基于機器人教學平臺的軟件工程專業(yè)認證建設(shè)

馬興錄 陶冶 劉國柱 杜軍威 劉揚

摘? 要：復雜工程問題解決能力的培養(yǎng)是工程教育認證專業(yè)需要考慮的核心問題。如何在人才培養(yǎng)方案中綜合考慮“復雜工程問題”的設(shè)計、如何分層次培養(yǎng)學生復雜工程問題的解決能力、如何落實到每門課程的教學環(huán)節(jié)等一系列問題是文章探討的重點。文章以軟件工程專業(yè)為背景，以系列化機器人教學平臺為基礎(chǔ)，采用以機器人為實驗設(shè)備的貫穿式軟件開發(fā)能力培養(yǎng)方式，逐步培養(yǎng)學生對復雜工程問題的解決能力。針對具體專業(yè)課程，給出了如何設(shè)計“復雜工程問題”及相應教學模式的參考方法。相關(guān)教學效果評價表明，以機器人為教學平臺的人才培養(yǎng)模式符合工程教育專業(yè)認證的理念，對專業(yè)認證建設(shè)起到較好的促進作用。

關(guān)鍵詞：工程教育專業(yè)認證;復雜工程問題;機器人教學平臺

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）15-0005-05

Abstract： Solving complex engineering problems is a core issue in certificated engineering education. In this paper， we focus on how to comprehensively consider the design of complex engineering problems， how to train students to solve complex engineering problems by aptitude， and how to implement them in each course. By using a series of robotic teaching platforms， we apply robot-based experimental devices to gradually improve students' ability to solve complex engineering problems. Additionally， for specific professional courses， we give the methods to design complex engineering problems and the corresponding teaching mode. The evaluation of related teaching results shows that the proposed training mode and robot-based teaching platform plays a better role in promoting professional certification.

Keywords： engineering education accreditation; complex engineering problems; robot teaching platform

引言

工程教育認證標準的1.3（畢業(yè)要求）中，規(guī)定了12條畢業(yè)要求，其中，有8條要求含有“復雜工程問題”的表述。標準中還規(guī)定了“復雜工程問題”必須具備的“必須運用深入的工程原理，經(jīng)過分析才可能得到解決”的首要特征及其它6項需具備部分或全部的特征[1]。由此看出，復雜工程問題解決能力的培養(yǎng)是工程教育認證的核心理念。

不同專業(yè)有各自不同的復雜工程問題。因此，進行工程教育認證的專業(yè)在制定人才培養(yǎng)方案時，必須結(jié)合本專業(yè)的實際情況，恰當定義適合本專業(yè)的“復雜工程問題”，并將復雜工程問題解決能力的培養(yǎng)融入到人才培養(yǎng)方案中，融入到專業(yè)建設(shè)中，融入到每一門課程中，真正培養(yǎng)學生解決“復雜工程問題”的能力[2]。

很多實際的工程項目基本都具備“復雜工程問題”的特征，但很多實際項目用到教學中存在項目環(huán)境難以復制、成本太高、涉及的學科知識過于復雜，需要專業(yè)教師進行恰當?shù)慕虒W改造，才能用于教學。目前，很多實訓或課程設(shè)計項目均圍繞此問題展開探索，也是專業(yè)進行認證時需要重點論述和考察的方面。

但這種碎片化的“復雜工程問題”的引入雖然在能力的培養(yǎng)上具備一定的效果，但由于缺少統(tǒng)籌安排，復雜工程問題解決能力的培養(yǎng)層次不夠清晰，問題的復雜度缺少衡量標準，導致培養(yǎng)質(zhì)量難以衡量、畢業(yè)要求的達成度縱向比較困難或沒有實際意義。

因此，在各專業(yè)的認證建設(shè)過程中，需要在人才培養(yǎng)方案的高度去綜合考慮“復雜工程問題”的引入，形成層次化的“復雜工程問題”[3]。進一步可按照課程所承擔的畢業(yè)要求指標點，逐步將合適的“復雜工程問題”落實到教學環(huán)節(jié)中，形成可衡量的能力培養(yǎng)體系。

一、機器人教學平臺的“復雜工程問題”

機器人是機械、電子、自動化、計算機、材料等多學科知識的綜合產(chǎn)物，是近幾年發(fā)展迅猛、具有廣闊發(fā)展前景、亟需大量相關(guān)人才的新興產(chǎn)業(yè)。該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開各類相關(guān)專業(yè)人才的支持。為此，各類相關(guān)新興專業(yè)不斷開設(shè)。同時，傳統(tǒng)專業(yè)為適應時代的發(fā)展、產(chǎn)業(yè)的需求，也需要適當調(diào)整人才培養(yǎng)方向，融合更多的學科知識。

