“ROS機器人程序設計”課程理實一體化教學方法研究

摘 要：“ROS機器人程序設計”課程是機器人工程專業(yè)的核心課程，針對本課程的特點，探索實踐教學的改革與創(chuàng)新。本文提出了理實一體化教學模式，將理論與實踐相結合，充分發(fā)揮學生在學習過程中的主體地位。在教學過程中采用多元化教學方式，任務驅動法激發(fā)學生的主動性和合作性，鼓勵學生進行自主探索和創(chuàng)新；通過虛實結合的教學方法豐富實踐場景，擴展了機器人開發(fā)應用場景。同時，健全教學考核方式，重點關注對學生的過程性考核和綜合實踐能力的培養(yǎng)。

關鍵詞：ROS；理實一體化；任務驅動；虛實結合；課程評價

機器人是全球重點技術與產業(yè)之一，機器人技術作為國家科技實力與高端制造業(yè)水平的核心體現，其發(fā)展程度已成為衡量國家創(chuàng)新能力的關鍵指標［1］。根據《中國機器人技術與產業(yè)發(fā)展報告（2023年）》［2］的最新研究，我國在機器人技術領域已實現顯著突破，創(chuàng)新成果豐碩，產業(yè)升級態(tài)勢明顯，未來發(fā)展趨勢將聚焦于技術融合、智能升級、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年由斯坦福大學聯(lián)合機器人公司推出的開源機器人操作系統(tǒng)（ROS）具有里程碑意義。該系統(tǒng)針對機器人軟件開發(fā)需求，集成了大量標準化程序庫和開發(fā)工具，為全球開發(fā)者構建機器人應用提供了高效平臺支持。

南陽理工學院經教育部正式批準于2020年增設機器人工程專業(yè)，并隨即啟動了首屆學生的招生工作。2022年針對機器人工程專業(yè)開設了“ROS機器人程序設計”專業(yè)課程，課程32學時，為理論實踐一體化課程。本課程針對機器人工程專業(yè)大三學生進行教學，設置了基本理論的學習，并且加強了實踐教學環(huán)節(jié)，注重應用型人才的培養(yǎng)，使學生能夠掌握一定基于ROS的機器人相關應用開發(fā)技能。

1 理實一體化教學

理實一體化教學在本科教育中被廣泛應用，它巧妙融合了理論教學與實踐訓練，實現了兩者的無縫對接與相互滲透。這種教學模式強調在理論學習中融入實踐元素，同時在實踐操作中深化理論知識，促進了學習效率與質量的雙重提升。“ROS機器人程序設計”課程特性要求學生通過實踐累積經驗、自學知識，從而顛覆了傳統(tǒng)教學中教師的單向講授模式，確立了教師引導、學生主動參與的互動式教學。此模式強調學生在學習中的核心地位，激發(fā)學生積極性，將學習過程作為評價標準，重視動手能力培養(yǎng)，提升學生的課堂參與度，旨在培育高素質專業(yè)人才。

實施理實一體化教學，關鍵在于精準掌控三大核心環(huán)節(jié)。

1.1 選擇理實一體化校本教材

構建理實一體化教學體系，關鍵在于精選一本融合理論與實踐的校本教材。此教材需要著重培養(yǎng)學生的實踐技能，確保理論知識簡明扼要，直接服務于實踐操作需求。“ROS機器人程序設計”課程選用的教材為胡春旭主編、機械工業(yè)出版社出版的《ROS機器人開發(fā)實踐》［3］，此教材既有ROS整體框架和設計原理等理論知識，又講解大量機器視覺、機械臂控制、SLAM和導航等多方面ROS應用的實現原理和方法，能夠幫助讀者在實現ROS基礎功能的同時深入理解基于ROS的機器人開發(fā)。

1.2 構建理實一體化教學場所

理實一體化教學模式倡導在同一空間內、同一時段中，同步達成多項教學任務，這就要求配備契合專業(yè)特色且與教學規(guī)模相匹配的硬件設施，同時營造出適宜的學習環(huán)境。理實一體化教學旨在將書本中的抽象理論知識與實踐操作技能緊密聯(lián)結，將原本分隔的理論知識教室、技能練習室整合為理實一體化的教學空間，有效避免了教學內容與實踐操作的重復脫節(jié)，促進了知識的綜合應用與技能的深度掌握。“ROS機器人程序設計”課程將授課地點設為ROS智能移動機器人實驗室，此實驗室分為兩部分：授課區(qū)域與實踐操作區(qū)域，具體分布如圖1所示。授課區(qū)域主要進行理論知識的講解、仿真操作演示以及任務下達；實踐操作區(qū)域放置20輛ROS智能移動機器人，主要進行搭建操作環(huán)境以及實操成果展示。

