以机器人为主线构建控制类专业教学体系

卢惠民， 吕云霄， 徐晓红， 肖军浩， 吴美平

(国防科技大学 智能科学学院， 湖南 长沙 410073)

0 引言

我国正在大力实施创新驱动发展战略，随着“中国制造2025”、“互联网+”、“人工智能2.0”等重大战略的推进实施，迫切需要培养大批新兴工程科技人才。这就要求高等院校培养的以自动化专业为代表的控制类专业学生应具有扎实的理论基础、更强的创新能力和解决实际问题的能力。

以机器人为代表的智能无人系统是未来智能装备发展的方向，涉及技术领域宽泛、研究内容众多，具有鲜明的多学科交叉融合特征，特别适合作为培养提高学生创新实践能力的载体[1～2]。本文提出了构建以机器人技术为主线的课堂教学与创新实践相融合的控制类专业教学体系，并制定措施保障教学体系的顺利实施，提高了控制类专业人才培养质量，取得了明显的阶段性成效。

1 以机器人贯通专业教学体系

以机器人技术为主线贯通我校自动化、控制科学与工程等控制类专业的技术基础和专业课程的相关理论与实践教学的教学体系，解决了课程体系和教学内容紧跟人才培养需求与时俱进的问题。

1.1 培养方案的修订

我校在新修订的自动化专业、控制科学与工程(我校新增设)专业人才培养方案中，新增了“智能机器人系统”、“控制理论与工程概论”、“嵌入式控制系统设计”、“机器人技术专题研讨”等课程。这些新增课程教学内容都是以机器人为关键技术，有的大量地使用各种最新的机器人研究进展作为教学案例，有的以移动机器人作为明确的实验对象。此外，还加大了专业基础和专业课程实验教学的比例，将10学时以上的实验单独设课。

1.2 培养方案的执行

在新修订的人才培养方案执行过程中优化和深化了课程体系和课程内容。对“自动化系统综合设计”、“高级语言程序设计”、“控制系统仿真设计”等课程的教学内容和教学方法进行了大量的改革，如将机器人操作系统ROS(Robot Operating System)引入“自动化系统综合设计”，将乐高机器人的编程实践并开展机器人竞赛作为“高级语言程序设计”的实践环节，将全向移动机器人的建模与运动控制作为“控制系统仿真设计”的大作业等[3]；邀请国内外机器人研究领域的知名专家学者来校给学生开设专题讲座，安排本校机器人技术专家每学期均面向本科学生开设第二课堂讲座。

1.3 机器人技术贯通的专业教学体系

图1所示的是以机器人技术作为主线贯穿的新修订的教学体系，其中学生在低年级时主要学习与机器人技术密切相关的专业基础课程，包括“控制器件”、“自动控制原理”、“现代控制理论”等为代表的控制系列技术基础课程，“高级语言程序设计”、“微机原理与接口”、“嵌入式控制系统设计”等为代表的电工电子与计算机系列技术基础课程，以此可掌握机器人学科的典型控制系统建模、分析、设计、软件编程、硬件实现等方面的基础知识；然后学生开始学习“智能机器人系统”、“数字图像处理”、“机器人技术专题研讨”、“无人作战系统技术专题研讨”等专业课程，深入系统地学习机器人学相关的包括机械结构与平台、传感与信息处理、运动控制与规划、协同与人机交互等基础理论与关键技术知识，为将来综合运用知识开展机器人技术研究、解决实际工程问题打好基础；此外，通过开设专家专题讲座、第二课堂等，使学生拓展在机器人技术方面的视野和知识面，了解前沿研究方向与研究进展；最后学生通过以机器人为载体的“自动化系统综合设计”和团队式/对抗式毕业设计，机器人学科/学术竞赛等综合应用所学知识，开展机器人技术的研究与开发，全方位地提高创新能力和解决实际问题的能力。

