智能機(jī)器人綜合設(shè)計(jì)課程題庫系統(tǒng)與評價(jià)體系建設(shè)

文章編號：1671-489X（2025）06-0016-05 DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.06.016

0 引言

新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合，正在引發(fā)產(chǎn)業(yè)變革。當(dāng)前，我國制造業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時(shí)期，傳統(tǒng)制造業(yè)逐步向智能化方向發(fā)展，“黑燈工廠”從中高端制造業(yè)向中低端產(chǎn)業(yè)擴(kuò)散[1-2]。機(jī)器人技術(shù)在這一過程中扮演著重要角色[3-4]。因此，加快機(jī)器人技術(shù)的研究并培養(yǎng)高素質(zhì)的機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域人才，已成為我國普通高等學(xué)校的緊迫任務(wù)[5]

自20世紀(jì)70年代以來，我國機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了從無到有、從小到大、從弱到強(qiáng)的發(fā)展歷程。經(jīng)過50年的長足發(fā)展，我國已成為全球最大的工業(yè)機(jī)器人消費(fèi)市場，機(jī)器人前沿技術(shù)受到越來越多科技工作者的關(guān)注。與此同時(shí)，機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域人才培養(yǎng)已逐漸延伸至本科教學(xué)階段，相關(guān)課程的建設(shè)與發(fā)展成為機(jī)械類專業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵[6-7]。

為滿足國家與社會(huì)的需求，大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)在新工科背景下，結(jié)合大學(xué)“厚基礎(chǔ)、寬口徑、高素質(zhì)、創(chuàng)新型”復(fù)合人才培養(yǎng)目標(biāo)，設(shè)置了智能機(jī)器人模塊課程。該模塊以培養(yǎng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才為目標(biāo)，包含機(jī)器人學(xué)，機(jī)器人傳感、視覺與控制等基礎(chǔ)課程。在基礎(chǔ)課程之后，還設(shè)置了智能機(jī)器人綜合設(shè)計(jì)課程，構(gòu)建一套從機(jī)器人學(xué)理論到設(shè)計(jì)實(shí)踐與實(shí)際項(xiàng)目相結(jié)合的立體課程體系，探索機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域人才培養(yǎng)的有效模式。

1課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)自2018年起開設(shè)智能機(jī)器人模塊課程。課程組結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐對課程進(jìn)行深入分析與總結(jié)，發(fā)現(xiàn)授課內(nèi)容和教學(xué)模式是增強(qiáng)教學(xué)效果的關(guān)鍵因素。目前，機(jī)器人技術(shù)相關(guān)課程的內(nèi)容多以傳統(tǒng)工業(yè)串聯(lián)機(jī)器人為基礎(chǔ)，講解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、軌跡規(guī)劃、傳感與控制等基礎(chǔ)知識[8]。然而，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速且與產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合，現(xiàn)有授課內(nèi)容難以涵蓋不斷涌現(xiàn)的新知識。此外，由于機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)知識量大且需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撏茖?dǎo)與分析，目前的教學(xué)模式仍以教師講授為主，在這種模式下，雖然大多數(shù)學(xué)生能夠掌握相關(guān)知識，但缺乏實(shí)踐機(jī)會(huì)，難以將其應(yīng)用于實(shí)際場景[9]。

針對上述問題，增加實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)是一種有效的解決方案[10-11]。大學(xué)進(jìn)一步整合機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐訓(xùn)練，設(shè)置獨(dú)立的實(shí)踐課程，為學(xué)生提供一個(gè)整體運(yùn)用和理解機(jī)器人技術(shù)的平臺[12]。本專業(yè)開設(shè)的智能機(jī)器人綜合設(shè)計(jì)課程以項(xiàng)目式教學(xué)為主要形式，由八位經(jīng)驗(yàn)豐富的教師指導(dǎo)。學(xué)生以個(gè)人或小組形式選擇感興趣的課題，進(jìn)行為期一個(gè)月的項(xiàng)目式訓(xùn)練，完成從方案調(diào)研到實(shí)現(xiàn)的全過程。該課程為學(xué)生提供了實(shí)踐平臺，彌補(bǔ)了學(xué)以致用的不足，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)接觸最新的機(jī)器人技術(shù)知識，培養(yǎng)了實(shí)踐能力，提高了參與度和臨場感。甚至有學(xué)生通過這一機(jī)會(huì)提前參與科研項(xiàng)目，取得了論文和專利成果。