機器人從不同專業(yè)的角度可以體現(xiàn)出不同的“復雜工程問題”。從計算機學科來看，機器人就是一臺或多臺計算機，計算機就是機器人的大腦，機械部件、語音傳感、視覺傳感等都是計算機的外圍設(shè)備，軟件就是機器人的“靈魂”。以機器人代替計算機，作為計算機類、軟件類專業(yè)的實驗設(shè)備，比單純的計算機設(shè)備資源要豐富得多，更能激發(fā)學生的學習興趣。

機器人本體的設(shè)計開發(fā)以及基于機器人的應用開發(fā)都可衍生出不同層次、不同難度的“復雜工程問題”。以入門級的機器人圖形化編程為例，學生通過幾個小時的了解，就能著手編寫機器人程序[4]。但是當把機器人用于一定環(huán)境中，如讓機器人走迷宮，就變成一個“復雜問題”了。需要設(shè)計算法、計算時間效率、控制機器人轉(zhuǎn)向、檢測傳感器狀態(tài)等。這時，學生的注意力就自然轉(zhuǎn)到問題分析、算法設(shè)計、編程實現(xiàn)和調(diào)試等環(huán)節(jié)上來，這就是軟件工程項目的設(shè)計流程。基于機器人的這種訓練項目可以放在第一學期進行，讓學生盡早接觸“復雜工程問題”，初步了解軟件工程項目的開發(fā)流程。

對于軟件工程專業(yè)來說，機器人本體軟件就是復雜的軟件系統(tǒng)，其智能主要取決于軟件系統(tǒng)，包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、各類網(wǎng)絡軟件及應用軟件等。同時，機器人應用更包含了大量的軟件設(shè)計，如機器視覺、語音等功能的實現(xiàn)及其應用，可與軟件工程專業(yè)的具體方向結(jié)合。以移動互聯(lián)網(wǎng)方向為例，從機器人聯(lián)網(wǎng)應用、手機操控等方面進行結(jié)合，可以衍生出很多難度合適的“復雜工程問題”。

因此，機器人平臺與具體專業(yè)相結(jié)合，可以構(gòu)造出不同層次、不同難度、不同應用方向的“復雜工程問題”，對學生興趣及能力的培養(yǎng)具有先天優(yōu)勢。

二、基于機器人教學平臺的軟件工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案設(shè)計

軟件工程專業(yè)是傳統(tǒng)的工科專業(yè)，基于計算機一級學科及軟件工程一級學科，具有完整的知識體系。在教育部發(fā)布的《普通高等學校本科專業(yè)類教學質(zhì)量國家標準》屬于計算機類專業(yè)，在培養(yǎng)學生計算思維、程序設(shè)計與實現(xiàn)、算法分析與設(shè)計等能力的基礎(chǔ)上，注重對復雜軟件系統(tǒng)的分析、設(shè)計等能力的培養(yǎng)[5]。計算學科具有高度抽象性，強調(diào)通過抽象建立模型實現(xiàn)對計算規(guī)律的研究，使用計算系統(tǒng)實現(xiàn)對特定問題的求解。“什么能、且如何被有效地實現(xiàn)自動計算”是計算思維能力的核心問題。因此在教學過程中，如何將抽象的計算思維轉(zhuǎn)化為形象的具體的內(nèi)容，進一步與實際應用相結(jié)合，分層次培養(yǎng)與提高學生的計算思維能力，是設(shè)計軟件工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案需要解決的核心問題。

按照軟件工程專業(yè)的培養(yǎng)目標，工程技術(shù)應用能力的培養(yǎng)按照先后順序及培養(yǎng)層次，可分為：計算思維導入->程序設(shè)計->算法分析->軟硬貫通->應用開發(fā)->創(chuàng)新能力。這些能力的培養(yǎng)不是一蹴而就，而是穿插在不同課程中。當然，不同學習階段的培養(yǎng)重點不一樣，這六個層次基本代表了6個學期的培養(yǎng)重點。機器人教學平臺可配合每個學期的培養(yǎng)重點，與各學期的核心課程相結(jié)合，作為綜合性實驗平臺，構(gòu)建基于機器人教學平臺的人才培養(yǎng)模式。如圖1所示，在每個學期增加一門綜合實驗類課程《創(chuàng)新指導與實踐1-6》。

傳統(tǒng)的以計算機為實驗設(shè)備，培養(yǎng)學生編程的方法具有抽象、入門困難等缺點[6]。相比之下，以機器人為實驗設(shè)備，以圖形化編程工具入手，突出計算思維能力的培養(yǎng)方式，則具有上手快、學生興趣高、能力培養(yǎng)顯著等特點。

