面向“新工科”的機器人多層次實踐教學體系及教學法

牛云 李道江 黃宇軒

相對于傳統的工科人才，未來新興產業和新經濟需要工程實踐和創新能力更強、具備國際競爭力的高素質復合型“新工科”人才。2017年2月，教育部發布了《教育部高等教育司關于開展“新工科”研究與實踐的通知》，希望各地高校開展“新工科”的研究實踐活動，深化工程教育改革，推進“新工科”的建設與發展。“新工科”對高校學生實踐能力，特別是創新能力的培養提出了很高的要求，需要結合專業課程、科研訓練和項目實踐等環節進行加強和引導。

機器人教育涉及電子、機械、信息等多個傳統學科和智能感知決策等新興學科。因此，機器人專業被認為是提升傳統工科專業以及新建一批新興工科專業的主要切入點及落地試點專業。

本文將ROS框架和Gazebo物理仿真引入移動機器人感知與控制課程實踐教學，建立基礎—綜合—創新的多層次實踐體系。在此基礎上，教師可利用開源社區資源，研究以學生自主學習、自主實踐為中心，面向工程實際的“項目驅動”式實踐課程教學法改革。

一、“新工科”背景下的機器人實踐教學現狀

機器人教育是現代工程教育中新興和熱門領域之一。虛擬現實、人工智能等新興技術在機器人教學尤其是實踐與創新能力培養中的運用是目前國內外研究的熱點之一。

在國外，美國早在20世紀80年代就開始了機器人工程專業建設方面的探索，已經經歷了嵌入傳統學科、獨立發展和專業認證等三個階段，而將高性能仿真、虛擬現實或遠程實驗室等方式融入機器人實踐與創新教學是當前美國各高校重點探索的教學研究方向之一。俄羅斯高校試點聯合機器人公司開設機器人理論課程與實踐基地，試圖將工業界的最新需求及技術引入機器人教學，同時引入機器人仿真環境以緩解實踐資金不足的問題;德國、西班牙等國家的高校也大力推廣將虛擬現實、增強現實、物理仿真引擎等高新技術手段運用于機器人課堂教學、實訓以及創新實驗的教學法革新。

在國內，“新工科”建設背景下，各大高校都開展了提升機器人等專業學生培養質量的相關部署和研究工作。清華大學張鈸院士認為，目前的機器人課程實踐內容主要集中于編程學習，缺乏對學生科學素養和創新能力的培養;浙江大學重構了自動化專業課程體系，通過頂層設計實現控制工程和機器人工程的知識融合，形成“自動化+”完整的課程體系;國防科技大學智能科學學院提出了以機器人技術為主線，貫通基礎課程和專業課程的理論與實踐教學全過程的控制類專業教學體系;哈爾濱工業大學圍繞既有的機器人研發和實驗教學平臺，通過項目結合創新平臺開展機器人課程實踐教學改革，注重提升學生的實際工程問題解決能力。

針對教學現狀，面向培養學生創造性思維，借助新技術手段，整合資源，構建高水平、開放性實驗平臺，進而開展創新研究、創新試驗和創新開發，是新形勢下機器人實踐教學的重要內涵，在“新工科”創新型課程體系設置中占有重要地位，需要深入研究。

二、機器人多層次實驗教學體系

學生對復雜技術問題的認知是由淺入深的，機器人實踐項目的設置也應該符合這一規律。教師將實驗設備、物理仿真引擎、數字仿真相結合，構建了“移動機器人智能感知與控制多層次實驗體系”（如圖），通過“基礎實驗”夯實基礎知識、訓練基本技能;通過“綜合實驗”面向科研問題或技術熱點設計實驗項目，提高學生對較復雜任務的分析、解決及團隊協作能力;“創新實驗”則面向工程難題或未有定論的顛覆性議題，為學生提供“開放性”的協同創新環境。

