以新工科人才培養為導向的“智能機器人技術”創新教學方法探索

［摘 要］ 智能機器人是我國《“十四五”智能制造發展規劃》的重點發展方向，也是我國新工科高等教育發展背景下的重要培養方向。“智能機器人技術”課程作為機器人專業的本科必修課程，融合了多門課程的知識，內容多、難度大，傳統的教學方法與新工科人才培養要求相脫節。通過從教學理念、教學內容、教學策略三方面對該課程進行深刻剖析，提出了以新工科人才培養為導向的教學方法，力求提高學生學習興趣，激發學生對機器人領域研究的積極性。

［關鍵詞］ 智能機器人；新工科；教學改革；人才培養

［基金項目］ 2023年中山大學教學質量與教學改革工程項目“智能機器人線下課程建設”（教務〔2023〕96號）

［作者簡介］ 李孟棠（1991—），男，四川成都人，博士，中山大學智能工程學院助理教授，副研究員，碩士生導師，主要從事智能機器人控制研究；譚 佳（1991—），女，陜西西安人，碩士，深圳市大疆創新科技有限公司高級人力資源專家，主要從事科技人才培養研究。

［中圖分類號］ G420 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）46-0009-04 ［收稿日期］ 2023-08-29

引言

目前，數字經濟以空前的速度迅猛發展，覆蓋范圍廣泛且影響深遠，為全球經濟注入了新的動力和活力。習近平總書記指出，發展數字經濟是把握新一輪科技革命和產業變革新機遇的戰略選擇［1］。作為數字經濟時代最顯著的工具，機器人正在深刻地改變著人類的生產方式和生活方式，智能工具的“機器人化”已無處不在，各種形態的機器人構建了一個讓人類與機器共融的精彩世界，創造出了全新的數字化生產和生活圖景。機器人在推進科技創新、推動產業升級、維護國家安全和保護人民健康等方面的作用越發關鍵，已經成為評估國家創新能力和產業競爭力的重要指標［2］。因此，為適應新時代對機器人領域人才的需求，許多高校開設了機器人相關專業課程，并不斷積極改革，從發展定位、人才培養到教學體系等方面全面提升教育教學水平［3］。同時，為主動適應新興技術創新和產業變革的挑戰，教育部于2016年首次提出了新工科的概念，以培養適應新時代背景下需求的專業技術人才。隨后，教育部于2018年進一步探索了新工科建設的新模式和新理念，并認可了首批新工科研究和實踐項目，于2019年成立了全國新工科教育創新中心［4］，也有諸多高校針對新工科背景下本科機器人教學開展了教育教學探索［5-7］。

一、新工科背景下“智能機器人技術”課程特點

機器人相關專業課程的教學質量直接影響到我國先進制造產業和未來人工智能產業的人才水平，因此，準確把握課程特點和改革趨勢是提升教學質量的關鍵所在。筆者根據多年從事國內外高等學校機器人課程的教學經驗，總結了“智能機器人技術”的課程特點，分析了改革的必要性。

（一）多學科交叉的特點

“智能機器人技術”課程作為機器人專業的本科必修課程，融合了“高等數學”“線性代數”“理論力學”“自動控制原理”“傳感器原理”“人工智能”等多門課程的知識，旨在為機器人專業的本科生普及機器人系統整體概念，同時夯實基礎知識，使學生能夠對機器人系統進行數學建模、運動規劃及控制系統設計，課程內容繁多且難度較大。這一多學科交叉的特點使得很多本科生在初學階段容易迷失方向，無法站在全局高度理解智能機器人整體系統，或無法聯系各類相關課程知識。因此，必須充分認識到課程多學科交叉的特點，才能深入改革教學理念。

（二）理論與實際相結合的特點

由于本科階段的學生剛修完“高等數學”“線性代數”等理論性較強、抽象性較高的課程，心態還停留在應試解題的階段，無法理解“智能機器人技術”課程中諸多概念及方法的本質目的，導致學生容易停留在公式的具體細節而無法透徹理解公式背后的意義，往往僅能死記硬背公式并解答套路固定的問題。同時，傳統的教學內容易拘泥于對數學基礎知識的講授，使學生在面對實際的機器人時無從下手，無法準確應用所學知識解決實際問題。因此，準確認識到課程理論與實際相結合的特點，才能有效改進教學內容。

