“ROS機(jī)器人程序設(shè)計(jì)”課程理實(shí)一體化教學(xué)方法研究

摘 要：“ROS機(jī)器人程序設(shè)計(jì)”課程是機(jī)器人工程專業(yè)的核心課程，針對(duì)本課程的特點(diǎn)，探索實(shí)踐教學(xué)的改革與創(chuàng)新。本文提出了理實(shí)一體化教學(xué)模式，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，充分發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體地位。在教學(xué)過程中采用多元化教學(xué)方式，任務(wù)驅(qū)動(dòng)法激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性和合作性，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行自主探索和創(chuàng)新；通過虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法豐富實(shí)踐場(chǎng)景，擴(kuò)展了機(jī)器人開發(fā)應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)，健全教學(xué)考核方式，重點(diǎn)關(guān)注對(duì)學(xué)生的過程性考核和綜合實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：ROS；理實(shí)一體化；任務(wù)驅(qū)動(dòng)；虛實(shí)結(jié)合；課程評(píng)價(jià)

機(jī)器人是全球重點(diǎn)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)之一，機(jī)器人技術(shù)作為國(guó)家科技實(shí)力與高端制造業(yè)水平的核心體現(xiàn)，其發(fā)展程度已成為衡量國(guó)家創(chuàng)新能力的關(guān)鍵指標(biāo)［1］。根據(jù)《中國(guó)機(jī)器人技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告（2023年）》［2］的最新研究，我國(guó)在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)顯著突破，創(chuàng)新成果豐碩，產(chǎn)業(yè)升級(jí)態(tài)勢(shì)明顯，未來發(fā)展趨勢(shì)將聚焦于技術(shù)融合、智能升級(jí)、高端突破及生態(tài)體系完善等維度。在提升研發(fā)效率方面，2007年由斯坦福大學(xué)聯(lián)合機(jī)器人公司推出的開源機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）具有里程碑意義。該系統(tǒng)針對(duì)機(jī)器人軟件開發(fā)需求，集成了大量標(biāo)準(zhǔn)化程序庫和開發(fā)工具，為全球開發(fā)者構(gòu)建機(jī)器人應(yīng)用提供了高效平臺(tái)支持。

南陽理工學(xué)院經(jīng)教育部正式批準(zhǔn)于2020年增設(shè)機(jī)器人工程專業(yè)，并隨即啟動(dòng)了首屆學(xué)生的招生工作。2022年針對(duì)機(jī)器人工程專業(yè)開設(shè)了“ROS機(jī)器人程序設(shè)計(jì)”專業(yè)課程，課程32學(xué)時(shí)，為理論實(shí)踐一體化課程。本課程針對(duì)機(jī)器人工程專業(yè)大三學(xué)生進(jìn)行教學(xué)，設(shè)置了基本理論的學(xué)習(xí)，并且加強(qiáng)了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，注重應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，使學(xué)生能夠掌握一定基于ROS的機(jī)器人相關(guān)應(yīng)用開發(fā)技能。

1 理實(shí)一體化教學(xué)

理實(shí)一體化教學(xué)在本科教育中被廣泛應(yīng)用，它巧妙融合了理論教學(xué)與實(shí)踐訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了兩者的無縫對(duì)接與相互滲透。這種教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)在理論學(xué)習(xí)中融入實(shí)踐元素，同時(shí)在實(shí)踐操作中深化理論知識(shí)，促進(jìn)了學(xué)習(xí)效率與質(zhì)量的雙重提升。“ROS機(jī)器人程序設(shè)計(jì)”課程特性要求學(xué)生通過實(shí)踐累積經(jīng)驗(yàn)、自學(xué)知識(shí)，從而顛覆了傳統(tǒng)教學(xué)中教師的單向講授模式，確立了教師引導(dǎo)、學(xué)生主動(dòng)參與的互動(dòng)式教學(xué)。此模式強(qiáng)調(diào)學(xué)生在學(xué)習(xí)中的核心地位，激發(fā)學(xué)生積極性，將學(xué)習(xí)過程作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，重視動(dòng)手能力培養(yǎng)，提升學(xué)生的課堂參與度，旨在培育高素質(zhì)專業(yè)人才。

