《华盛顿协议》背景下智能机器人课程改革与实践

张新强　周国顺　李滨虎

摘 要：智能机器人课程是多学科技术发展的前沿综合，是培养学生工程实践能力的良好平台。文章从课程教学层面提出将学生能力培养体系与OBE教学理念相结合，通过提升课堂教学水准、仿真实验和实体实验相结合、科研与教学相结合、项目组间协同的方式，探索课程教学过程中提升学生工程实践能力的思路与方法。

关键词：智能机器人；项目实践；工程实践能力；智能科学与技术

0 引 言

2016年6月2日，我国成为《华盛顿协议》正式缔约成员，这不仅为我国工程专业毕业生进入国际市场提供了可行性，而且有力地促进了我国工程教育面向世界[1]。《华盛顿协议》的宗旨在于通过成员国之间工程教育资格的多边认可，促进工程学位的互认和工程技术人员的国际流动。加入《华盛顿协议》为我国高等工程教育带来了机遇和挑战[2]。我国工科本科毕业生的工程实践能力相对较弱，需要持续教学改革提高学生的工程实践能力。

智能机器人课程是大连东软軟件学院智能科学与技术专业的核心课，开设在大三下学期。智能机器人涉及多学科技术发展的前沿，综合机械、控制、电子、通信、人工智能等多个领域，是培养学生工程实践能力的综合平台。本文主要在智能机器人课程教学实践过程中，结合《华盛顿协议》背景下工程教育的特点，从课程层面探索提升学生工程实践能力的思路与方法。

1 课程规划设置

1.1 教学目标

通过理论和实践教学，学生了解了智能机器人领域的基础理论，掌握与智能机器人相关的运动学方法，同时学习机器人操作系统（ROS）的相关知识，提高学习兴趣，为以后深入学习机器人技术打下良好基础。将学生的能力培养体系[3]与OBE（Outcomes-based Education）教学理念相结合，把教学目标分为目标内容、培养能力、掌握程度、具体描述等方面，其对应详细指标见表1。学生能力的培养贯穿课程的整个过程中。

1.2 教学内容

智能机器人包括机械臂、移动机器人、人形机器人等，由于课时有限，同时考虑ROS系统平台友好支持性，本课程以移动机器人为重点讲授内容。教材选择Gerald Cook所著Navigation Control and Remote Sensing一书的中文版[4]，实验参考教材选择Jason M和O'Kane所著A Gentle Introduction to ROS一书的中文版[5]。

智能机器人课程内容分为3个模块：机器人绪论、机器人运动学、ROS系统。其中机器人绪论主要包括机器人简介、发展历史、基本结构、分类、应用等内容；机器人运动学主要包括位置描述、方位描述、坐标系描述、操作臂手爪位置描述、坐标平移、坐标旋转、一般映射、齐次坐标与变换、平移与旋转算子、变换算子一般形式、变换矩阵的运算、连杆参数，连杆坐标系、连杆变换和运动学方程、运动学综合应用、运动学综合应用；ROS系统主要包括ROS的安装配置，文件系统介绍ROS包操作，linux下编译及运行ROS节点、话题、服务和参数等概念理解消息发布及订阅机器人服务器及客户端编程、录制与回放、手动创建过程、wswtf、roslaunch、消息自定义、rviz、tf、Turtlebot模拟器、URDF机器人描述文件、PCL库、OpenCV库、感知、定位、导航等。

本课程共64学时，理论课时48学时，实验学时16学时（共8次实验）。8次实验贯穿整个理论课讲授过程，是学生提高实践创新能力的重要环节。实验分别为实验一3D点云运算——平移；实验二3D点云运算——旋转；实验三3D点云运算——变换矩阵；实验四3D点云绕轴旋转、连杆坐标系变换；实验五ROS配置；实验六ROS基础实验；实验七机器人服务器客户端实验；实验八Turtlebot机器人跟踪导航实验。

1.3 考核方式

课程总成绩由平时的形成性考核（55%）和期末的终结性考核（45%）组成。其中形成性考核分为3次理论作业（每次满分5分）和8次实验作业（每个实验满分5分），共55分。终结性考核采用答辩方式，成绩为百分制（占总分的45%），包括项目报告（20分）、口试题库（40分，从50道题库中抽取4道，每道10分）、项目（40分，项目功能运行10分，项目实现代码问题3个，每个10分）。

2 课程实施问题及改进

2.1 提升课堂教学水准

美国加州大学洛杉矶分校副校长辛蒂·范（Cindy Fan）在参加完我国大学的评估后，提出了课堂教学“五重境界说”，即第一阶段是沉默（Silence），学生对教师讲课和提问没有任何反应，也从不记笔记；第二阶段是回答（Answer），学生在课堂上只是简单地回答“Yes”或“No”；第三阶段是互动交流（Dialogue），学生和教师积极互动交流；第四阶段是提问质疑（Critical），学生不仅与教师互动，还会质疑教科书和教师讲授的观点；第五阶段是辩论（Debate），学生与教师对问题的不同观点进行争论[6]。如何改变学生课堂上只会沉默或简单回答的沉闷状态，让学生可以互动交流、提出质疑，甚至可以辩论，是提升学生本课程学习效果的关键。

