任务驱动、团队协作在《导航控制系统设计与实现》教学中的探索与成效

张提升，牛小骥，贺喜，梅懿芳

摘要：《导航控制系统设计与实现》是武汉大学导航、制导与控制专业开设的硕士研究生课程。本课程以“任务为主线、教师为主导、学生为主体”为教学理念，以研制高精度导航机器人为教学任务，探索了具有分工协作、知行合一、循序渐进等特点的教学方法。

关键词：任务驱动；团队协作；导航控制系统；教学探索

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）47-0117-02

一、引言

导航定位是一门从A点到B点的艺术和科学，它既能画出路线图，又能让人们循路前行[1]。控制是指控制主体按照给定的条件和目标，对控制客体施加影响的过程和行为[2]。导弹制导等军事需求催生了导航、制导与控制这一跨学科专业。随着科技的进步，我们将逐步进入智能化时代。蓬勃发展的无人机、无人车、机器人均属于智能化产品，而它们均需要导航控制技术[3]。武汉大学导航、制导与控制专业开设了《导航控制系统设计与实现》课程，旨在加强智能化产品开发急需的高科技人才培养。

本科生课程的教学探索已有许多学者进行了研究[4-5]，而研究生教学没有得到足够重視。目前，研究生课程教学存在的主要问题包括：（1）单一地灌输理论知识的现象普遍存在，学生不能深刻体会学习这些理论知识的用途和意义，不能达到研究生教学的预期效果。（2）同一课程的研究生往往具有不同的本科背景，然而大部分课程在内容和教学方式上不能充分考虑研究生的专业知识背景因素[6]。（3）考核方式仍然以理论知识考试为主，导致学生把时间和精力花在了应付考试，而不是自主钻研的能力培养上。

工科研究生是企业技术研发的主力军，教学必须注重理论与实践相结合。本课程将探索以任务为驱动，以学生为主体，进行团队协作、知行合一的教学方法。

二、教学目标与内容

《导航控制系统设计与实现》课程目标在于：一方面向研究生传授导航控制系统设计的相关理论知识，让学生掌握导航控制系统设计的原理及思想；另一方面，指导学生组队参加典型导航控制系统的设计与实现，提高学生的实践动手能力。这门课将培养学生如何运用理论知识指导科研实践的能力，有助于提高学生的科研动手能力、团队合作意识，同时，将增强学生的就业竞争力。

《导航控制系统设计与实现》课程设置为36个学时，授课方式包括讲授、讨论和实验。教学内容具体包括：无人导航系统设计任务、目标和计划，智能车平台，系统电路设计，蓝牙通信技术，大地主题算法，导航算法，控制算法，直线导航实现，圆形轨迹实现等。课程内容设置充分体现了以“任务为主线、教师为主导、学生为主体”的教学理念。

三、任务驱动—团队协作教学探索

任务驱动—团队协作教学法指教师根据当前教学主题提出并设计任务，根据任务需求和学生各自特点组建团队，在任务目标驱动下，通过对理论知识的主动学习，进行自主探索、协作、讨论的学习，在协同完成任务的同时，实现团队内各成员的知识共享、能力互补、共同进步的教学方法[7]。本课程以研制高精度导航机器人为教学任务，探索该教学方法的分工协作、知行合一、循序渐进等特点。

1.分工协作。开展分工协作需要注意三个要点：任务分解、任务分工、协作开展。首先需要将总任务分解成若干个子任务模块。本课程的总任务为实现一个导航机器人，在其人机界面输入目的地，导航机器人自动引领主人到达目的地。任务可以分解为六个子任务模块：（1）导航机器人硬件平台搭建；（2）蓝牙通信与数据传输；（3）高精度定位算法设计与实现；（4）路径规划算法设计与实现；（5）导航控制算法设计与实现；（6）人机交互界面制作。

其次，根据每位同学的专业背景和兴趣爱好，合理安排其承担的子任务模块。例如：蓝牙通信与数据传输比较适合电子工程背景同学，测绘背景同学擅长高精度定位算法。结构合理的协作小组是开展小组协作学习的基础，这决定着后面的小组协作能否顺利高效开展。