第1學期，增加“機器人編程”方面的入門課程，重點培養(yǎng)學生的初步的計算思維能力，提高學生的專業(yè)學習興趣。

第2學期，結(jié)合程序設(shè)計語言（如Python語言），開始培養(yǎng)學生程序設(shè)計能力。以機器人為實驗設(shè)備，讓學生在圖形化編程工具與程序設(shè)計語言的對比中，體會程序設(shè)計語言的魅力，實現(xiàn)對機器人更加精準的控制與復雜問題的解決。

第3學期，結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法設(shè)計等軟件理論課程的開設(shè)，在機器人的軟件設(shè)計中引入一定復雜度的工程問題，如迷宮遍歷尋寶等。這時，機器人教學平臺起到綜合實驗平臺的作用，對學生的問題分析、程序設(shè)計、算法設(shè)計與優(yōu)化、軟件系統(tǒng)實現(xiàn)與驗證等均可起到程序訓練與培養(yǎng)的作用。

第4學期，結(jié)合計算機組成原理等課程的學習，機器人的硬件部分可以作為計算機組成示例讓學生進行學習與編程，達到計算機軟硬知識貫通的目的。

第5學期和第6學期，結(jié)合專業(yè)方向課程，以機器人為載體，引領(lǐng)學生進行具體應用開發(fā)。機器人與當前的人工智能等熱門技術(shù)結(jié)合密切，開展創(chuàng)新類的應用開發(fā)，通過參賽等形式，提高學生應用開發(fā)能力及創(chuàng)新思維能力。

在課程體系的設(shè)計中，建議每個學期增加一門綜合實驗或?qū)嵺`類的課程《創(chuàng)新指導與實踐1-6》，這樣不影響原有課程的設(shè)置，而且對每個學期的課程起到融合的作用。當然，機器人開發(fā)案例也可以融入到具體的專業(yè)課程中，實現(xiàn)更深層次的融合。

三、機器人貫穿式教學平臺的設(shè)計

為滿足分層次的專業(yè)能力培養(yǎng)要求，機器人教學平臺需要具備以下特征：

1. 開放的計算機軟硬件系統(tǒng)：軟件工程專業(yè)注重于軟件系統(tǒng)的學習與開發(fā)。開源開放的軟硬件系統(tǒng)有助于學生的深入學習，也有助于教師完全掌握系統(tǒng)的方方面面。

2. 平臺系列化：平臺應能呈現(xiàn)從簡單到復雜的演變過程，有入手簡單的入門級設(shè)備，也有足夠復雜用于創(chuàng)新研究的機器人系統(tǒng)，可滿足不同階段的教學需求。

3. 平臺軟硬件系統(tǒng)的一致性：雖然機器人平臺軟硬件多樣，不同的機器人內(nèi)部采用的計算機軟硬件存在較大差異，但用于同一個專業(yè)的教學來說，平臺差異過大，會讓學生的學習重點偏離原來的目標，大部分學習時間浪費在對不同平臺的熟悉上，分散了學生的注意力，可能會降低學習興趣。

基于上述特征，作者采用自主改造或開發(fā)系列機器人教學設(shè)備，以滿足軟件工程專業(yè)的教學需求。根據(jù)目前機器人的不同種類，開發(fā)或改造了以下三類機器人設(shè)備，構(gòu)成完整的機器人貫穿式教學。這三類設(shè)備均采用軟硬件完全開源的樹莓派電腦作為主控板，保持了平臺軟硬件系統(tǒng)的一致性。而且樹莓派電腦具有資源豐富，可擴展性強的特點，為教學提供了極大的便利。

1. 智能小車：該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，擴充性好的特點，適合作為入門級設(shè)備。為便于大一新生學習使用，開發(fā)了與圖形化機器人編程軟件VIPLE通訊的中間件程序，允許使用數(shù)據(jù)流驅(qū)動方式的圖形化編程，實現(xiàn)對智能車的控制，讓學生初步接觸邏輯判斷、流程控制、算法設(shè)計等內(nèi)容[3]，將學習的重點放在計算思維能力的培養(yǎng)上。

由于智能車采用樹莓派電腦，更便于支持Python/C/C++等編程語言工具，對于后續(xù)語言類課程的學習具有很好的延展性。

2. 桌面型機械臂：機械臂是目前在工業(yè)中應用最多的一類機器人，具有應用場景豐富、控制要求稍復雜的特點，適合作為復雜問題分析、軟件方案設(shè)計等課程的實驗平臺。為便于教學，采用了小型的桌面型3自由度機械臂，可搭配多種末端工具，如機械爪、吸盤、打印頭等，用于不同應用場景[7]。機械臂結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機械臂結(jié)構(gòu)

