以工程實(shí)踐和能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的“移動機(jī)器人學(xué)”課程教學(xué)改革研究

摘""要：作為一類典型的機(jī)器人類型，移動機(jī)器人是集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)，可以有效擴(kuò)展移動機(jī)器人的應(yīng)用范圍，其發(fā)展得到世界各國的重視和關(guān)注。“移動機(jī)器人學(xué)”課程是機(jī)器人工程專業(yè)一門重要的核心課程，傳統(tǒng)的教學(xué)方式以教師課堂講授為主，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，不利于在新工科建設(shè)背景下培養(yǎng)。本文以“移動機(jī)器人學(xué)”課程改革為目標(biāo)，秉承以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，采用課堂學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐結(jié)合的教學(xué)模式，從符合機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的多學(xué)科交叉項(xiàng)目出發(fā)，“自頂而下”設(shè)計課程內(nèi)容，優(yōu)化考核方法，并對復(fù)雜工程問題分層次進(jìn)行研究，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和積極溝通的創(chuàng)新能力，使學(xué)生充分了解移動機(jī)器人的發(fā)展方向與應(yīng)用前景，樹立專業(yè)信心，激發(fā)學(xué)習(xí)動力。

關(guān)鍵詞：移動機(jī)器人學(xué)；工程實(shí)踐；能力培養(yǎng)；教學(xué)改革

一、概述

工業(yè)和信息化部等十五部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，提出到2025年將我國打造成為全球機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新策源地、高端制造集聚地和集成應(yīng)用新高地[1]。機(jī)器人技術(shù)被稱為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，是改善人類生活方式的重要切入點(diǎn)，在現(xiàn)代國民經(jīng)濟(jì)生活中占據(jù)非常重要的地位[2]。作為一種典型的機(jī)器人類型，移動機(jī)器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)，可以有效擴(kuò)展移動機(jī)器人的應(yīng)用范圍，不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，而且在城市安全、國防和空間探索領(lǐng)域中前景廣闊[3]。因此，移動機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展得到世界各國的重視和關(guān)注。

移動機(jī)器人研究領(lǐng)域主要集中在機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計、移動機(jī)器人傳感技術(shù)、導(dǎo)航和定位、路徑規(guī)劃、多信息融合等方面。每一套移動機(jī)器人系統(tǒng)，都是一個知識密集和技術(shù)密集的高科技機(jī)電一體化產(chǎn)品，有必要使學(xué)生通過移動機(jī)器人全方位了解先進(jìn)智能制造領(lǐng)域的發(fā)展前景及發(fā)展趨勢，在潛移默化中對該研究方向有正確的認(rèn)識并產(chǎn)生興趣，調(diào)動學(xué)習(xí)潛力和主動性，發(fā)展自身的特長和才華[4]。“移動機(jī)器人學(xué)”課程建立在機(jī)器人整體架構(gòu)、傳感技術(shù)、地圖構(gòu)建、信息融合等學(xué)科基礎(chǔ)上，從機(jī)器人設(shè)計、控制與路徑規(guī)劃的角度出發(fā)，全方位的開展移動機(jī)器人課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)。然而，由于教學(xué)時間有限，且授課內(nèi)容較多，學(xué)生無法及時將所學(xué)知識融會貫通，實(shí)際操作和應(yīng)用移動機(jī)器人能力有待提高[5]。因此，有必要對“移動機(jī)器人”課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核方式等方面進(jìn)行改革。

針對新工科人才培養(yǎng)要求，圍繞學(xué)生能力提升的理念和宗旨，“移動機(jī)器人”課程改革應(yīng)以學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)為目標(biāo)，通過教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、考核方式重構(gòu)，有效實(shí)現(xiàn)理論教育與工程實(shí)踐教育相結(jié)合，提高學(xué)生對移動機(jī)器人課程學(xué)習(xí)的積極性和主動性，最終發(fā)揮課程在人才培養(yǎng)過程中的實(shí)際效用，增強(qiáng)學(xué)生解決移動機(jī)器人的實(shí)際問題的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，開辟學(xué)生思維創(chuàng)新培養(yǎng)的新途徑[6]。