（三）鼓勵創新思維發展的特點

相較于諸如“高等數學”“線性代數”等基礎課程每道題目都有固定的解題思路與正確答案，機器人作為復雜的智能系統，在解決同一問題時則有多種思路。例如，為使一輛平面移動機器人能夠更加快速地避開障礙物到達終點，可通過添加傳感器獲得額外環境信息，或優化導航尋路算法，或重新設計機器人的移動關節，進而更加快速地駛向終點，這都是可行的策略。對此，課程要鼓勵學生進行創新設計，大膽提出想法假設并小心論證實踐。切實認識到課程鼓勵創新思維發展的特點，才能有效改進教學策略。

二、新工科背景下“智能機器人技術”教學分析與改革

如上所述，新工科背景下“智能機器人技術”課程相較傳統工科機器人課程存在諸多特點，因此傳統的教學理念、教學內容、教學策略已然不再適用，“智能機器人技術”教學亟須改革。基于這些考慮，本文將從上述三個方面進行分析，研究新背景、新要求下的教學方法，并提出相應的改革措施，以提高課堂教學質量，更好地培養學生的理論學習和實踐應用能力，為我國培育新工科人才。

（一）教學理念的改革與創新

1.面向新工科的教學架構轉換。“智能機器人技術”是機器人相關專業學生的本科必修課程，也是后續機器人相關課程的重要基礎課程。然而，傳統的機器人課程始終將機器人系統的理論框架和知識體系作為授課的重點，力求從嚴謹的推導中構建完備的知識內容，對于課程習題也更講究解題的邏輯性與技巧性。這就導致學生在面對難度較大的課程內容時，容易陷入消極被動的狀態，放棄對知識內容的理解，最終將精力放在解題技巧的掌握上從而應付考試。

在新工科背景下需要轉變思路，以解決實際問題為導向。首先向學生闡述問題背景及解決其的意義，然后從理論層面推導所需數學物理公式，最后輔以實際例題讓學生理解并掌握方法。例如，在教授使用旋量理論求解串聯機械臂的正向運動學時，如果拘泥于理論本身，學生極易失去興趣或者陷入對數學公式的理解中。因此，可以先把基于旋量的正向運動學公式當作“黑盒”，讓學生知道輸入是機器人各關節角，輸出便是所需求的機器人末端位形，由此讓學生理解公式的意義及用途；然后再進一步推導公式，側重解釋數學概念；最后通過工業機械臂的實際例題，讓學生充分理解。如此轉變教學架構，在教授好課程理論基礎的前提下提升學生應用課程知識解決處理工程問題的實際能力，實現提高學生理解課程知識、用好課程知識的目的。

2.立足多學科交叉的教學方案設計。“智能機器人技術”課程涉及了多門課程知識，涵蓋了各領域相關概念，具有很強的學科交叉特點。傳統教學方案通常在課程前半段統一進行關聯學科的知識回顧，力求形成結構順暢的教學方案。然而這種教學方案往往會讓學生失去興趣或者把握不住課程的主要內容，最終降低了課程整體學習興趣與學習效率。

以新工科人才培養為導向的創新教學方法，需要以機器人知識為主要脈絡串通整個教學方案，同時在涉及交叉關聯學科時加以溫習回顧，并且聯系運用到所講機器人知識體系中，使教學更加層次分明，突出重點，保證學生的學習興趣與效率。以中山大學智能工程學院為例，學院致力于培養新工科人才，在智能科學與技術本科培養方案中有“高等數學”“線性代數”“理論力學”“自動控制原理”“傳感器原理”“人工智能”“機器學習”等核心課程，其中一些課程是本門課程的基礎，而“機器人導航與制導”“多智能體集群控制”等課程又是在本門課程基礎上的延伸和對前沿的探討。因此，筆者在設計“智能機器人技術”課程教學方案時，以機器人相關知識點為主線進行講解，在講授涉及其他學科的知識時，從背后的數學理論知識出發，帶領學生從數學基礎與所學機器人專業知識的內在聯系入手，明確目標知識點，鞏固基礎理論，最后輔以案例分析，強化理解認知。例如，對剛體運動的建模，先利用常見的四旋翼飛行器為例引出剛體位置和姿態的意義，接著運用齊次變換矩陣表示位置和姿態，此時可適當回顧“線性代數”的相關知識點，便于學生理解數學推導的理論基礎；對于以Chasles-Mozzi定理表述的剛體運動，涉及矩陣指數的泰勒展開，此時再適當回顧“高等數學”將事半功倍。