“基礎實驗”層基于已購置的激光雷達、深度攝像頭、嵌入式系統套件、伺服電機等系統開展，這類實驗旨在鞏固和加深課程的基本理論，配合課程內容設計單元實驗，加深學生對抽象概念或重要傳感器的感性認識或操作方法。在能力培養方面，這類實驗以學生掌握重要傳感器的使用方法及訓練基本實驗方法和技能為主。

“綜合實驗”層基于ROS移動機器人以及MATLAB中的Robotics System Toolbox和Gazebo物理仿真引擎構成虛實結合的實驗平臺。Robotics System Toolbox基于ROS接口與Gazebo物理仿真引擎或實體機器人交互。學生可以利用MATLAB強大的數學計算能力或工具箱設計相關算法或調試參數處理傳感器數據并完成機器人的決策與控制。在算法調試完畢后，學生可以進一步利用工具生成或自行設計基于ROS框架的C++或Phython代碼，并將其加載到Gazebo物理仿真引擎或實體機器人，在真實環境下驗證算法的有效性。上述平臺在一定程度上打破了實驗場地、實驗設備的限制，使學生能夠隨時通過桌面電腦系統及Gazebo物理仿真軟件開展包括環境和傳感器特性的實踐學習，且基于ROS框架實現了與實體機器人的接口統一。而課程實驗內容的設計側重使學生綜合運用所學知識及基礎實驗獲得的技能，解決科學研究或工程實際問題。在教學組織上，教師將科學技術問題整合成若干實驗項目，提出項目任務與要求，給定功能或技術指標，由學生分組合作，在教師及助教研究生的指導下，擬定實驗方案，編寫程序、探討調試，最終完成實驗任務，達到指標要求。

“創新實驗”層面向學有余力的學生，鼓勵其根據興趣及技術發展趨勢，自主選題或根據科研需求，開展創新實驗研究。學生通過查閱資料、設計實施方案、設計硬件、編寫軟件、組織實驗、撰寫總結報告等過程，獲取新的知識和經驗，使科研創新能力得到全面鍛煉，從而培養從事科學研究和科學實驗的素質和本領。

三、“項目驅動式”移動機器人實踐教學法

利用移動機器人多層次實踐平臺，教師研究并實施了“項目驅動式”移動機器人智能控制實踐課程。課程為32學時，其中理論課時8學時，實踐課時24學時。

課程面向工程或科研需求，從無人系統感知與控制實際工程問題中提煉綜合實踐項目。每個項目都配有任務書，學生要明確項目的功能需求、基本原理、難點、關鍵技術解析、支持資源、參考資料等。與傳統“灌輸式”教學法不同，“探究式”教學法以解決具體問題為牽引，以學生為中心，以探究式的討論、嘗試性的實踐為手段開展課程內容。

在教學過程中，教師要先讓學生充分了解題目的工程背景、意義、應用場景。然后，分解項目各子功能實現的基本原理，明確可用的傳感器與執行機構特性以及不同模塊間的接口或通信方式，并形成初步方案。在此基礎上，引導學生利用數字仿真軟件進行核心算法的設計和有效性驗證，進而利用開源成熟資源，基于ROS框架解決各類傳感器數據訪問、執行機構驅動以及算法編程，并綜合運用Gazebo物理仿真平臺驗證是否達到指標。有硬件實驗條件的，還可以在真實機器人平臺上驗證算法。最后，訓練學生完成規范的、高質量的科技報告，使之不再是相關技術的堆砌或大段的已知公式推導，而是實踐方案的選取依據、技術問題的分析、關鍵算法與程序的設計方法、實驗結果與存在問題的深入討論等。

總之，移動機器人實驗體系及實踐課教學法已經運用于信息工程專業的本科生教學中，從學期末反饋的學習效果來看，學生認為本課程的層次化體系設計與教學方法符合認知規律，他們能自主、循序地學習相關知識并通過合作完成實驗項目，提高了解決工程實際問題的能力。

（作者單位：西北工業大學航海學院）

（責任編輯 岳舒）