二、現(xiàn)狀分析

移動機(jī)器人課程是機(jī)器人工程專業(yè)的必修課程，學(xué)生通過鋪墊，已經(jīng)掌握了機(jī)械設(shè)計、自動控制原理、機(jī)器人操作系統(tǒng)等基礎(chǔ)課程內(nèi)容，并通過機(jī)器人概論課程的學(xué)習(xí)對機(jī)器人基本知識有了初步認(rèn)知，可以開展更加深入的移動機(jī)器人課程學(xué)習(xí)。但是，通過教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，發(fā)現(xiàn)仍然存在以下問題：

首先，教學(xué)內(nèi)容理論偏多，缺乏工程實(shí)踐培養(yǎng)。“移動機(jī)器人學(xué)”課程共計72學(xué)時，包含36個理論課時，使學(xué)生有較為充足的時間掌握關(guān)鍵的解析方法和算法概念，能順利完成平時作業(yè)的解答，但無法靈活應(yīng)用到抽象問題和實(shí)際工程問題上[7]。因此，主要問題之一是教學(xué)內(nèi)容理論知識偏多，缺少應(yīng)用于工程實(shí)踐的機(jī)會和案例，無法將教學(xué)和實(shí)踐兩者緊密結(jié)合。

其次，教學(xué)以講解和傳授為主，學(xué)生主動學(xué)習(xí)受限。本課程包括：移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳感器、路徑規(guī)劃、地圖構(gòu)建等模塊，各章節(jié)之間聯(lián)系較為緊密，但個別章節(jié)存在難度大、算法難以及時理解等問題，在授課中需要花費(fèi)較多時間，導(dǎo)致教學(xué)層級不夠豐富。課程雖引入的多媒體工具，部分學(xué)生依舊無法及時掌握課堂內(nèi)容[8]。因此，需要創(chuàng)新教學(xué)模式，通過多樣化教學(xué)激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)意識。

最后，課堂教學(xué)后學(xué)生存在實(shí)踐能力不足的問題。課程的考核方式旨在培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，然而目前課程僅讓學(xué)生了解移動機(jī)器人學(xué)的基本架構(gòu)，且部分內(nèi)容割裂，難以應(yīng)用于實(shí)際問題的解決，直接影響教學(xué)目標(biāo)的完成。因此，有必要改變原有的考核方式，將學(xué)生針對工程問題的解決能力放在考核首位，關(guān)注學(xué)生對課堂中知識點(diǎn)的掌握程度和實(shí)際應(yīng)用能力。

三、改革流程

以工程實(shí)踐和能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的學(xué)生培養(yǎng)方式強(qiáng)調(diào)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和考核方式的設(shè)計需要以學(xué)生為中心，以本為本，因此改革流程遵循以下原則，突出學(xué)生的能力培養(yǎng)，如下圖所示。

工程實(shí)踐和能力培養(yǎng)改革體系圖

（一）設(shè)計應(yīng)用案例，改革教學(xué)內(nèi)容

原教學(xué)內(nèi)容以講解和傳授為主，理論知識偏多，缺少與工程實(shí)踐相關(guān)的內(nèi)容。教學(xué)內(nèi)容改革以培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力為目標(biāo)，通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，引入實(shí)際工程案例，形成案例庫，培養(yǎng)并提高學(xué)生查閱、調(diào)查、收集、加工各種信息的能力和獲取移動機(jī)器人相關(guān)新知識的創(chuàng)新能力。此外，邀請企業(yè)工程師開展課堂培訓(xùn)，幫助學(xué)生了解當(dāng)前最新的移動機(jī)器人相關(guān)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