图1 以机器人技术贯通的控制类专业教学体系

该教学体系以机器人技术为主线将基础理论、专业知识、前沿技术和创新实践有机贯通，打通了课堂教学和创新实践过程，极大地吸引了学生们学习机器人技术的兴趣和热情，促进了学生对机器人技术的理解和掌握，提高了学生独立地分析和解决实际问题的能力，为在毕业设计、学科/学术竞赛等课外创新实践活动中综合应用所学知识，提高创新实践能力奠定了良好的基础。

2 保障教学体系实施的措施

作为保障教学体系健康实施的具体措施，依托我校控制科学与工程国家一级重点学科的科研优势，统筹建设了控制技术实验室、无人系统实验室、机器人技术创新实践基地，建设了各具特色的先进机器人设备群及其应用环境，构建了面向广大学生的“创客空间”，有效地支撑了学生不同层次的创新实践活动[4]。

2.1 控制技术实验室设备群建设

按照“平台模块化、功能多样化”的思路，建设了控制技术实验室机器人设备群(如图2所示)，支撑专业技术基础课程和专业课程的实践教学，为学生夯实学科基础知识、提高动手能力提供平台环境。以全向移动机器人开放式综合实验平台为例，该平台由全向移动底盘、控制组件、执行组件和传感器组件组成，可方便增减/更换各型组件，既能完成单一器件的性能实验，又能支撑复杂控制系统的设计，适合不同教学对象、不同复杂度、不同难度的实验教学需求，为学生深入学习“自动控制原理”、“自动化系统综合设计”、“嵌入式控制系统”等课程，提供多层次、全方位的实践训练平台[5]。该平台从2012年开始，支撑了“数字化装备接口课程设计”、“计算机接口与应用课程设计”、“嵌入式控制系统原理与应用”、“计算机辅助控制系统设计”、“嵌入式控制系统设计”、“自动化系统综合设计”等6门(22次)课程，覆盖学生近千人次。

图2 控制技术实验室机器人设备群

2.2 无人系统实验室设备群建设

按照“虚拟与实际结合、技术与战术结合”的思路，建设了无人系统实验室机器人设备群及应用环境(如图3所示)，既支撑学生深入系统地学习机器人技术专业知识，又为学生开展对抗式/团队式毕业设计提供环境。建设了大脚攀爬地面无人平台、空中四旋翼无人平台及其相应的仿真平台，并考虑无人系统在未来作战中的应用，设计实现了战场沙盘模型、局部定位系统，可以实现在沙盘模拟战场环境中的无人作战对抗演练；开发了三维虚拟对抗平台，可进行无人系统虚拟对抗作战；也可将三维虚拟对抗平台、空地无人平台实物、以及局部定位系统结合，完成虚实结合的对抗演练。学生既可以深入学习实践机器人技术，又可以探讨未来无人作战的应用技术/战术，为培养复合新型军事人才奠定基础。

图3 虚实结合的无人系统实验室机器人设备及应用环境

2.3 机器人创新基地设备群建设

按照“学科竞赛牵引、自主创新研制”的思路，建设了机器人技术创新实践基地机器人设备群[6](如图4所示)，构建综合创新实践平台，为学生参加高水平机器人学科/学术竞赛取得优异成绩奠定了基础。针对RoboCup机器人世界杯中型组比赛和救援机器人组比赛，自主研制了全向运动/全向视觉多自主足球机器人系统和小型化履带式救援机器人系统；针对地面无人系统创新挑战赛(UGVC)，自主研制了升降平台机器人和轮履结合式移动机器人；针对亚太大学生机器人大赛(Robocon)，研制了组合机器人系统。

图4 机器人技术创新实践基地机器人设备群

2.4 在教学全过程培育创新文化

培育创新文化要从课堂教学抓起。以“高级语言程序设计”课程为例，设置机器人擂台赛作为该课程的考核内容之一，以兴趣激发学习，以问题引导学习，组织学生采用乐高模块搭建机器人平台，设计功能软件，进行对抗比赛。这种学习方式启蒙了学生的创新意识，提高了学生的程序设计能力和团队协作能力，使学生初步尝试了应用所学知识分析和解决实际问题的全过程。又比如“智能机器人系统”课程，该课程教学采取综合使用竞赛式的随堂作业、综合性的课后作业、增大实践和实验在考核总分中所占比例等手段，让学生体验机器人系统论证、设计、制作、调试的全过程，增强了学生的知识综合运用能力。

