“課—賽”融合的智能機器魚集群控制課程教學探索與實踐＊

張建磊

（南開大學 人工智能學院，天津 300371）

引言

“高校立身之本在于立德樹人。”黨的十八大以來，習近平總書記高度重視高等教育事業發展，多次強調立德樹人這個根本任務，指出只有培養出一流人才的高校，才能夠成為世界一流大學。學生在即將步入社會前，最重要的青春時光都是在高校度過的。高等學校的“熔煉”質量，直接決定著學生能否成為社會的棟梁之材。因此，切實地讓學生學有所得，高校的課程建設及改革尤為重要。

不同于中學時代的課程，高校的課程涉及基礎類課程和專業課程，大多具有一定的學習難度。尤其是理工科背景下的課程，一般而言，較為抽象難懂，需要學生花費相當多的時間才能掌握。更為重要的是，這些課程大多具有延展性，課堂上所學的一般只是“冰山一角”，如果多加思考和探索，會發現課本之外還有很多更為深刻的知識點。因此，在高等學校的課程教學中，如何盡量減少知識抽象帶來的枯燥感和畏懼感，同時讓學生完全熟練掌握課堂所講的基本知識點，并且還能學以致用，是需要盡快解決和思考的問題。

在人工智能學院的學科背景下，我們為研究生和博士生開設了集群智能控制專業課。如何讓學生真正地學有所得，該課程的課堂設計、課堂講解、課后考核等是我們需要用心設計的課題。拋開傳統的教師在課堂講、學生在下面默默聽講的“灌輸”模式，我們用“課賽融合”的模式來引導此門專業課的課程設置，調整教學內容，嘗試課程改革。在教學中，消除課程本身可能帶有的枯燥感，增加學生對此門課程的學習興趣，提高學生掌握并運用相關知識點的能力，是我們的教學設計目標。

一、課堂的理論內容設計

集群智能控制是涉及多個生物體的一個研究問題。在課堂上，我們將主體定位成機器人。在給學生介紹此課程時，我們可以從這樣的一個角度展開：機器人群體執行任務相對于單個機器人，有更高的空間利用率和任務執行效率，且可靠性更高。在一些復雜度較高的任務中，機器人群體有更好的任務表現，其在軍事和空間探索領域具有廣泛的應用。至于課堂所授內容，以典型生物群體智能建模為主，例如鴿群層級引領機制建模、雁群線性編隊機制建模、狼群協同圍捕機制等。進而，在對群體特性分析和群體智能建模基礎上，講解從智能體到機器人集群自主控制的映射機理，介紹基于群體智能的系統集群自主編隊、任務分配等技術，以及實驗驗證方法和設計思路。

鑒于課程本身的學科交叉特點，與生物行為緊密相連，我們可以從鴿群、雁群、狼群等生物的行為特點開始介紹。由淺入深地引導學生對集群行為進行學習和了解。同時，在講解過程中也要適時地拋出問題，啟發學生進行思考，而不是一味地灌輸知識。從各個方面，適度地增加與學生的活動，才能實現優質的教與學。

二、課堂實踐依托水下機器魚競賽

關于機器人，學生大多聽過見過，這也是現在的研究熱點之一。只是，我們的課堂上采用的是特殊的機器人：機器魚。眾所周知，地球上大部分區域被水覆蓋，茫茫未知的浩瀚海洋，是我們人類的探索目標之一。水下機器人是人類探索水下世界最重要的手段之一。因為我們的課程內容是集群行為，所以涉及水下機器魚集群。以他們為例，向同學們講授在具體的工作任務中，比如協同搬運物體，機器魚群是如何通過任務分配完成協作目標的。同時，我們也積極引導學生參與專業競賽。終極目標是：在改革教學方法的同時，把由注重知識的傳授向能力培養轉變，由灌入式向啟發式轉變，由重理論輕實踐向理論聯系實際轉變。

例如，在2019年第十二屆“臨港杯”國際水中機器人大賽中，我們通過組織學生研究賽題、學以致用，最終摘得冠軍1項，亞軍1項，三等獎3項，同時獲得優秀指導教師獎、優秀組織獎等多項佳績，為學校爭得多項榮譽。競賽的設置會引導我們向實踐靠攏，比如本次比賽共設置水下機器人競速、目標識別抓取、水下操控、自主視覺和創客生存挑戰等項目。具體地，我們參加了目標識別抓取、水中污染源項目、水面污染源項目、港口偵察項目等。在實踐中，更深刻地領會了集群控制所涉及的知識點和技術方法，達到了比較好的學以致用的目的。

三、競賽結果反饋于課堂教學

國際水中機器人大賽自2007年作為人工智能領域國際化賽事亮相以來，受到世界范圍內的廣受關注。我們近兩年都在積極組織學生參賽，將教學內容與實踐感受相結合。教學內容中的理論模型，實踐活動中的復雜物理因素，如何相結合、相對應，是對所學知識更深刻的理解和應用。例如，在課上，我們講解水下機器魚協同搬運物體時的策略優化問題。在競賽中，機器魚是放置在水池中進行任務協作的。此時，不僅需要考慮機器魚本身的物理尺寸，還需要考慮水池的邊界，以及機器魚的避障（盡量避免撞擊水池邊緣）。而且，在機器魚執行任務時，我們還需要考慮機器魚的電量問題，它的工作時長是有限的。機器魚因耗電量過大而掉隊，也會影響群體的任務完成效果。因此，這些競賽中所遇到的實際物理因素，需要我們在課堂所學知識的基礎上，進行更具難度的思考和設計。

將課堂所學與競賽所需相結合，兩者相輔相成，可以推動我們的課程教學內容改革，由單調到生動，由理論到實踐。在將理論知識用于實際問題的解決中，學生才更能體會知識點的價值，加深對它的理解。若應用理論知識成功地解決了應用問題，學生會因此獲得成就感，這也有助于增加他們的學習興趣。還有一點是課堂教學無法比擬的，競賽多是團隊協作完成，需要團隊成員通力配合。在集體活動中，有助于鍛煉學生的團隊協作能力和責任感。從教學的角度而言，競賽結果也有助于豐富我們的課堂教學內容，轉化為屬于我們自己的實驗教學內容，最終達到培養學生實踐創新能力的作用。在學生未就業時，參與專業競賽可以促進他們理解人工智能、機器人等新技術如何在海洋科學的發展中應用，達到我們學以致用的育人目的。

結語

我們以人工智能學院背景下，“課賽融合”模式在集群智能控制課程教學中的實施情況。課堂上的教學設計以生動豐富的講解、有趣的問題引導與調動積極性、自愿參與的機器魚競賽、競賽內容與經驗改良和豐富教學內容，等多部分有機組成。結果表明，通過這種整合課堂教學內容，合理設計課堂教學，有助于實現智能學科教學過程中“教、學、賽”的一體化，學生的創新能力和工程實踐能力將會得到顯著提高。