（二）突出教學(xué)重心，改革教學(xué)模式

以本為本，改革課程的教學(xué)模式。在課堂討論中引入啟發(fā)式教學(xué)方法，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中主動參與、樂于探究、勤于動手，提升學(xué)生的積極性和主動性。通過翻轉(zhuǎn)課堂和分組學(xué)習(xí)，引入課程匯報環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生資料查閱、團(tuán)隊意識及分析和解決問題的能力。結(jié)合機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS），科學(xué)設(shè)計隨堂實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生利用ROS、MATLAB等相關(guān)軟件邊學(xué)邊用，活學(xué)活用，最大限度的提升學(xué)習(xí)興趣，理解和掌握課堂內(nèi)容。

（三）優(yōu)化目標(biāo)導(dǎo)向，改革考核方式

課程考核方式以平時作業(yè)和課程論文為主，實(shí)施過程中學(xué)生存在應(yīng)付、內(nèi)容相似度高等現(xiàn)象，因此課堂結(jié)束后，部分學(xué)生仍不能利用課程內(nèi)容解決實(shí)際問題。針對這一問題，考核方式改革過程中以解決實(shí)際工程問題為導(dǎo)向，將實(shí)驗(yàn)設(shè)計、翻轉(zhuǎn)課堂、課堂討論、軟件操作等環(huán)節(jié)納入課程考核體系，梳理各環(huán)節(jié)之間的關(guān)系及任務(wù)，實(shí)現(xiàn)所學(xué)知識的掌握與應(yīng)用。此外，組織和引導(dǎo)學(xué)生參加機(jī)器人相關(guān)比賽，培養(yǎng)學(xué)生自由探索的開拓性思維，將比賽參與度納入在學(xué)生考核評價體系中，形成以項(xiàng)目為目標(biāo)導(dǎo)向的考核評價體系[9]。

四、教學(xué)方法改革措施

針對新工科課程建設(shè)要求的新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系，圍繞學(xué)生能力提升的理念和宗旨，以學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)為目標(biāo)，結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和機(jī)器人企業(yè)人才需求，開展“移動機(jī)器人學(xué)”課程教學(xué)改革。通過教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、考核方式重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)理論教育與工程實(shí)踐教育的有機(jī)融合[10]。

（一）教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)及教學(xué)資源建設(shè)

針對課程中理論性相對較強(qiáng)的章節(jié)采取教授方式，包括：移動機(jī)器人概述、移動機(jī)器人建模、傳感器技術(shù)、路徑規(guī)劃算法、地圖構(gòu)建等，循序漸進(jìn)，深入淺出的完成內(nèi)容傳授。課程內(nèi)容講解過程中逐步結(jié)合最前沿的機(jī)器人和無人駕駛技術(shù)，包括相關(guān)視頻、圖像、動畫等多媒體教學(xué)手段，使學(xué)生更形象地掌握相關(guān)知識。在介紹移動機(jī)器人發(fā)展歷史和現(xiàn)狀時，以國內(nèi)外著名公司產(chǎn)品和高校科研成果為案例，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情。

通過企業(yè)合作，邀請移動機(jī)器人相關(guān)企業(yè)工程師為學(xué)生展開2次課程內(nèi)容的專業(yè)培訓(xùn)，"使學(xué)生將所學(xué)知識與工程背景相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。通過該環(huán)節(jié)設(shè)置，學(xué)生可以掌握移動機(jī)器人路徑規(guī)劃、傳感器發(fā)展等成果的實(shí)現(xiàn)過程，既需要利用專業(yè)知識和高端技術(shù)，同時也需要經(jīng)過數(shù)年的不斷調(diào)試與改進(jìn)，保持學(xué)生不斷努力學(xué)習(xí)和勇于創(chuàng)新的精神。

