基于創新創業教育的智能機器人課程體系建設與應用

別玉濤 玄玉波 張宇楠 孫曉穎

（1.吉林大學公共計算機教學與研究中心,吉林 長春 130012；2.吉林大學通信工程學院,吉林 長春 130012；3.吉林大學教務處,吉林 長春 130012）

1 引言

2015年國務院辦公廳印發的《關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》中指出：“深化高等學校創新創業教育改革，是國家實施創新驅動發展戰略、促進經濟提質增效升級的迫切需要，是推進高等教育綜合改革、促進高校畢業生更高質量創業就業的重要舉措。”[1]培養高校學生的創新創業精神，有利于完成自我就業、實現創業夢想、體現自我價值，同時提供更多的就業機會，緩解就業壓力，因此，高校建設創新創業教育的課程就變得尤為必要。有效地培養創新創業能力，有利于幫助大學生建立良好的職業目標，確立合理的職業規劃，深層次挖掘潛在的創新能力和實踐能力，從而為走向社會迎接挑戰做好充分的準備。

2 課程整體建設框架

機器人作為一項涉及環境感知、控制、機械結構等多學科交叉的世界主流尖端科技，符合新工科“跨學科交叉融合”理念，對于培養學生跨學科的工程能力具有重大意義。本課程體系著眼于機器人的入門與基礎實踐，橫跨兩個學期，采用階梯式閉合培養體系，旨在培養學生對智能機器人涉及的技術性成整體概念，了解智能機器人的機械、電控和視覺的基礎知識以及實踐方法和工具，積累多學科交叉的工程實踐經驗，進而掌握智能機器領域的新產品開發和科技成果轉化等基本思路、技術、方法，熟悉創新創業的基本知識、智能機器相關企業運營管理模式。

2.1 “智能機器人基礎與實踐”課程設計

第一學期的機器人基礎實踐課程結構按照機械、電控、視覺三大部分依次展開進行，共計24學時。課程內容從結構上分為機械、電控和視覺三個方面。

（1）機器人的機械方面，從機器人的結構、建模和制造三個層次進行：結構部分介紹常見機器人的結構類型，說明機器人不同原動件之間的差異，并對機械原理中幾種典型的實現不同運動形式的結構進行分析，同時結合機器人競賽中開源機器人進行實例剖析；建模部分講解三維建模技術的基本知識，對機器人競賽中常用的建模軟件進行介紹，并結合實例逐步展示機器人簡單零件的建模操作；制造部分介紹機械加工制造領域的常見加工手段，對競賽中經常應用的3D打印和切削加工兩種加工制造方法結合實例進行講解。

（2）機器人的電控方面，聚焦機器人的控制知識，從硬件和基本控制算法及參數調整兩方面進行：硬件部分介紹機器人的控制芯片、常見的傳感器、電機，以及相應的使用方法，說明機器人線路布線方法與注意事項，介紹機器人電源系統與供電；控制原理部分在盡量避開深度的數學原理的同時，淺顯易懂地講解控制的基本原理。

（3）機器人的視覺方面，也就是機器人的眼睛——相機，在這部分介紹相機的構成、鏡頭的基本參數和響應、相機的驅動及相機坐標系等，從數字圖像和實踐視覺兩個維度進行：數字圖像即機器人之所見，介紹數字圖像的存儲方式及顏色空間，OpenCV中的基本圖像處理模塊；實踐視覺即機器人之所解，從實踐中對大風車的燈條進行識別，理解其中的特征分析、預處理、燈條檢測和匹配等概念。

2.2 “互聯網+智能機器創新創業實踐”課程設計

經過第一學期智能機器人的基礎理論學習和實踐操作后，第二學期進入創新創業實戰演練，通過帶領學生參觀、調研企業的生產過程，發現企業需求或行業痛點，并以此作為實踐的項目。實踐過程以學生為主體進行設計和開發，教師對選題、分工、技術路線等進行引導。例如，大陸電子集團的生產流程中，有無人運輸車、汽車零部件缺陷檢測等需求。學生可根據調研過程中感興趣的問題設計產品。例如，企業選題有熱電偶缺陷檢測系統、基于機器視覺的大架號識別設備等。此外，也可以結合競賽的內容進行選題，如哨兵機器人、工程機器人等，并將競賽內容和社會需求的關系進行調研，在最終的展示大會中進行匯報。

