措施

本文是以機器人工程本科專業的機器人工程導論課程的教學改革為主要研究內容，通過運用理論教學、機器人實驗和應用案例相結合的教學方式，讓機器人實體與人工智能（AI）思想相融合，建立具有凸顯機器人工程專業特色的機器人工程導論課程，實現機器人結構設計與運動控制思想的滲透及創新意識的培養，同時注意引導學生形成負責任的人生態度，對人和事考慮周到，積極應對人生的困難，承擔起社會責任，從而培養具有良好機器人學基礎和較強機器人工程能力的人工智能領域人才，具體研究內容如圖1 所示。

圖1 本項目研究內容示意圖

（一）精準定位課程教學目標

結合《工程教育認證標準》和人工智能學院本科專業的特色，定位機器人工程導論課程的教學目標為“多元化”培養，強調對學生的機器人學相關知識的深度和廣度及機器人控制思想的培養。因此，機器人工程導論課程的教學目標是培養學生：①理解機器人的基本概念和分類，幫助學生理解什么是機器人，機器人的分類、構成和工作原理等基本概念，為學生進一步學習和研究機器人奠定基礎；②掌握機器人開發的基本流程，讓學生深入了解機器人開發的基本流程，從而掌握機器人的開發流程、制作流程、測試流程等，給學生提供從微觀到宏觀的全面了解機器人開發過程的機會；③學會使用機器人軟硬件開發工具，讓學生掌握機器人軟件和硬件的開發工具，包括機器人控制器、傳感器、編程語言等，為學生開發機器人提供指導，這對有志于從事機器人開發的學生來說非常重要；④了解機器人應用的現狀和未來趨勢，了解機器人在各個領域中的應用現狀和未來發展趨勢，例如機器人在工業制造、醫療保健、家庭服務等領域中的應用現狀，讓學生對機器人技術的前景有更加深入的了解；⑤增強科技人文素養，讓學生從機器人工程的角度思考科技與社會的關系，深入了解技術的本質和技術對社會、環境、人類文明的影響，引導學生形成負責任的人生態度，對人和事考慮周到，積極應對人生的困難，承擔起社會責任，增強學生的科技素養和人文素養。通過以上教學目標的達成，學生將能全面了解機器人的基本概念和分類、機器人開發的基本流程、機器人軟硬件開發工具的使用等知識，熟悉機器人在各個領域中的應用現狀和未來發展趨勢，并增強科技人文素養和對技術的認識，為其今后從事機器人研究和開發奠定堅實的基礎。

（二）依據教學目標設計教學內容

根據機器人工程導論課程的教學目標，結合工科專業的側重點，從以下三個方面進行教學內容的設計：①在不降低學生機器人學基礎理論學習要求的同時重視機器人在工業場景中的應用，尤其是在大數據人工智能時代中的應用背景，在工科專業機器人相關教學內容的基礎上，要求學生深入理解機器人的概念、發展歷史、應用領域和未來趨勢；機器人運動學原理和基本控制方法，包括軌跡規劃、運動分析、控制算法等；機器人感知技術，包括機器視覺、聲音識別、力傳感器等；機器人操作系統的基本框架和編程語言，包括ROS、Python、C/C++等。②緊貼大數據人工智能時代的科技發展新成果，及時更新教學內容。現如今，大數據和人工智能已被提升到國家戰略層面，無論是相關的理論研究還是在應用場景的產業落地都可以成為課堂教學的鮮活素材，豐富教學內容。因此，授課教師必須改變教學模式，掌握人工智能技術的最新動態和研究進展，對授課內容的更新跟上科技創新發展的速度。③創新教學形式。在每個模塊的學習開始時，會有一個講述這個模塊內容的講座，這個講座將介紹機器人的基本知識，并解釋機器人關鍵概念；本課程將提供大量案例研究以幫助學生理解機器人更廣泛的應用，學生將需要分析和解釋這些案例，探討機器人如何應用在不同的領域中；實驗室將提供機器人設計和控制的實踐機會，學生將親自實踐機器人編程和控制，以加強對機器人課程的理解；研討會將提供學生機器人規劃和控制問題的機會，這些研討會將擴展學生的思考，有助于他們更好地理解和把握機器人的設計和控制。