打造我校机器人文化节品牌，营造浓厚的科技创新文化氛围。经过多年的建设和积淀，文化展厅、名家讲座、科技文化节、学科竞赛、国际学生科技周等活动成为学校靓丽的风景。通过组织学生科技创新成果展示和观摩、学术讲座、系列创新大赛等活动，使学生体验创新带来的快乐，激发其探求科学奥秘的动力。学生从机器人文化节中深受鼓舞和启迪，从而催生了以“蛇形机器人”、“球形侦察机器人”、“履带式救援机器人” “两轮直立平衡车”等机器人为代表的一大批创意奇妙的学生课外科技创新实践作品。

依托对抗式毕业设计和高水平学科/学术竞赛，培育升华创新文化。在无人作战综合演练对抗式毕业设计中，20余名学生既要合作攻克机器人各项关键技术，技术集成后，还要开展背靠背的对抗演练，实现“技术与战术的有机统一”。值得一提的是，依托参加国际级和国家级高水平机器人学科竞赛的契机(如图5所示)，将机器人世界杯(RoboCup)、亚太大学生机器人大赛(Robocon)、国际地面无人系统创新挑战赛(UGVC)比赛中的关键技术进行有机分解，作为学生的毕业设计题目，开展团队式毕业设计，营造合作学习、协同攻关的创新文化氛围[7]。

图5 学生参加高水平机器人学科/学术竞赛

3 教学体系实施阶段性成效

3.1 毕业设计质量显著提高

依托该教学体系，组织实施了攻防对抗式和团队式本科毕业设计。以攻防对抗式毕业设计为例，学生深入学习了无人作战涉及的关键技术，树立了无人作战体系对抗的观念，培养了解决实际问题的能力和团队精神，为学生毕业后从事无人作战相关技术研究、无人装备操作使用和维护管理等工作打下坚实的理论和技术基础。2012、2013级控制科学与工程专业试点表明，对抗任务设定激发了学生学习高科技的主动性，技术与战术相结合驱动了能力素质的培养，对抗演练提升了学生对无人作战内涵的理解和技术装备的运用能力，毕业设计的质量得到了明显提高。

依托高水平学科/学术竞赛组织实施的团队式毕业设计完成质量普遍较高，为我校培养了大批的拔尖人才，大部分学生进入硕士和博士阶段的学习，成为各科研团队中的研究生骨干；由于创新能力突出，相当部分学生还获得国家留学基金委的资助进入国外高水平大学攻读博士学位。

3.2 参加学科竞赛成绩优异

2012年以来，学生参加各类学科竞赛分别有52人次、407人次、301人次在国际级、国家级、省级竞赛中获奖。代表性成绩包括：在国际赛上，参加RoboCup机器人世界杯，获中型组4强2次、6强2次、8强1次，技术挑战赛亚军1次、季军4次，救援机器人组比赛第5名，最佳运动能力单项冠军；2016年度参加首届国际地面无人系统创新挑战赛(UGVC 2016)，包揽遥控组冠军和亚军、自主组冠军；在国内赛场上，获救援机器人组冠军4次、亚军2次，中型组季军4次、技术挑战赛冠军3次，标准平台组亚军1次；2012-2013年，连续两年获得Robocon国内选拔赛亚军，分获最佳技术奖、最佳策略奖。

此外，学生还获批国家级大学生创新训练计划项目12项，获发明、实用新型专利17项。

4 结语

本文提出并建设了以机器人技术为主线贯通基础课程和专业课程的理论与实践教学全过程的控制类专业教学体系，按照基础理论、专业知识和前沿技术三个层次构建学生全方位的知识体系，以课堂教学为基石、团队合作为手段、对抗竞技为平台，多维度地培养学生创新机器人技术、解决实际问题的能力。以机器人技术为主线贯通的教学体系，有效弥补了课堂教学中动手实践不足、课程内容衔接不足，解决了控制类课程体系和教学内容适应人才培养新要求、与时俱进的问题。