面向创新应用的“智能机器人”层次化实践教学框架

薛建新　常曦　蒋川群

摘 要：多学科交叉性质增加了智能机器人课程实践教学难度，如何高效开展实践教学环节提升创新应用能力成为关注的重点。依托计算机科学与技术学科背景，基于循序渐进和学生自主选择原则，提出面向创新应用的层次化实践教学框架，即“基础—综合—创新应用”3个层次：基础层熟悉和掌握基本功能，激发学生的学习兴趣；综合层关注主流应用场景的关键功能，提升学生的创新能动性；创新应用层取材于竞赛项目和企业项目，实现学生对教学内容的创新应用。

关键词：智能机器人；创新应用；实践教学；层次化框架

0 引 言

社会生产力的进步和经济发展模式的变革，促使机器人技术迅猛发展并得到广泛应用。目前，机器人研究正处于第3代智能机器人阶段，有一定的学习、自洽和适应能力，即机器人可以融合多类传感器采集的信息，适应不断变化的工作环境[1]。机器人技术相关人才需求逐年增长，促使国内很多高校开设了相关课程或专业。智能机器人作为计算机、自动化、机电、电子、脑认知等多学科交叉产物，已经成为教学、研究和应用的焦点。就本科教学而言，教师完整讲授且学生要完整掌握这些知识，难度非同一般，势必影响学生对智能机器人的学习兴趣。因此，如何高效开展智能机器人课程实践教学环节、快速提升学生对智能机器人的兴趣和创新应用能力就成为关注及研究的重点。

1 智能机器人

智能机器人是计算机、自动化、机电、电子、脑认知等多学科和技术交叉的产物，它通过传感器获取多种外部环境信息，处理、识别并自主完成复杂的行为任务。智能机器人作为本科专业基础课程，完整的课程内容包括空间描述和变换、动力学、运动学、控制论、计算机编程等多学科理论知识，同时还需要储备多种技术能力，如传感器使用、信号处理、信息识别、计算机编程等。完整地讲授这些知识，必须配备同时具有这些知识背景的复合型人才，或者由多位专业教师协同授课。即使师资配备到位，要想在短时间内使应用型本科高校的学生掌握相关的理论知识和技术，并达到应用的效果，可以说难度很高。

因此，开设智能机器人相关本科课程时，必然依托具体的学科方向和专业背景，教授的内容有所侧重。王旭等人主要讲述机器人学的空间描述和变换、操作臂正/逆运动学、动力学、速度和静力等数学原理问题，并利用MatLab编程框架进行仿真实验，激发学生学习机器人理论的兴趣[2]。邓新等人利用开源硬件Arduino设计实体机器人，利用其易用性和可扩展性降低实体机器人的制作门槛[3]。王志良等人侧重与人的交互，设计并研制具有一定情感处理和表达能力的情感机器人，通过机器人可感知外部环境以及实现肢体、语音等功能，加深学生对实体机器人设计的理解[4]。

以上研究工作主要侧重对讲授内容的选取，以及依托机械制造专业讲授工作机器人的制造和编程，但未就如何在有限学时内激发学生智能机器人的学习兴趣、创新能动性、提升创新应用能力做深入阐述。因此，笔者依托計算机科学与技术学科背景，提出“基础—综合—创新应用”3个层次的实践教学框架，应用于上海第二工业大学智能科学与技术专业智能机器人课程的实践教学环节，并取得初步成效。

2 学科依托和设计原则

“一带一路”“互联网+”“中国制造2025”等政策的不断推进，使得新一代信息技术产业人才的市场需求剧增。预计到2025年，相关人才缺口将达到950万人。作为新一代信息技术的核心支撑技术之一，计算机科学和技术也遇到了前所未有的发展机遇和就业前景。计算机科学与技术学科的培养过程，是对思维逻辑、算法和程序设计等严格训练的过程。因此，以计算机科学与技术学科为依托讲授智能机器人相关课程，可以将智能机器人的实践教学重点聚焦在决策和应用方面。

层次化实践教学框架按照循序渐进和自主选择原则进行设计。

（1）循序渐进，逐步走向创新应用。整体框架采用循序渐进的方式设计，内容由易到难，由基础逐渐过渡到创新应用。

（2）以学生为主体，鼓励自主选择。提供多个内容供学生选择，鼓励学生从兴趣点出发自主选择，以逐步激发其创新应用意识。

3 层次化实践教学框架

以计算机科学与技术学科为依托，根据设计原则制定“基础—综合—创新应用”3个层次的智能机器人实践教学框架。

智能机器人3个层次实践教学框架包括基础实验、综合实验和创新应用（见图1）。基础实验旨在让学生熟悉智能机器人的基础功能模块，以激发其学习兴趣；综合实验通过讲授主流应用场景的关键功能，提升学生的创新能动性；创新应用实验是通过竞赛题目和企业项目实现相关技术的创新应用。

3.1 基础实验

基础实验需要熟悉和掌握智能机器人的4个基础功能模块——运动、传感器、语音和视觉，为扩展试验作准备。基础实验共设4组，要求每个实验所有人都必须参与，具体内容见表1。实验1要求学生熟练控制机器人各个关节、刚度、行走方向、调整步态/姿态等简单功能，最后设计连续动作，如一段舞蹈，以贝赛尔曲线拟合；实验2要求学生熟练掌握各种传感器数据的采集和查看，并体验触碰传感器、关节温度和角度传感器的使用；实验3要求学生熟练操作机器人自带语音合成库，编写参数来控制机器人说话，并录放相关音频文件及实现其中断控制；实验4要求学生熟练掌握摄像头数据的采集，对标志物、二维码、人脸识别引擎的应用，最终实现选定目标的追踪。