最后，团队需要推荐一名队长，负责协调和推动整个小组的工作开展。队长责任包括监督各位成员的工作进展，协调成员之间的工作衔接，指挥任务的整体联调，同时也要促进团队成员的团结、和谐。

2.知行合一。知行合一教学模式实施分为三个阶段：第一个阶段是根据任务需求，开展理论知识学习；第二个阶段是在理论知识指导下，开展任务实现工作；第三个阶段是通过对任务成果的测试和分析，验证和完善理论。

理论学习阶段：首先，在课堂上，教师根据各子任务模块的要求，分析需要用到的理论知识点；其次，同学们在课后查阅文献，对理论知识进行学习和总结；最后，在课题上，同学们讲解理论知识要点、任务实现的思路、存在的疑问等，教师和同学们进行讨论分析。

任务实现阶段：结合导航机器人任务实现的特点和需求，将理论知识用于指导任务工作实现。例如：具体到导航机器人的控制算法设计实现，需要分析清楚比例、积分和微分后的物理意义是什么，具体选择使用哪个环节。

验证理论阶段：在任务完成后，通过实验测试分析任务成果的性能，得出的结论对理论进行验证，并通过成果经验指导理论体系的完善。

3.循序渐进。循序渐进是任务驱动—团队协作教学的重要特征。在该课程教学实践中，循序渐进主要体现在两个方面：一是理论学习和任务实现的从易到难、从浅到深；二是任务开展的从局部到整体、从模块实现到系统联调。

同学们都是对科技创新有兴趣、对自身发展有激情的研究生，但是在专业基础、统筹能力及团队管理方面会缺乏一些经验。在任务分配及下发以后，教师应该时刻关注团队运行，及时为遇到困难的成员提供帮助，促进任务的顺利开展和完成。

该课程教学的一个重要且行之有效的循序渐进方法就是，每次上课时都让同学们汇报自己任务的进展情况以及遇到的问题，教师对问题进行分析并给出解算方案，同时制定下一时间节点的进展规划。

四、教学成效

本课程已经连续开设三年，取得的教学成效主要体现在三个方面，包括课堂反馈、教学成果和学生就业。

受益于本课程的“任务驱动—团队协作”特点，为同学们树立了学习目标，创造了学习平台，激发了同学们的学习兴趣和责任心，大家每次都能保质保量完成教师制定的进展规划。在课程总结时，同学们对该课程的教学方法给予充分肯定，并在课程结束后对课程任务成果进行进一步完善和增加功能。

部分同學对该课程教学上实现的导航机器人进行了性能改进和功能完善，参见了2016年中国研究生电子设计竞赛，作品“基于GNSS RTK/INS的高精度导航机器人”获得了第十一届中国研究生电子设计竞赛全国总决赛一等奖，本课程的教学老师获得了全国总决赛优秀指导老师称号。

五、结语

本文在介绍《导航控制系统设计与实现》课程的开设重要性、教学目标和内容的基础上，以研制高精度导航机器人为教学任务，探索了任务驱动—团队协作教学方法的分工协作、知行合一、循序渐进特点，最后对教学方法的成效进行了阐述。在武汉大学—大疆创新联合实验室平台支持下，下一步该课程将基于无人机平台进一步提高教学品质。另外，通过教学方法和成效逐年改善，本课程将尝试申请研究生精品课程。

参考文献：

[1]李跃，邱致和.导航与定位：信息化战争的北斗星[M].第2版.北京：国防工业出版社，2008：1-10.

[2]卢泽生.控制理论及其应用[M].北京：高等教育出版社，2009：5-12.

[3]谭民，王硕.机器人技术研究进展[J].自动化学报，2013，39（7）：963-972.

[4]张勤，王利.“GPS策略原理与应用”课程教学研究与改革[J].高等理科教育，2007，（1）：112-114.

[5]刘智敏，阳凡林，独知行.卫星定位原理及应用的教学改革与实践[J].测绘工程，2010，19（3）：77-80.

[6]方荣新，等.“导航理论与方法”课程教学研究与实践[J].教育教学论坛，2014，（51）：130-131.

[7]马宁，等.任务驱动—小组协作教学法在“数字图像处理”课程中的实践作用[J].教育教学论坛，2017，（3）：158-169.