本课程的教学过程中采用多种教学手段和教学方法引导学生积极参与课程教学。比如，在讲解绪论部分时，为了引导学生明确移动机器人要解决的3个基本问题：“Where am I”“Where am I going”“How do I get there”以及解决这3个问题的基本方法，先播放一段机器人定位导航的视频，让大家直观明白要学习的知识内容，进而引出问题。然后，组织大家分组讨论，讨论后每组选代表陈述观点。最后教师点评，总结大家意见，以提问互动方式总结机器人感知、目标识别、路径规划的基本方法。通过多种教学手段与方法的使用，将抽象概念与生活中常见事物类比，引导学生在课程教学过程中把课堂变成“质疑”和“辩论”的场所。endprint

2.2 仿真实验与实体实验相结合

实验教学是智能机器人教学不可或缺的重要环节，学生只有通过实验及实际编写程序才能融会贯通课堂教学的理论知识，学会智能机器人在实际工程中的应用。本课程把移动机器人作为重点讲授内容，侧重机器人的感知、定位、导航等方面。实验以Ubuntu系统和ROS系统为平台，学生完成8个实验共16学时，实验地点在实验室。每个实验内容都和理论内容息息相关，充分利用ROS系统硬件抽象、进程间消息传递等特点，使用实体实验与仿真实验相结合的方式进行实验，实体实验使用实验室的20台Turtlebot机器人开展，仿真实验使用ROS系统和Gazebo软件在电脑上进行。基于ROS系统可以实现编写一次代码，不需要修改即可在实体平台和仿真平台上分别运行。这样，学生可以随时进行实验，进行课上课下一体化学习实践。

2.3 科研与教学合理结合

智能机器人领域的技术发展日新月异，在教学的过程中引导学生关注本领域的前沿发展动向，可以增强学生学习的主动性，提高学生的学习效率，有利于培养学生的创新意识，提高学生的创新能力。比如，在讲解机器人环境感知部分时，给学生讲解目前解决单目视觉中尺度问题比较好的方法，将IMU和单目相结合，介绍香港科技大学沈劭劼团队的最新工作，同时对比了苹果公司刚刚发布的ARKit，对比学术界和工业界目前最新的技术和发展方向。学生在学习过程中表现出极大的学习兴趣。又比如，平时的第二次作业让学生查找人工智能算法在移动机器人的应用，并做简单综述。学生检索前沿科研知识的过程中，也意识到形成自己查找相关科技文献的途径并定期跟踪的重要性，为课程以后的深入学习、科研和开发产品打下了良好的基础。

2.4 课程项目分组协同完成

《华盛顿协议》对毕业生提出12条素质要求，不仅要求工程知识、工程能力，还强调沟通、团队合作等方面的能力，而良好的沟通能力与团队合作能力是解决复杂工程问题的重要保障。课程终结性考核的项目由学生利用所学知识完成，自主命题应用场景，使机器人完成相关工作任务，包括机器人感知、定位、导航和人機交互等功能。学生以小组为单位，每组4人，题目自拟，自拟题目内容及规模需经教师确认符合要求方可。项目分为需求分析、概要设计、详细设计、编码4个阶段。每组学生需做出详细的开发日程表，并按日更新进度。教师按期检查进度及成果文档或代码。最终学生写出项目报告，完成代码并现场答辩。通过分组及任务分解，学生能通过文档进行沟通，提高了沟通表达能力。在完成移动机器人系统过程中，小组成员通过协同解决复杂工程实践问题，提高了团队合作能力。

3 课程教学效果

学生通过平时仿真实验与实体实验相结合的方式，充分利用课余时间，实现了课上课下实践一体化，把课堂上相对抽象的公式写成了可执行的程序代码。学生在将数学语言变换为程序的过程中，能够把知识变为自己的理解，成为自己的知识，并通过实验达到了实践检验理论的目的。

学生在综合平时实验的基础上，4人分组协同工作，自拟题目，选择应用场景，使用移动机器人感知、定位、导航、人机交互等技术，完成了移动机器人系统的设计，利用仿真与实体结合的方式，通过编写代码实现了系统的预期功能。部分学生项目见图1、图2。

4 结 语

智能机器人课程是智能科学与技术专业的核心课程，是涉及多个技术领域的课程，是理论实践并重的课程。2015年、2016年和2017年，学校共进行了3轮教学，在《华盛顿协议》背景下从课程教学层面将学生的能力培养体系与OBE教学理念相结合，通过提升课堂教学水准、仿真实验和实体实验相结合、科研与教学相结合、项目组间协同的方式，学生在课程学习过程中提高了工程实践能力。学校2012年进行智能科学与技术专业招生，专业成立时间较短，教学积累不足，如何更好地改善教学模式、达到教学相长，如何更好地从课程层面支持培养《华盛顿协议》对毕业生提出的12条素质要求，还需要持续进行教学探索与改革。endprint