3.2 综合实验

综合实验需要学生掌握机器人主流应用场景的关键功能，即通信、定位、识别以及交互。综合实验共设4组内容，见表2。该部分内容要求学生必须在通信和交互，定位和识别两组中各选一个进行实验，为创新应用作铺垫。实验1强调智能机器人之间的通信；实验2强调智能机器人的室内定位技术和对声源目标的搜索技术；实验3引入云服务扩展语音识别和人脸识别功能；实验4使用自带情绪识别引擎定制人机交互内容。

3.3 创新应用实验endprint

创新应用实验作为学生学习人工智能、模式识别、图像处理与机器视觉、语音识别与自然语言处理等专业课程后的专业综合实训内容，结合前期基础实验和扩展实验的技术，根据智能机器人应用的主流方向，取材于机器人相关赛事，如世界机器人大赛格斗机器人大赛之仿人机器人接力赛以及企业实际项目，主要分为运动控制类综合实验和人机交互类综合实验，见表3。综合实验须分组进行，由学生选择其中任一实验或根据实际场景自主拟题，目的在于使学生综合运用所学知识解决实际问题，以激发学生的积极性，提升其创新应用能力。

4 框架应用

上海第二工业大学智能科学与技术专业归属计算机科学与技术学科，开设了智能机器人及相关实践教学环节，智能机器人3个层次实践教学框架取得初步成效。

4.1 实践教学支撑

作为应用型本科院校，上海第二工业大学重视实践教学环节。智能机器人配备的实践课程包含理论课随堂实验、课程实习和综合实训，总计160学时。先后购置9套ROBOCUP标准竞赛平台类人机器人NAO，作为智能机器人的实践教学平台。NAO支持多种程序语言，便于学生进行探索性实验和自主学习，符合以机器人实验为载体的实践创新培养体系要求[5]。上海第二工业大学产学研合作基地——上海仪酷智能科技有限公司，提供拥有自主知识产权的基于LabVIEW的NAO开发工具包，为顺利开展实验提供软件平台支撑。

4.2 初步实效

層次化实践教学框架已经初步应用于我校2014级智能科学与技术本科专业，通过随堂实验完成基础实验、在课程实习完成综合实验以及在综合实训完成创新应用实验，课程教学已取得初步成效，目前已经完成课程实习阶段，尚未进入创新应用实验阶段。其中，部分学生已经能综合使用相关基础功能和扩展功能，申请上海市大学生创新活动计划项目“基于LabVIEW的NAO机器人社交型人机交互系统设计与实现”并获批（项目编号201712044003）。

层次化实践教学框架关注学生兴趣的激活和创新应用，对专业学生的学习具有3方面的潜在影响。

（1）激发学习兴趣。基础实验内容为核心基础内容，相对简单，有助于激发学生的学习兴趣。

（2）训练自主学习能力。开展智能机器人实践课程的意义在于提高智能机器人应用技能。扩展实验考虑到学生的知识结构，在学生已掌握核心功能的前提下展开，实验结果具有明显特征，便于学生自行检查和提高。

（3）提升创新应用意识。强调学生是主体，鼓励其自行选题；鼓励学生自主探究解决问题的方法，学生可自主设计与实施实验方案；教师只对最终实现的系统提出基本要求，不过多介入具体设计；学生可以凭借对系统的理解，对实验系统进行补充和扩展；教师可以将学生的自主创新内容列为课程学习的重要评价指标。

5 结 语

依托计算机科学与技术学科背景，提出智能机器人的“基础—综合—创新应用”3个层次的实践教学框架，并应用于智能科学与技术专业，目前已取得初步成效。运用层次化实践教学框架，既能让学生掌握智能机器人的核心知识点，又能让学生自主选择感兴趣的实验内容，增强其自主学习能力，提升其创新应用能力，还能使学生踊跃参加相关竞赛和创新项目。

该层次化实践教学框架内容是根据智能机器人课程设计的，下一步将研究如何利用该框架设计数据挖掘、图像处理与机器视觉、自然语言处理等课程的实践教学环节。

参考文献：

[1] 冯士刚， 齐倩蕊， 张俊， 等. 智能机器人实践课程自主创新能力培养研究[J]. 计算机教育， 2016（10）： 45-48.

[2] 王旭仁， 何花， 周全， 等. 深入完善“智能机器人”实践课程体系，促进实践教学[J]. 计算机教育， 2009（11）： 116-118.

[3] 邓欣， 王进， 于洪， 等. 开源硬件在“智能机器人”实践课程中的应用[J]. 计算机教育， 2015（18）： 105-110.

[4] 王志良， 刘遥峰， 解仑. 基于智能交互机器人平台的教学与实践[J]. 计算机教育， 2009（11）： 74-77.

[5] 陈小平， 罗文坚. 以机器人实验为载体的实践创新培养体系研究[J]. 研究生教育研究， 2011（3）： 48-52.

（编辑：史志伟）endprint