課程教學以多學科合作設計開發產品或競賽作品為主線，依托吉林大學吉甲大師夢工場等平臺和實踐基地的資源，教師對學生的項目選題和技術路線進行全程跟進。在實踐過程中插入協作方式方法、創業計劃書撰寫等課程，要求在作品設計實施階段完成財務BOM規劃、項目進度記錄，形成創新創業能力的閉環培養模式。在該過程中始終堅持線上線下交流和自主實踐的實施路徑，同時將思政要素融入課程教學設計環節中，促進了學生知識、能力和素質的全面協調發展。具體48學時的內容設計如表1所示。

表1 “互聯網+智能機器創新創業實踐”課程內容設計

3 教學組織與實施

當前的經濟形態對人才培養提出了更高的要求，創新創業教育的初衷和歸宿是向社會輸出人才[2]，秉承OBE（Outcomes-based Education）理念組織與實施創新創業教育課程，為學生提供科學有效的課程體系支撐和適宜的教學方式，以達成培養具有處理復雜工程問題能力人才的目標。

3.1 多學科交叉師資配備

機器人技術是一門多學科交叉的科學，涉及機械工程、信息工程、自動控制、電子、計算機、物理等多個領域的知識技能。創新創業實踐中還涉及經濟學的相關內容，需要各個領域的專家學者和實踐指導教師。目前團隊9名具有博士學位的教師已覆蓋上述學科，均是具有豐富教學經驗和指導競賽經驗的一線教師，其中不乏指導實踐操作的工程師和百度公司機器視覺方面的技術總監。多學科、校企聯合的教師配備，使學生在每一個學科方面的學習都能得到專業的指導，并且能夠從校外導師的產品開發中汲取豐富的實踐經驗。

3.2 多元化課程資源

為了解決學科門類的專業細分化、知識碎片化、實驗形式化等所帶來的問題，課程組各位老師針對機械、視覺、電控等跨學科之間合作方法和工程化問題進行了課程資源的開發，甄選出了10本有針對性的國內外教材和參考書；組織往屆參與學習研究的學生經過多輪的實踐制作了一系列的網絡教程，分別針對機械、視覺和電控方面的應用，包括儀器的使用方法、機械工具的使用、硬件制作、視覺軟件使用等在線課程，如PowerMill和ADAMS的基本操作視頻，從零開始到STM32核心板PCB的繪制視頻，以及CSDN博客上視覺組多年開發的經驗分享等；同時，企業聯合方大疆公司的RoboMaster機甲大師論壇和視覺教程也都可作為參考資源用于學習積累[3]。

3.3 多平臺教學模式

為保證課程教學質量，提升和提高學生的學習主動性及效率，基于以上課程的建設內容，采用線上和線下混合教學方式。

（1）線上學習。線上學習分為課前預習、課后回顧兩部分。課前預習由教師推送部分知識點的線上視頻，學生在線觀看，并進行預習評測；課后回顧要求學生回看本節線上課視頻及本節課全部知識點總結文本，并進行在線答題和討論。

（2）線下學習。線下課堂分為教師講解、分組討論及實踐三部分。教師講解重在表達機器人的發展前沿和基本原理的實驗展示；討論環節放在每次課（2學時）的前15～20分鐘，學生可以將自己預習中無法解決的問題拿到分組討論環節一起研究探討；實踐環節，讓學生參與實驗小項目，制作機械結構小作品和復現控制和圖像處理的算法甚至設計程序。

線上線下組合的翻轉課堂，能夠充分利用課堂外的碎片時間，為學生預留了更多發現問題和思考問題的時間，從而更加有效地利用課堂上的時間進行更深層次地學習。

3.4 多維度實踐場地

創新創業教育的一個突出特點是以學生個體化學習為主體，以學生的學習潛能開發為教育目的。校內外的實踐平臺以課程為紐帶，在教師引導的基礎上，突破學科壁壘，為學生的創意思維、創業孵化提供充足的技術和方向指引。