實(shí)施理實(shí)一體化教學(xué)，關(guān)鍵在于精準(zhǔn)掌控三大核心環(huán)節(jié)。

1.1 選擇理實(shí)一體化校本教材

構(gòu)建理實(shí)一體化教學(xué)體系，關(guān)鍵在于精選一本融合理論與實(shí)踐的校本教材。此教材需要著重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能，確保理論知識(shí)簡(jiǎn)明扼要，直接服務(wù)于實(shí)踐操作需求。“ROS機(jī)器人程序設(shè)計(jì)”課程選用的教材為胡春旭主編、機(jī)械工業(yè)出版社出版的《ROS機(jī)器人開發(fā)實(shí)踐》［3］，此教材既有ROS整體框架和設(shè)計(jì)原理等理論知識(shí)，又講解大量機(jī)器視覺、機(jī)械臂控制、SLAM和導(dǎo)航等多方面ROS應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)原理和方法，能夠幫助讀者在實(shí)現(xiàn)ROS基礎(chǔ)功能的同時(shí)深入理解基于ROS的機(jī)器人開發(fā)。

1.2 構(gòu)建理實(shí)一體化教學(xué)場(chǎng)所

理實(shí)一體化教學(xué)模式倡導(dǎo)在同一空間內(nèi)、同一時(shí)段中，同步達(dá)成多項(xiàng)教學(xué)任務(wù)，這就要求配備契合專業(yè)特色且與教學(xué)規(guī)模相匹配的硬件設(shè)施，同時(shí)營(yíng)造出適宜的學(xué)習(xí)環(huán)境。理實(shí)一體化教學(xué)旨在將書本中的抽象理論知識(shí)與實(shí)踐操作技能緊密聯(lián)結(jié)，將原本分隔的理論知識(shí)教室、技能練習(xí)室整合為理實(shí)一體化的教學(xué)空間，有效避免了教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐操作的重復(fù)脫節(jié)，促進(jìn)了知識(shí)的綜合應(yīng)用與技能的深度掌握。“ROS機(jī)器人程序設(shè)計(jì)”課程將授課地點(diǎn)設(shè)為ROS智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，此實(shí)驗(yàn)室分為兩部分：授課區(qū)域與實(shí)踐操作區(qū)域，具體分布如圖1所示。授課區(qū)域主要進(jìn)行理論知識(shí)的講解、仿真操作演示以及任務(wù)下達(dá)；實(shí)踐操作區(qū)域放置20輛ROS智能移動(dòng)機(jī)器人，主要進(jìn)行搭建操作環(huán)境以及實(shí)操成果展示。

1.3 構(gòu)建理實(shí)一體化教學(xué)內(nèi)容

基于理實(shí)一體化教學(xué)方法的“ROS機(jī)器人程序設(shè)計(jì)”課程教學(xué)內(nèi)容如表1所示。

從數(shù)據(jù)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，純理論課時(shí)僅安排2課時(shí)，理實(shí)一體化課時(shí)卻多達(dá)30課時(shí)，這有力保障了理實(shí)一體化教學(xué)模式的有效落地。在理論課程教學(xué)中，我們采用智慧教學(xué)工具構(gòu)建了“預(yù)習(xí)—授課—反饋”的閉環(huán)學(xué)習(xí)體系。課前通過平臺(tái)推送多媒體預(yù)習(xí)材料，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)；課堂教學(xué)環(huán)節(jié)則采用精講模式，重點(diǎn)突破知識(shí)難點(diǎn)，并配合即時(shí)測(cè)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。這種全流程數(shù)字化教學(xué)模式顯著提升了課堂互動(dòng)性，既培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，又優(yōu)化了教學(xué)效率。

理實(shí)一體化課程采用“四階遞進(jìn)”教學(xué)設(shè)計(jì)：理論精講、示范演示、實(shí)踐操作和拓展延伸。其中，理論環(huán)節(jié)通過雨課堂實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂策略，有效壓縮講授時(shí)間，為實(shí)踐環(huán)節(jié)預(yù)留充足空間，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)與實(shí)踐技能的無縫銜接。運(yùn)用“精講留白”之法，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考，使學(xué)生積極上手操作與模仿學(xué)習(xí)，增強(qiáng)了課堂實(shí)踐訓(xùn)練的強(qiáng)度。這一流程深刻踐行了“學(xué)中做、做中學(xué)、學(xué)做合一”的教學(xué)思想，顯著提升了教學(xué)效果，有效避免了內(nèi)容的冗余與重復(fù)。