在實(shí)踐課程實(shí)施過程中也暴露出一些問題。從結(jié)課報(bào)告、答辯和設(shè)計(jì)成果來看，雖然大多數(shù)學(xué)生能夠較好地提出并實(shí)施設(shè)計(jì)方案，但仍有部分學(xué)生參與度不足。經(jīng)過調(diào)研，課程組發(fā)現(xiàn)主要原因包括：1）課題主要來源于教師的科研項(xiàng)目或社會(huì)服務(wù)項(xiàng)目，選題范圍無法滿足學(xué)生的個(gè)性化需求，導(dǎo)致學(xué)生積極性不高；2）課題特點(diǎn)和難度不清晰，學(xué)生僅通過名稱選擇課題，部分學(xué)生選到了不感興趣或與自身能力不匹配的課題，導(dǎo)致完成度較差；3）課題難度差異較大，不同難度課題的完成度難以有效評估，彼此之間難以橫向?qū)Ρ龋瑹o法形成有效的閉環(huán)控制，也難以實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長的目標(biāo)。

2智能機(jī)器人綜合設(shè)計(jì)題庫系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

針對智能機(jī)器人綜合設(shè)計(jì)課程實(shí)施過程中出現(xiàn)的具體問題，并結(jié)合教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建一套全面、特征化、易擴(kuò)展的智能機(jī)器人綜合設(shè)計(jì)題庫系統(tǒng)和完善的評價(jià)體系顯得十分必要。運(yùn)用該題庫與評價(jià)體系，可以滿足學(xué)生需求、匹配學(xué)生特征、有效評估學(xué)習(xí)效果，同時(shí)減輕指導(dǎo)教師的教學(xué)壓力，提升教學(xué)質(zhì)量。在設(shè)計(jì)題庫系統(tǒng)之前，課程組制定了一套基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原則，并在后續(xù)設(shè)計(jì)中嚴(yán)格遵循這些原則，具體如下。

2.1.1 適應(yīng)性

本課程采用項(xiàng)目式訓(xùn)練，由于學(xué)生的能力差異和項(xiàng)目內(nèi)涵的不同，導(dǎo)致課程實(shí)施效果不理想。因此，題庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須具備較高的適應(yīng)性，以增強(qiáng)教學(xué)效果。

1）專業(yè)契合：題庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需緊密貼合機(jī)械專業(yè)的培養(yǎng)方案，內(nèi)容應(yīng)與前期基礎(chǔ)知識相結(jié)合，課題的培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)與專業(yè)目標(biāo)高度一致。

2）個(gè)性化滿足：課題應(yīng)具有明確的特征，從機(jī)器人技術(shù)的要素出發(fā)設(shè)置不同側(cè)重點(diǎn)的課題，以滿足學(xué)生的個(gè)性化興趣和適應(yīng)不同能力基礎(chǔ)的學(xué)生。

3）強(qiáng)調(diào)前沿性與共通性：課題設(shè)置應(yīng)緊跟社會(huì)需求變化，適應(yīng)機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展。強(qiáng)調(diào)技術(shù)的前沿性和共通性，通過課程實(shí)踐使學(xué)生具備應(yīng)用相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)能力。

2.1.2 系統(tǒng)性

廣泛的適應(yīng)性需建立在扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)之上。機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，涵蓋機(jī)械工程、測試技術(shù)、控制工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科內(nèi)容。因此，課題設(shè)置需綜合考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、傳感器技術(shù)、控制理論等多方面的應(yīng)用。為了識別不同課題的特點(diǎn)并強(qiáng)化能力的差異化要求，需對課題進(jìn)行系統(tǒng)性的辨識。

圍繞智能機(jī)器人綜合設(shè)計(jì)課程要求，將機(jī)器人系統(tǒng)劃分為運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)（以結(jié)構(gòu)為主體）、控制子系統(tǒng)（實(shí)施動(dòng)作或功能控制）和傳感器感知辨識子系統(tǒng)（與環(huán)境交互）這三個(gè)基本子系統(tǒng)。隨后，將相關(guān)知識要素按系統(tǒng)進(jìn)行分解。