（二）教學內容的改革與創新

1.以實際應用為導向的教學內容。作為機器人專業本科核心課程，“智能機器人技術”的教學一直都以課程學習作為教學引入理由，這樣的教學缺乏學習動機的介紹與相關理論知識的應用背景，學生難免對學習的目的產生困惑，從而失去興趣，產生應付作業、應付考試的想法。

筆者認為，在安排教學內容時，應結合本專業培養目標與課程特點及自身科研經驗，對授課內容進行適當補充，穿插一些實際應用案例作為例題及大作業習題，解決學生對學習的目的與意義方面的困惑。這樣學生將有對課程內容理解上的過渡，更容易對教學內容產生興趣，也可以帶著問題學習，提高聽課效率。例如，在講解串聯機械臂逆運動學時，筆者以Universal Robot UR5工業機械臂為案例，讓學生為規劃好的末端執行器位形求解逆運動學，并通過觀察實際機器人運動，深刻理解逆運動學的目的及準確求解其的意義。

2.差異化定制的教學內容。由于本科階段的學生剛修完“高等數學”“線性代數”等理論性較強、抽象性較高的課程，心態還停留在應試解題的階段，對于理解“智能機器人技術”課程中諸多概念及方法的本質目的存在一定困難，學生容易停留在公式的具體細節而無法透徹理解公式背后的意義，往往僅能死記硬背公式并解答套路固定的問題。同時，學生本身的數理學科基礎、對機器人方向的感興趣程度、學習熱情及效率等存在較大差異，如果以統一的教學內容，則難以平衡課堂教學難度及教學質量。

結合新工科人才培養導向，需要合理優化并定制差異化的教學內容。例如，筆者教授的“智能機器人技術”課程采用了哈爾濱工業大學出版社徐文福編著的《機器人學：基礎理論與應用實踐》及機械工業出版社于靖軍譯著的《現代機器人學：機構、規劃與控制》。結合我院新工科人才培養的理念，筆者對教材內容進行了適當刪減和優化。例如，在教授剛體姿態描述時，選擇著重講解螺旋變換，對于傳統的歐拉角變換作為概念性介紹，避免了教學內容過分聚焦復雜的數學場景，側重了知識點意義本身及應用場景。

（三）教學策略的創新

1.鼓勵創新思維，調動學習興趣。本科生剛修讀完的“高等數學”“線性代數”等基礎課程，針對每道題目都有固定的解題思路與正確答案，而機器人作為復雜的智能系統，在解決同一問題時有著千變萬化的思路，如此時再要求學生都有固定的思路則可能扼殺學生的學習熱情，降低學習效果，因此，需要鼓勵學生創新思維，激發學習興趣。例如，在講授路徑規劃時，需要使一輛平面移動機器人能夠更加快速地避開障礙物到達終點。筆者收到了學生多種多樣的解決方案，有的學生通過額外添加更加先進的傳感器獲得額外環境信息進行導航，有的學生優化了導航尋路算法，有的學生重新設計了機器人的移動關節，這些都是可行的策略，教師應對每種方法表示肯定，同時討論優化完善相應策略。如此鼓勵學生進行創新設計，大膽提出想法假設并小心論證實踐，才能充分調動學生的學習興趣，提高教學質量。