（三）打造機器人工程導論AI 的生動課堂

課堂的構建要從封閉性、被動性轉向開放性、主動性。這種開放和主動要求老師有目的地引導學生積極主動地完成學習任務，從而更好地提高課堂教學質量。課堂教學可以憑借知識講授+案例分析+成果展示的模式，形成具有特色的機器人學AI 課堂，通過融入人工智能發展的最新動態和研究成果，開拓學生視野，啟發學生思維，再通過配套一定比例的機器人實驗，讓機器人學理論的知識更加生動有趣，使得學生對機器人學概念的理解更加深刻。比如一個實際案例：在計算機三維視覺中，基于激光雷達傳感器的三維點云數據配準與移動機器人導航有著密切的關系。移動機器人導航是指機器人在未知環境中進行自主移動和定位的過程。在移動機器人導航過程中，需要獲取環境中的三維點云數據，并進行配準、融合和建圖，以便機器人能夠準確地感知環境并進行自主導航。三維點云數據配準的問題描述如下。

值網絡v（·）輸出對當前策略的評估。圖2 展示了三維點云配準結果，左圖是輸入的移動機器人在兩個相鄰時刻傳感器獲取到的三維點云數據，右圖是用本案例的模型將這兩個點云數據配準到同一坐標系下的結果。通過這個案例，學生在學習了機器人導航建圖概念的基礎上，可以更深刻地理解理論和公式的含義，也了解了相關技術的應用場景。

圖2 三維點云數據配準結果

（四）豐富教學考核方式

機器人工程導論課程的教學考核方式應該豐富多樣化，以滿足不同學生的學習需求和能力水平。首先，傳統的隨堂測試和作業是必不可少的。隨堂測試可以檢驗學生對知識點的理解和掌握程度，作業可以讓學生在課堂外鞏固所學知識。但是，單純的隨堂測試和作業往往難以全面評估學生的能力水平。其次，實踐操作也是非常重要的。機器人工程導論課程中，學生需要親自動手操作機器人，才能更好地理解機器人的原理和控制方法。因此，可以設置實踐操作考核環節，讓學生在實際操作中檢驗自己的能力。再次，小組討論也是一種非常有效的教學考核方式。在小組討論中，學生可以交流彼此的想法和看法，從而更好地理解機器人的原理和應用。此外，小組討論還可以提高學生的團隊合作能力。最后，項目設計也是一種非常重要的教學考核方式。在機器人工程導論課程中，可以設置項目設計任務，讓學生在團隊中設計、制作、控制機器人。通過項目設計，可以讓學生在實踐中掌握機器人的原理和應用，并提高學生的實際操作能力和團隊合作能力。綜上所述，除了傳統的考試和作業外，可以結合實踐操作、小組討論、項目設計等形式，提高學生的實際操作能力和團隊合作能力。只有這樣，才能更好地培養出具備實際操作能力和團隊合作能力的機器人專業人才。

三 結束語

本文針對目前傳統機器人相關基礎課程教學過程中過于注重理論教學的不足，結合安徽大學人工智能學院機器人工程本科專業設置的特點和人才培養的目標，對標機器人工程本科專業人才培養標準，積極對該課程的教學改革進行探索。嘗試將創新實踐應用引入到課堂教學，將理論教學與實踐創新結合，提高學生解決問題的能力，使得機器人控制思想與人工智能思想互相滲透。此外，在機器人相關實戰培訓中，引導學生考慮各種可能情況和處理方法，積極應對困難，承擔起社會責任，形成負責任的人生態度。本次課程教學改革研究主要特色和創新表現在以下幾方面。

1）機器人工程導論課程教學目標凸顯機器人工程專業特色，在傳統課程教學沿用梳理專業以邏輯推演為主的基礎上，使得人工智能與機器人學互相融合。

2）課程中應用案例與實驗教學相結合，更新“新工科”和“大數據”背景下機器人在各領域中的應用案例，緊跟時代的步伐。

3）完善建立具有人工智能學院機器人工程專業課程特色的考核方式，充分反映和提高學生的綜合素質。