通過對課題的知識要素分解，提取各個(gè)課題所涉及的特性，并分配不同的權(quán)重，使得學(xué)生能夠根據(jù)自身需求有針對性地選擇課題，同時(shí)為對不同課題的完成質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)一性評價(jià)提供可能。

2.1.3 功能性

題庫系統(tǒng)解決課程實(shí)施過程中出現(xiàn)的問題，應(yīng)具備以下三個(gè)方面的功能。

1）助學(xué)功能：協(xié)助學(xué)生學(xué)習(xí)智能機(jī)器人核心子系統(tǒng)和相關(guān)知識要素，適應(yīng)學(xué)生在學(xué)習(xí)能力和專業(yè)能力上的差異，幫助學(xué)生匹配合適課題，使學(xué)生對智能機(jī)器人系統(tǒng)有充分、全面的認(rèn)識。

2）助教功能：輔助教師完成智能機(jī)器人綜合設(shè)計(jì)課程教學(xué)任務(wù)，提升教學(xué)質(zhì)量。

3）評價(jià)管理功能：包含相應(yīng)的考評與教學(xué)評價(jià)功能，使教學(xué)效果可評價(jià)與量化。教師可根據(jù)學(xué)生對知識的掌握情況，及時(shí)對題庫系統(tǒng)或教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行迭代優(yōu)化，確保題庫系統(tǒng)的有效性、實(shí)時(shí)性與先進(jìn)性。

2.2 題庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能機(jī)器人綜合設(shè)計(jì)題庫系統(tǒng)建設(shè)是在上述設(shè)計(jì)原則的指導(dǎo)下進(jìn)行的。機(jī)器人技術(shù)相關(guān)課程涵蓋的內(nèi)容包括傳感器、驅(qū)動(dòng)器、位姿變換、運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、控制技術(shù)、軌跡規(guī)劃等基礎(chǔ)知識。根據(jù)機(jī)器人系統(tǒng)的構(gòu)成，這些基礎(chǔ)知識要素可以進(jìn)一步分解，如圖1所示。

在設(shè)置題庫系統(tǒng)中的課題時(shí)，必須依據(jù)圖1進(jìn)行要素分析。每個(gè)課題都包含運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和辨識系統(tǒng)這三個(gè)子系統(tǒng)，機(jī)器人技術(shù)的主要知識要素分布在這些子系統(tǒng)中。不同課題中知識要素的權(quán)重不相同，也就是說，課題的共性體現(xiàn)在知識系統(tǒng)的組成上，而差異則體現(xiàn)在同一知識要素在不同課題中的權(quán)重分配上。后續(xù)的評價(jià)體系也是基于基礎(chǔ)知識要素的權(quán)重進(jìn)行構(gòu)建的。

以題庫中的兩個(gè)課題“打磨機(jī)器人柔性控制”“移動(dòng)機(jī)器人場內(nèi)定位方法研究”為例，介紹不同課題在基礎(chǔ)知識要素設(shè)置上的差異。在“打磨機(jī)器人柔性控制”課題中，所使用的機(jī)器人是典型的工業(yè)機(jī)器人，正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解是工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂軌跡規(guī)劃與控制的基礎(chǔ)。而在“移動(dòng)機(jī)器人場內(nèi)定位方法研究”課題中，雖然也涉及相關(guān)技術(shù)，但其機(jī)器人主體構(gòu)型與典型工業(yè)機(jī)器人有很大不同，它沒有機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，而是配備了移動(dòng)底盤這種工業(yè)機(jī)器人通常不具備的組件。因此，對移動(dòng)機(jī)器人而言，其運(yùn)動(dòng)學(xué)知識要素的學(xué)習(xí)內(nèi)容很少涉及機(jī)械臂的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，而是將軌跡規(guī)劃這一知識要素的重點(diǎn)從工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃轉(zhuǎn)移到了移動(dòng)機(jī)器人在特定場景下自主規(guī)劃行進(jìn)路線的問題上。盡管知識要素的構(gòu)成相似，但其內(nèi)涵存在明顯差異。通過對其權(quán)重的差異化設(shè)置，可以充分體現(xiàn)不同課題的特點(diǎn)。

1）打磨機(jī)器人柔性控制。

① 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（ 32% ）：姿態(tài)變換（ 19% ） + 運(yùn)動(dòng)學(xué)（ 7% ） + 動(dòng)力學(xué)（ 4% ）+驅(qū)動(dòng)器（ 2% ）。