2 多元化教學(xué)方式

傳統(tǒng)教學(xué)方式往往顯得單調(diào)乏味，過分強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)的鞏固，卻難以有效激發(fā)學(xué)生的積極性。因此，推行多元化教學(xué)策略，充分利用理實(shí)一體化教學(xué)的優(yōu)勢(shì)顯得尤為重要。針對(duì)不同知識(shí)點(diǎn)，靈活采用多樣化的教學(xué)形式，減少單一的灌輸式教學(xué)，轉(zhuǎn)而鼓勵(lì)學(xué)生自主思考，以此提升教學(xué)效果。

2.1 講授法

講授法是教師最為常用的一種教學(xué)方法。比如，在講授ROS概念、發(fā)展以及架構(gòu)設(shè)計(jì)這部分時(shí)，我們采用了講授法，教師在講課時(shí)主要利用PPT課件輔助授課。

2.2 直觀演示法

教師在課堂上運(yùn)用視頻演示或直接動(dòng)手操作的方式，直觀展示操作步驟，幫助學(xué)生認(rèn)知具體方法。比如，在進(jìn)行機(jī)器人建模、gazebo仿真、SLAM建圖與導(dǎo)航時(shí)，教師通過演示法向?qū)W生講授操作步驟、實(shí)現(xiàn)過程并進(jìn)行視頻錄制，使學(xué)生可以在課下反復(fù)觀看。直觀演示成果如圖2所示。

2.3 任務(wù)驅(qū)動(dòng)法

任務(wù)驅(qū)動(dòng)法圍繞課程目標(biāo)和內(nèi)容設(shè)定合理任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索與思考，提升獨(dú)立實(shí)踐與自學(xué)能力，其優(yōu)勢(shì)在于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，減少學(xué)生在課堂上的消極狀態(tài)［4］。

根據(jù)“ROS機(jī)器人程序設(shè)計(jì)”課程教學(xué)的主要內(nèi)容，以富有吸引力的實(shí)際工程任務(wù)為切入點(diǎn)［5］，展示真實(shí)工程場(chǎng)景亟待解決的難題，清晰設(shè)定每次課的學(xué)習(xí)目標(biāo)，確保學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)路徑有清晰認(rèn)識(shí)。本課程內(nèi)容對(duì)應(yīng)的教學(xué)任務(wù)如表2所示，每部分內(nèi)容對(duì)應(yīng)多個(gè)教學(xué)任務(wù)，保證每次課都能完成一個(gè)教學(xué)任務(wù)。

2.4 虛實(shí)結(jié)合

為解決課程實(shí)踐場(chǎng)景單一化問題，課題組在ROS基礎(chǔ)、機(jī)器人建模與仿真、機(jī)器人視覺、機(jī)器人SLAM與導(dǎo)航及機(jī)械臂控制五大教學(xué)模塊中創(chuàng)新性地采用“虛實(shí)并行”教學(xué)模式。該模式能夠同步開展仿真與實(shí)物教學(xué)，既緩解了硬件設(shè)備不足的困境，又能確保教學(xué)環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)化與穩(wěn)定性。仿真技術(shù)的應(yīng)用不僅簡(jiǎn)化了多場(chǎng)景配置流程，還支持實(shí)驗(yàn)參數(shù)的靈活調(diào)整，為教學(xué)驗(yàn)證提供了便利條件。在ROS機(jī)器人教學(xué)領(lǐng)域，主流仿真工具涵蓋gazebo、WeBots、Ignition和Unity等，其中g(shù)azebo憑借其廣泛適用性成為首選平臺(tái)［6］。

本課程不僅配備浙江海控提供的20套R(shí)OS實(shí)驗(yàn)機(jī)器人，還整合了開源仿真軟件包wpr_simulaion。該軟件包預(yù)置了多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的gazebo仿真環(huán)境，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了豐富的虛擬實(shí)踐平臺(tái)，如表3所示。