3. 人形機器人：人形機器人是目前功能復雜、各項功能正在不斷研究、開發(fā)中的一類機器人，易于激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。基于樹莓派電腦的人形機器人可以加裝攝像頭、語音識別等設(shè)備，從而可以進行機器視覺、語音識別等應用的開發(fā)。如果需要加快深度學習算法模塊的運行速度，還可以與專門的GPU或NPU模塊組成復雜的計算機系統(tǒng)。這樣，需要學生具備足夠的計算機軟硬件知識的協(xié)同開發(fā)能力。

以上三種類型的機器人，涵蓋了機器人類型的大部分，而且從簡單到復雜，構(gòu)成難度層次清晰、應用場景多樣，與軟件工程專業(yè)的人才培養(yǎng)方案設(shè)計需求一致，如圖3所示，可滿足專業(yè)四年的教學需求。

四、教學實施方案

以軟件工程（嵌入式方向）為例，在1-6學期，每學期增加一門《創(chuàng)新指導與實踐》課程，如圖4所示。該課程開設(shè)為綜合實驗類課程，沒有理論授課學時，只有32個學時的實驗課。

以《創(chuàng)新指導與實踐4》為例，該課程是在學完系列編程語言、計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等專業(yè)課程的基礎(chǔ)上，與操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等課程同學期開設(shè)。那么本課程的課程目標設(shè)計為：

通過前期《創(chuàng)新指導與實踐1-3》的學習，初步掌握了機器人的編程方法，鍛煉了學生的編程能力。在此基礎(chǔ)上，本課程通過比賽項目、訓練等方式，達到如下目標：

1. 深入了解機器人系統(tǒng)的硬件組成，加深對計算機系統(tǒng)組成的理解。

2. 深入了解機器人軟件系統(tǒng)，特別是操作系統(tǒng)的組成，強化對軟件體系架構(gòu)的理解。

3. 能利用現(xiàn)有的機器人系統(tǒng)，開發(fā)完整功能的應用系統(tǒng)，掌握計算機應用系統(tǒng)的開發(fā)方法與步驟。

4. 培養(yǎng)創(chuàng)新意識，能從原理、方法或功能上體現(xiàn)出一定的創(chuàng)新性。

具體教學內(nèi)容主要包括：

1. 了解樹莓派開發(fā)板的硬件結(jié)構(gòu)，特別是各引腳接口的作用;結(jié)合智能小車或機械臂的各外圍設(shè)備，詳細了解硬件的連接方式及控制原理。

2. 樹莓派軟件系統(tǒng)：樹莓派操作系統(tǒng)的安裝，上網(wǎng)環(huán)境搭建，軟件安裝方法等。

3. 樹莓派編程：c/c++編程步驟，python編程。

4. 以機器人相關(guān)比賽項目或應用場景為訓練內(nèi)容，以比賽指導老師的方式指導學生開發(fā)出相關(guān)項目。

課程考核方式：

參照軟件比賽項目的流程，采用過程化管理，分為開題、中期檢查、驗收三個階段進行考核。最終的驗收流程為PPT講解+實物演示+教師提問等環(huán)節(jié)。

具體教學效果分析：

軟件工程（嵌入式方向）2017級學生共有70人，以學生分組方式參與課程項目的設(shè)計，共分為18組（每組3-5人）。選擇山東省大學生軟件設(shè)計大賽中的“嵌入式應用開發(fā)“或“智能機器人應用設(shè)計“命題的有13個組，占總數(shù)的72%。最終，參加完整個比賽流程（9月底提交作品）的隊伍有7支，其中獲一等獎2支、二等獎1支、三等獎2支，具有明顯的獲獎優(yōu)勢。

五、結(jié)束語

機器人平臺與軟件工程專業(yè)相結(jié)合，可以構(gòu)造出不同層次、不同難度、不同應用方向的“復雜工程問題“，對學生興趣及能力的培養(yǎng)具有先天優(yōu)勢，符合專業(yè)認證建設(shè)的理念。本文從人才培養(yǎng)方案的角度來綜合考慮機器人教學平臺的建設(shè)，并結(jié)合具體的教學實例，給出相應的教學方案的設(shè)計。這種專業(yè)建設(shè)思路，對其它相關(guān)專業(yè)同樣適用。

當然上述建設(shè)方法只是初步探索試用，后續(xù)將需要把建設(shè)重點放在機器人教學平臺與專業(yè)課程群的緊密結(jié)合，以及教學效果的評價及教學方法的改進上。

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*基金項目：2018年山東省本科教改項目“多學科交叉融合的軟件工程專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式研究與實踐“（編號：M2018X130）

作者簡介：馬興錄（1970-），男，漢族，山東沂水人，碩士，副教授，碩士生導師，軟件工程專業(yè)負責人，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、機器人。