② 控制系統(tǒng)（ 37% ）：運(yùn)動(dòng)控制（ 11% ） + 軌跡規(guī)劃（ 15% ） + 智能控制（ 7% ） + 機(jī)器學(xué)習(xí)（ 4% ）。

③ 辨識系統(tǒng)（ 31% ）：傳感器技術(shù)（ 11% ） + 機(jī)器人視覺 （7%）+ 深度學(xué)習(xí) （6%）+ 機(jī)器人定位 （7%） 。

2）移動(dòng)機(jī)器人場內(nèi)定位方法研究。

① 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（ 13%） 姿態(tài)變換 （1%）+ 運(yùn)動(dòng)學(xué) （3%）+ 動(dòng)力學(xué)（ 3% ） + 驅(qū)動(dòng)器（ 6% ）。

② 控制系統(tǒng)（ 38% ）：運(yùn)動(dòng)控制 （5% ）+軌跡規(guī)劃（ 10%）+ 智能控制（ 10% ）+機(jī)器學(xué)習(xí)（ 13% ）。

③ 辨識系統(tǒng)（ 49% ）：傳感器技術(shù)（ 13% ） + 機(jī)器人視覺（ 10% ） + 深度學(xué)習(xí)（ 13% ） + 機(jī)器人定位（ 13% ）。

在知識要素權(quán)重體系的支持下，不同課題的內(nèi)涵得以清晰體現(xiàn)，為題庫的擴(kuò)充提供了明確的評估標(biāo)準(zhǔn)。無論是教師新增課題還是學(xué)生自選課題，通過知識要素的分解，都可以輕松識別課題的核心考查知識點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)，從而為大規(guī)模擴(kuò)充課題提供了可能。學(xué)生在選擇題目課題時(shí)，可以根據(jù)自己的興趣和對不同知識要素的掌握程度，更靈活地選擇合適的機(jī)器人課題進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高實(shí)際訓(xùn)練效果。相應(yīng)的評價(jià)工作可以由系統(tǒng)根據(jù)權(quán)重自動(dòng)計(jì)算并生成相應(yīng)報(bào)表，減輕指導(dǎo)教師的工作壓力，幫助教師快速掌握學(xué)生對知識要素的掌握情況。此外，豐富的應(yīng)用課題和特征圖譜也為非機(jī)械專業(yè)學(xué)生在選修本課程時(shí)提供了有效的參考，滿足了人工智能等相關(guān)專業(yè)學(xué)生的興趣和需求。

2.3 題庫系統(tǒng)構(gòu)成

為了提升題庫的可維護(hù)性并方便學(xué)生選題，課題組進(jìn)一步構(gòu)建了智能機(jī)器人綜合設(shè)計(jì)課程題庫系統(tǒng)，其基本構(gòu)成如圖2所示。

整個(gè)系統(tǒng)的主要模塊包括：

1）登錄：添加、驗(yàn)證師生和管理員信息，限制非授權(quán)用戶訪問；

2）題庫系統(tǒng)管理：實(shí)現(xiàn)機(jī)器人題庫系統(tǒng)的課題增加、刪除、修改、查找等基本管理功能；

3）交互界面：根據(jù)學(xué)生的興趣愛好和能力特點(diǎn)，提供選題與擴(kuò)展的交互功能；

4）課題生成管理：支持學(xué)生個(gè)性化定制機(jī)器人選題的生成與管理功能；

5）評價(jià)體系：構(gòu)建對學(xué)生個(gè)體成績和班級總體成績的評價(jià)體系。

整個(gè)系統(tǒng)的核心是課題數(shù)據(jù)庫與評價(jià)體系。其中課題數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿足學(xué)生根據(jù)自己的興趣和掌握知識點(diǎn)進(jìn)行個(gè)性化定制的需求，并能夠精準(zhǔn)匹配相應(yīng)的課題。教師能夠靈活地添加修改課題內(nèi)容，并設(shè)置相應(yīng)知識要素的權(quán)重。而評價(jià)體系中既包含對學(xué)生個(gè)人知識掌握情況的評價(jià)，也包括對所有學(xué)生掌握知識點(diǎn)情況的統(tǒng)計(jì)評價(jià)。通過相應(yīng)的報(bào)表數(shù)據(jù)，指導(dǎo)教師能夠及時(shí)掌握每個(gè)學(xué)生和全體學(xué)生對各個(gè)知識要素的掌握情況，為后續(xù)的教學(xué)改革與優(yōu)化提供依據(jù)。