（二）以實(shí)際工程問題導(dǎo)向的教學(xué)模式優(yōu)化

在關(guān)于移動機(jī)器人操作系統(tǒng)、傳感器應(yīng)用、導(dǎo)航規(guī)劃應(yīng)用的課程中，以工程實(shí)踐需求為背景，設(shè)計開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采取小組分工模式，以課堂討論和翻轉(zhuǎn)課堂的形式讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，更加牢固的掌握知識。具體包括：要求小組選擇不同底盤和傳感器類型的移動機(jī)器人，以實(shí)際工作環(huán)境為基礎(chǔ)構(gòu)建地圖，在ROS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制與路徑規(guī)劃，使學(xué)生都可以參與到工程問題中；利用翻轉(zhuǎn)課堂，促進(jìn)學(xué)生交流和成果展示，鍛煉學(xué)生高效獲取信息、專業(yè)交流的能力，安排提問和點(diǎn)評環(huán)節(jié)，增加師生互動，加深對知識點(diǎn)的理解，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的有效性；通過在班級群中發(fā)布機(jī)器人比賽信息和課堂中播放機(jī)器人比賽視頻，提升學(xué)生對比賽的興趣，課后進(jìn)行機(jī)器人大賽專項(xiàng)培訓(xùn)，引導(dǎo)感興趣的學(xué)生自由組隊，通過構(gòu)思、設(shè)計和制作，針對一個或多個機(jī)器人工程任務(wù)，開展目的明確的實(shí)驗(yàn)研究，包括場景搭建和系統(tǒng)測試，動手實(shí)現(xiàn)驅(qū)動、控制及調(diào)試工作，培養(yǎng)學(xué)生自由探索的開拓性思維與團(tuán)結(jié)合作的能力。引導(dǎo)學(xué)生參加比賽，學(xué)生與指導(dǎo)教師及時溝通，論證方案的可行性，爭取獲獎[11]。

（三）考核形式創(chuàng)新與評價體系構(gòu)建

傳統(tǒng)考核方式普遍存在創(chuàng)新能力不足的情況，新工科建設(shè)背景下要求課程教學(xué)以學(xué)生學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，轉(zhuǎn)變培養(yǎng)理念，注重學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)產(chǎn)出，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、主動實(shí)踐，啟發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。因此，有必要對考核形式進(jìn)行優(yōu)化，改變傳統(tǒng)的以課程考試為核心的評價體系。具體包括：課程開始前先提出問題，要求學(xué)生提前查閱和分析目前領(lǐng)域內(nèi)比較前沿的文獻(xiàn)，課堂中對其進(jìn)行深入討論，培養(yǎng)用專業(yè)方法準(zhǔn)確描述移動機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)建、環(huán)境感知和自主移動的能力。合理規(guī)劃課后作業(yè)，設(shè)計科學(xué)的平時作業(yè)題目，使學(xué)生能夠及時利用課堂中所學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行機(jī)器人路徑規(guī)劃算法編程實(shí)踐，同時培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)的書面表達(dá)能力。結(jié)合實(shí)際工程問題，依托機(jī)器人操作系統(tǒng)，開展機(jī)器人建模、地圖構(gòu)建、路徑規(guī)劃等仿真實(shí)驗(yàn)研究，鞏固理論知識。學(xué)期課程結(jié)束后，考試以報告形式進(jìn)行，結(jié)合實(shí)際工程問題，報告主題擬定為“以深圳大學(xué)局部地圖為基礎(chǔ)的移動機(jī)器人路徑規(guī)劃研究”，要求學(xué)生根據(jù)自己的興趣，自主命題，自由選取環(huán)境地圖和移動機(jī)器人，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，完成本課程的全部教學(xué)任務(wù)。

結(jié)論

本文以工程實(shí)踐和能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的“移動機(jī)器人學(xué)”課程教學(xué)改革為目標(biāo)，堅持以本為本，以學(xué)生為中心，教學(xué)方案設(shè)計、教學(xué)內(nèi)容更新、考核方法優(yōu)化等教育改革契合國家新工科建設(shè)政策導(dǎo)向，有力推動學(xué)校工科建設(shè)，增強(qiáng)學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問題的能力，為培養(yǎng)機(jī)器人工程專業(yè)發(fā)展所需的人才奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)，為推動機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了積極地推進(jìn)作用。

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基金項(xiàng)目：深圳大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目（JG2023087）；廣東省教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2021480）

作者簡介：李輝（1987—""），男，漢族，廣東廣州人，博士，副教授，研究方向：智能制造、柔性電子、機(jī)器人。