1.3 構建理實一體化教學內容

基于理實一體化教學方法的“ROS機器人程序設計”課程教學內容如表1所示。

從數據對比不難發(fā)現，純理論課時僅安排2課時，理實一體化課時卻多達30課時，這有力保障了理實一體化教學模式的有效落地。在理論課程教學中，我們采用智慧教學工具構建了“預習—授課—反饋”的閉環(huán)學習體系。課前通過平臺推送多媒體預習材料，引導學生自主學習；課堂教學環(huán)節(jié)則采用精講模式，重點突破知識難點，并配合即時測驗，實現教學效果動態(tài)監(jiān)測。這種全流程數字化教學模式顯著提升了課堂互動性，既培養(yǎng)了學生的自主學習能力，又優(yōu)化了教學效率。

理實一體化課程采用“四階遞進”教學設計：理論精講、示范演示、實踐操作和拓展延伸。其中，理論環(huán)節(jié)通過雨課堂實施翻轉課堂策略，有效壓縮講授時間，為實踐環(huán)節(jié)預留充足空間，實現理論知識與實踐技能的無縫銜接。運用“精講留白”之法，激發(fā)學生主動思考，使學生積極上手操作與模仿學習，增強了課堂實踐訓練的強度。這一流程深刻踐行了“學中做、做中學、學做合一”的教學思想，顯著提升了教學效果，有效避免了內容的冗余與重復。

2 多元化教學方式

傳統(tǒng)教學方式往往顯得單調乏味，過分強調理論知識的鞏固，卻難以有效激發(fā)學生的積極性。因此，推行多元化教學策略，充分利用理實一體化教學的優(yōu)勢顯得尤為重要。針對不同知識點，靈活采用多樣化的教學形式，減少單一的灌輸式教學，轉而鼓勵學生自主思考，以此提升教學效果。

2.1 講授法

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

2.2 直觀演示法

教師在課堂上運用視頻演示或直接動手操作的方式，直觀展示操作步驟，幫助學生認知具體方法。比如，在進行機器人建模、gazebo仿真、SLAM建圖與導航時，教師通過演示法向學生講授操作步驟、實現過程并進行視頻錄制，使學生可以在課下反復觀看。直觀演示成果如圖2所示。

2.3 任務驅動法

任務驅動法圍繞課程目標和內容設定合理任務，引導學生主動探索與思考，提升獨立實踐與自學能力，其優(yōu)勢在于激發(fā)學生的學習積極性，減少學生在課堂上的消極狀態(tài)［4］。

根據“ROS機器人程序設計”課程教學的主要內容，以富有吸引力的實際工程任務為切入點［5］，展示真實工程場景亟待解決的難題，清晰設定每次課的學習目標，確保學生對學習路徑有清晰認識。本課程內容對應的教學任務如表2所示，每部分內容對應多個教學任務，保證每次課都能完成一個教學任務。

2.4 虛實結合

為解決課程實踐場景單一化問題，課題組在ROS基礎、機器人建模與仿真、機器人視覺、機器人SLAM與導航及機械臂控制五大教學模塊中創(chuàng)新性地采用“虛實并行”教學模式。該模式能夠同步開展仿真與實物教學，既緩解了硬件設備不足的困境，又能確保教學環(huán)境的標準化與穩(wěn)定性。仿真技術的應用不僅簡化了多場景配置流程，還支持實驗參數的靈活調整，為教學驗證提供了便利條件。在ROS機器人教學領域，主流仿真工具涵蓋gazebo、WeBots、Ignition和Unity等，其中gazebo憑借其廣泛適用性成為首選平臺［6］。

本課程不僅配備浙江海控提供的20套ROS實驗機器人，還整合了開源仿真軟件包wpr_simulaion。該軟件包預置了多個標準化的gazebo仿真環(huán)境，為實驗教學提供了豐富的虛擬實踐平臺，如表3所示。