3 評價(jià)體系

評價(jià)體系是實(shí)施教學(xué)管理、評價(jià)教學(xué)效果、提升教學(xué)質(zhì)量的重要工具。在項(xiàng)目式教學(xué)的具體實(shí)施中，統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)難點(diǎn)。由于不同難度的課題難以進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋罱K難以形成有效的閉環(huán)。基于前述特征化的題庫設(shè)計(jì)，課題組構(gòu)建了如下評價(jià)體系。

1）學(xué)生個(gè)體層面。針對單個(gè)學(xué)生所選課題中不同分目標(biāo)的完成程度，指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生的完成情況給出分?jǐn)?shù)并進(jìn)行點(diǎn)評。系統(tǒng)結(jié)合各目標(biāo)在知識要素權(quán)重體系中的占比進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，再由指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生對各個(gè)知識要素的掌握情況得出綜合評價(jià)，以表征單個(gè)學(xué)生的個(gè)體表現(xiàn)。

2）班級整體層面。評價(jià)體系會(huì)生成參與課程的所有學(xué)生的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，例如：哪些機(jī)器人課題被選擇得最多、涉及哪些知識要素最多、大多數(shù)學(xué)生對哪些知識要素掌握不佳等。這些結(jié)果以直觀的數(shù)據(jù)形式展示，表征所有學(xué)生的整體表現(xiàn)。指導(dǎo)教師可以根據(jù)這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)直觀地看出學(xué)生對哪些技術(shù)領(lǐng)域更感興趣、知識要素的薄弱點(diǎn)在哪里。這些分析可以作為優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和題庫系統(tǒng)的依據(jù)。

以“打磨機(jī)器人柔性控制”課題為例，圖3展示了某學(xué)生在該課題中涉及的每個(gè)知識要素的達(dá)成情況。圖中每條柱的高度對應(yīng)該項(xiàng)要素在該機(jī)器人課題中所占的權(quán)重，柱中的藍(lán)色部分表示完成情況。從圖3可以清晰地看出該學(xué)生在每個(gè)部分的完成情況，通過完成率與要素權(quán)重的計(jì)算可以直接得出該學(xué)生該課題的分?jǐn)?shù)。

從結(jié)果可以看出該學(xué)生在某些環(huán)節(jié)（如姿態(tài)變換與運(yùn)動(dòng)控制）的完成度較低。這種情況會(huì)引起指導(dǎo)教師的注意。結(jié)合整個(gè)班級的完成率情況，可以判斷是該學(xué)生對這部分知識掌握不夠牢固，還是由于其他因素導(dǎo)致大部分學(xué)生對該知識點(diǎn)掌握不足。對學(xué)生所選課題和知識要素的統(tǒng)計(jì)，可以直觀地顯示學(xué)生的興趣點(diǎn)。通過這種異常數(shù)據(jù)的反饋與對比，指導(dǎo)教師可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)問題，進(jìn)而調(diào)整教學(xué)內(nèi)容或修改課題內(nèi)容，從而有效提升教學(xué)質(zhì)量。

4結(jié)束語

智能機(jī)器人綜合設(shè)計(jì)是大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生開展智能機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐的重要課程。本文結(jié)合該課程實(shí)施過程中的具體實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建一套全面、特征化且易于擴(kuò)展的智能機(jī)器人綜合設(shè)計(jì)題庫系統(tǒng)，并完善了相應(yīng)的評價(jià)體系。該題庫系統(tǒng)能夠有效滿足學(xué)生的個(gè)性化需求，靈活且精準(zhǔn)地匹配綜合設(shè)計(jì)課題，并提供量化的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。通過題庫系統(tǒng)的評價(jià)功能，不僅可以檢測每個(gè)學(xué)生對機(jī)器人知識要素的掌握程度，還能發(fā)現(xiàn)日常教學(xué)指導(dǎo)中難以察覺的問題。這有助于持續(xù)優(yōu)化課程內(nèi)容并改進(jìn)題庫系統(tǒng)，從而顯著提升智能機(jī)器人模塊課程的教學(xué)質(zhì)量。

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