2.打破常規授課，賦予學生主動。在“智能機器人技術”的教學中，通常會以課上教師授課、課下學生鞏固練習的方式進行，而對于課下鞏固練習則以課后作業為主。這就依賴于學生對于授課內容的自主學習。如果只是單純上課聽講，課下不勤加練習的話，很難做到知識的完全掌握。同時，除了課上的講解外，還可加強課堂互動。以常見的定理講解來說，在教師完成理論推導的基礎上，可請學生簡單說明自己的見解，幫助厘清證明思路，也可站在學生的角度看學生是如何理解這些內容的，這樣也能在后續的內容中更好地幫助學生理解。同時，筆者設計了以3人為小組的課程作業，給予多個開放性題目，讓學生自行探索問題，提出創新解決方案，完成算法設計、仿真或實物驗證，并在課堂上展示匯報，同時相互提問，挖掘項目未來可行之路。這樣的設計能夠極大提高學生的學習熱情與興趣，在完成課程作業的同時獲得成就感。

三、教學改革成效分析

筆者擔任中山大學智能工程學院本科生必修課程“智能機器人技術”的負責人已有3年，以學院2020級、2021級及2022級智能科學與技術專業本科生為例，筆者將本文提出的教學改革方法在課堂應用實踐后，對學生的學習熱情、學習成果等方面均產生了顯著影響，期末成績優秀學生占比分別為22%、25%、27%，不及格學生占比分別為5.5%、5.2%、4.8%。同時，上述新工科人才培養導向的“智能機器人技術”創新教學方法，使得本科生對機器人領域興趣倍增，與機器人相關的大學生創新創業項目和畢業設計項目數量逐年增多。由此可得出結論，本文提出的新方法有效提高了學生的學習興趣與學習成績，激發了學生參與機器人相關領域研究的積極性與主動性。

結語

為主動應對新一輪科技革命和產業變革，支撐服務創新驅動發展、“中國制造2025”等一系列國家戰略，都凸顯出新工科發展的重要性。“智能機器人技術”的課程設計需要考慮學生未來培養方案，以未來職業規劃為導向制定，為未來新興產業和新經濟培養實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才。鑒于新工科背景下“智能機器人技術”的課程特點，教學理念、教學內容、教學策略等方面的教學方式改革已經成為重點任務。然而，創新的教學方法不能一蹴而就，需要結合教學實踐一步步探索，不斷追求進步。

參考文獻

［1］《求是》雜志發表習近平總書記重要文章 不斷做強做優做大我國數字經濟［N］.人民日報，2022-01-16（1）.

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［3］機器人工程：自動化的終極理想［EB/OL］.（2021-05-31）［2023-07-29］．http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/xw_zt/moe_357/2021/2021_zt12/tujie/202105/t20210531_534461.html．

［4］姜曉坤，朱泓，李志義.新工科人才培養新模式［J］.高教發展與評估，2018，34（2）：17-24+103.

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［6］韓振華，魏群，李文娟，等.新工科背景下融入虛擬仿真的機器人實踐類課程的創新教學探索［J］.南方農機，2023，54（14）：159-162+165.

［7］段晉軍，朱瑤麗，趙錚，等.基于項目式教學的機器人工程專業教學改革探索與實踐［J］.工業和信息化教育，2023（5）：36-40.

Innovative Teaching Method Exploration for Intelligent Robot Technology under the Background of Emerging Engineering Education

LI Meng-tang1， TAN Jia2

（1. School of Intelligent Systems Engineering， Sun Yat-sen University， Shenzhen， Guangdong 518107，

China; 2. DJI-Innovations， Shenzhen， Guangdong 518055， China）

Abstract： Intelligent Robot Technology is a key development direction in China’s “14th Five-Year Plan” for intelligent manufacturing， and an important training direction in the context of the development of new engineering higher education in China. As a compulsory course for undergraduate students majoring in robotics， the course of Intelligent Robot Technology integrates knowledge from multiple courses. The course content is challenging， which makes the traditional teaching methods out of touch with the requirements of new engineering talent cultivation. This article deeply analyzes the problems from three aspects： teaching philosophy， teaching content， and teaching strategies， and proposes teaching methods guided by the cultivation of new engineering talents in order to promote students’ study interest and to stimulate their enthusiasm to participate in research in the field of robotics.

Key words： intelligent robots; emerging engineering education; teaching reform; talent cultivation