（1）校內實踐場地。團隊教師聯合多個學院，依托吉林大學的吉甲大師夢工場、智能機器與系統新工科開放實驗室、Ifram創客空間，根據課程的知識內容安排相關的實驗室進行實踐。上述實驗室擁有高性能GPU工作站、機器人研發套件、傳感器、電機、3D打印機等設備，具備機器人教學的軟硬件基礎條件，每年接納100多人。

（2）校外實踐場地。校外可供參觀調研的有吉林大學與長春市政府合作共建的中關村雨林空間創業孵化基地和朝陽訊飛人工智能創新創業孵化基地，還有吉林大學與企業共建的萬和集團、林田遠達科技有限公司、尼普洛嘉恒藥業包裝有限公司、卓卡諾智能科技有限公司、大疆科技有限公司長春分公司、光機所芯憶科技有限公司。這些校企合作場地為學生的企業需求、市場痛點調查提供了足夠的調研環境。

4 課程考核與評價

由于智能機器人的兩學期課程考察內容的差異，分別為其制定了有側重點的考核方式。

4.1 “智能機器人基礎與實踐”課程的考核

該課程由平時成績和實踐成績兩部分組成，各占總成績的50%。平時成績由線上課程觀看時長、作業完成情況及小組討論情況組成，權重比為1∶2∶2。實踐成績的評定標準通過動手操作、實驗結果、實驗報告評價等方式進行考核，可按照實驗操作、儀器使用掌握、實驗結構和實驗報告四項考核內容的完成情況進行評價，權重可按照2∶1∶1∶1分配。

4.2 “互聯網+智能機器創新創業實踐”課程的考核

該課程主要為過程性考核，考核內容包括平時表現、實踐作品和項目跟進情況。平時表現主要考察學生的學習態度及出勤率，這部分占總成績的20%；實踐作品主要以設計成果的創新性、完成度、實用性作為指標，占總成績的60%；項目跟進要以小組形式進行主題匯報，并對作品完成時的進度記錄、協同工具使用、BOM表分析、團隊合作情況進行考察，占總成績的20%。

5 課程評價與改革成效

系統化閉環的智能機器人課程體系使文、理、工、管多學科交叉合作模式走進課堂，創新創業成效明顯，學生專業認同和社會責任感上升。在教學過程中，組織了有興趣參與比賽的同學參加機器人等相關競賽，圍繞相關內容和方向組建了學生團隊，開展相關活動，如參加了“互聯網+”“創青春”等創新創業比賽。近三年參與課程的學生參加創新創業訓練或學科競賽的比例達到85%，在校生調研的企業近百家，參與企業關鍵技術研究6項，開發新產品10余項，鍛煉了學生精益求精、持之以恒的意志品質。自2016年起，積累了720°虛擬現實合成設備、基于機器視覺的藥瓶缺陷檢測系統、安防機器人、自動巡邏機器人等學生自制的優秀作品。

課程實施教學后，學生、同行專家和社會企業都對其進行了追蹤評價，對教學效果都給予了認可。其中，在校生和畢業生跟蹤反饋的滿意率均達到95%以上。華中科技大學、哈工大等同行教師也認為該課程的內容科學、組織嚴密、教學效果良好。吉林大學為大疆科技、百度、華為等30多家用人單位輸送了人才，企業反饋學生創新能力強，有社會責任擔當。新華網、頭條等多家媒體報道了創新創業實踐教學成果。長春工業大學、長春理工大學派教師參觀學習了該課程模式。

6 結語

智能機器人課程以創新創業教育模式開展教學，以閉環體系設計課程內容，以落實立德樹人為根本目標，將文理工管多學科交叉及產品技術孵化、生產經營管理融入課程內容，通過校企合作模式，建立起問題導向、學生自主研究、課內外結合、學校與社會協同等全過程實踐教學模式，全面培養學生的工程和創新實踐能力和社會服務意識。