本課程選用的浙江海控ROS機器人如圖3所示，此款機器人采用Jetson nano和STM32F1雙控制器，搭載MPU6050六軸姿態(tài)傳感器、思嵐A1雷達、奧比中光Astra Pro Plus體感深度相機、麥克風陣列等硬件，可完整支持三維視覺處理、SLAM建圖、自主導航、動態(tài)目標追蹤、物體識別及人臉檢測等核心教學功能的實現。gazebo作為本課程選用的仿真工具，不僅提供豐富的預設模型庫，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等環(huán)境要素。此外，該平臺兼容BLENDER等主流三維建模軟件的模型導入功能，進一步增強了仿真環(huán)境的構建能力。

3 創(chuàng)新課程教學考核方式

傳統(tǒng)課程的考核方式主要依賴于期末考試成績，其占比超過50%，這樣會導致學生只重視理論知識而忽視實踐應用，不利于應用型人才的培養(yǎng)。“ROS機器人程序設計”課程考核方式為考查，為了體現學生的實踐操作能力，課程綜合成績由平時成績、實踐成績、綜合實踐項目考核成績三部分組成，具體比例見表4。

其中，平時作業(yè)側重于ROS及ROS應用的理論部分，占比較低；實踐成績主要側重教學過程中ROS各應用領域的實踐任務及課內任務成果匯報演示過程；綜合實踐項目考核針對教師發(fā)布任務，學生自主進行ROS設計開發(fā)并形成課程報告。將理論與實踐相結合進行多方面考核，最終使學生能夠將ROS設計開發(fā)應用到機器人工程實際中，解決機器人實際應用問題，從而培養(yǎng)學生分析解決工程實際問題的能力和工程設計能力，培養(yǎng)復合型人才。

同時，在考核過程中，將課程育人目標的考核融入課程目標的考核環(huán)節(jié)中，具體考核元素主要有學習態(tài)度、誠實守信、精益求精以及擔當履責等，如表5所示。課程育人目標的達成度評價采用間接法，以課程調查問卷（學生自評）的形式進行。此外，通過課程調查問卷能了解學生對本門課程的學習情況，總結每堂課的教學成效，評估教學目標達成情況，并據此規(guī)劃后續(xù)教學內容。

結語

新工科與“互聯(lián)網+”時代背景下，怎樣培養(yǎng)出高素質的創(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)機器人專業(yè)學生的應用開發(fā)技能，針對“ROS機器人程序設計”課程采用了理實一體化教學模式，推行多元化教學策略，以學生為主體，培養(yǎng)學生的理論與實踐操作能力。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考核，結果證明所有學生均滿足考核要求，具備ROS機器人系統(tǒng)開發(fā)能力，較好地達到了預定的課程目標。

參考文獻：

［1］劉源，解芳，周宏胭，等.地方應用型本科院校機器人工程專業(yè)課程體系建設初探［J］.科技風，2023（17）：3537，54.

［2］中國電子學會.中國機器人技術與產業(yè)發(fā)展報告（2023年）［R］.北京：2023世界機器人大會，2023.

［3］胡春旭.ROS機器人開發(fā)實踐［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2018.

［4］余鳴，余哲源.任務驅動法在高等職業(yè)學校計算機課程教學中的規(guī)范化應用［J］.通訊世界，2024，31（3）：5759.

［5］王雨蒙，王欣，朱冰，等.ROS智能車創(chuàng)新性實驗設計及教學應用［J］.實驗室研究與探索，2023，42（6）：182186.

［6］蒲茜，陳瑜，阮濤.嵌入式機器人控制系統(tǒng)實踐教學模式研究［J］.機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2024，37（4）：152154.

基金項目：南陽理工學院高等教育教學改革研究資助項目（NIT2024JY051）；河南省高等教育教學改革研究與實踐項目“面向南陽區(qū)域產業(yè)需求的新能源汽車產業(yè)學院建設探索與實踐”（2024SJGLX0176）；南陽理工學院教改項目“產業(yè)學院背景下融入AI的機器人工程專業(yè)實踐類課程改革研究——以《機器人技術基礎》為例”（NIT2024JY016）

作者簡介：褚慧慧（1988— ），女，漢族，山東菏澤人，博士研究生，講師，主要從事ROS機器人程序設計、機器學習等教學科研工作。