本課程選用的浙江海控ROS機(jī)器人如圖3所示，此款機(jī)器人采用Jetson nano和STM32F1雙控制器，搭載MPU6050六軸姿態(tài)傳感器、思嵐A1雷達(dá)、奧比中光Astra Pro Plus體感深度相機(jī)、麥克風(fēng)陣列等硬件，可完整支持三維視覺處理、SLAM建圖、自主導(dǎo)航、動(dòng)態(tài)目標(biāo)追蹤、物體識(shí)別及人臉檢測(cè)等核心教學(xué)功能的實(shí)現(xiàn)。gazebo作為本課程選用的仿真工具，不僅提供豐富的預(yù)設(shè)模型庫，還支持用戶自定義建模，能夠靈活配置地形特征、物體布局及光照參數(shù)等環(huán)境要素。此外，該平臺(tái)兼容BLENDER等主流三維建模軟件的模型導(dǎo)入功能，進(jìn)一步增強(qiáng)了仿真環(huán)境的構(gòu)建能力。

3 創(chuàng)新課程教學(xué)考核方式

傳統(tǒng)課程的考核方式主要依賴于期末考試成績(jī)，其占比超過50%，這樣會(huì)導(dǎo)致學(xué)生只重視理論知識(shí)而忽視實(shí)踐應(yīng)用，不利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。“ROS機(jī)器人程序設(shè)計(jì)”課程考核方式為考查，為了體現(xiàn)學(xué)生的實(shí)踐操作能力，課程綜合成績(jī)由平時(shí)成績(jī)、實(shí)踐成績(jī)、綜合實(shí)踐項(xiàng)目考核成績(jī)?nèi)糠纸M成，具體比例見表4。

其中，平時(shí)作業(yè)側(cè)重于ROS及ROS應(yīng)用的理論部分，占比較低；實(shí)踐成績(jī)主要側(cè)重教學(xué)過程中ROS各應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)踐任務(wù)及課內(nèi)任務(wù)成果匯報(bào)演示過程；綜合實(shí)踐項(xiàng)目考核針對(duì)教師發(fā)布任務(wù)，學(xué)生自主進(jìn)行ROS設(shè)計(jì)開發(fā)并形成課程報(bào)告。將理論與實(shí)踐相結(jié)合進(jìn)行多方面考核，最終使學(xué)生能夠?qū)OS設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)用到機(jī)器人工程實(shí)際中，解決機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用問題，從而培養(yǎng)學(xué)生分析解決工程實(shí)際問題的能力和工程設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)復(fù)合型人才。

同時(shí)，在考核過程中，將課程育人目標(biāo)的考核融入課程目標(biāo)的考核環(huán)節(jié)中，具體考核元素主要有學(xué)習(xí)態(tài)度、誠實(shí)守信、精益求精以及擔(dān)當(dāng)履責(zé)等，如表5所示。課程育人目標(biāo)的達(dá)成度評(píng)價(jià)采用間接法，以課程調(diào)查問卷（學(xué)生自評(píng)）的形式進(jìn)行。此外，通過課程調(diào)查問卷能了解學(xué)生對(duì)本門課程的學(xué)習(xí)情況，總結(jié)每堂課的教學(xué)成效，評(píng)估教學(xué)目標(biāo)達(dá)成情況，并據(jù)此規(guī)劃后續(xù)教學(xué)內(nèi)容。

結(jié)語

新工科與“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代背景下，怎樣培養(yǎng)出高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才是各大高等院校面臨的一大挑戰(zhàn)。為了培養(yǎng)機(jī)器人專業(yè)學(xué)生的應(yīng)用開發(fā)技能，針對(duì)“ROS機(jī)器人程序設(shè)計(jì)”課程采用了理實(shí)一體化教學(xué)模式，推行多元化教學(xué)策略，以學(xué)生為主體，培養(yǎng)學(xué)生的理論與實(shí)踐操作能力。本課程采用過程性考核方式，并在考核過程中融入課程育人目標(biāo)考核，結(jié)果證明所有學(xué)生均滿足考核要求，具備ROS機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)能力，較好地達(dá)到了預(yù)定的課程目標(biāo)。

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作者簡(jiǎn)介：褚慧慧（1988— ），女，漢族，山東菏澤人，博士研究生，講師，主要從事ROS機(jī)器人程序設(shè)計(jì)、機(jī)器學(xué)習(xí)等教學(xué)科研工作。