智能机器人方向的实践教学体系改革探讨

吉鸿海 毕 松 李志军 徐继宁 范国梁

(北方工业大学 北京 100144)

一、引言

(一)背景

近年来，机器人在城市安全、电力、医疗、教育、农业、环保、家庭服务等几乎所有与社会生活相关的产业迅速发展。机器人已经成为“十三五”规划的重要产业方向，《机器人产业“十三五”发展规划》中明确指出智能机器人将发展成为具有千亿规模的巨大市场，据权威预测，未来5 年我国智能机器人领域专业技术人员和工程师的需求巨大。

新型工科专业人才的典型特征之一就是具有复杂工程问题解决能力，而面向复杂工程问题是新型工科培养方法与传统工科教学方法的重要区别，如何设计复杂工程问题就成为新型工科教学的重点问题之一。智能机器人方向是典型的面向产业、面向世界、面向未来的新兴工科专业，具有典型的多学科交叉的特点，是培养具有产教融合、多学科交叉能力的新型工科人才的良好载体。因此，智能机器人方向的综合实践教学就是“新工科”背景下培养和锻炼解决复杂工程问题能力的典型教学方式，该综合实践教学体系改革探讨具有重要的理论意义和实践价值。

（二）现状

以智能机器人为对象，不同高校对“新工科”背景下的教学模式进行了深入研究和探讨。广东理工学院对工业机器人应用技术教学改革进行了探索[2]。天津大学制作了一套互联网+机器人智能制售系统，满足了实践教学与创新创业需求[3]。上海理工大学以“成果导向”教育理念为前提条件，把专业教育成果作为出发点，对基于“成果导向”教育理念的机器人工程专业人才实践能力培养模式进行了探索[4]。

（三）问题

传统的智能机器人相关课程的设置以经典工业生产环节抽象的被控对象为目标，通过调整配套被控对象的控制系统参数，并观察被控对象的变化过程，引导学生深入认识系统化、智能化过程。但是经典的被控对象存在形式较为抽象、控制目标较为单一、控制系统体系扩展较为困难的问题，同时不符合新时代技术发展趋势和学生学习的兴趣，培养学生跨学科知识及跨界能力不足，对学生工程实践能力培养不到位等问题；授课方式以课堂讲授为主，缺乏对学生进行整体知识构建及开展工程实践能力培养的有力举措。以电气与控制工程学院自动化系17级实验班专业分流情况看，该班80%的学生选择了智能机器人方向。因此从复杂工程问题的角度建设智能机器人方向的相关课程，对提高自动化专业教学能力和满足相关专业学生学习需求具有重要的支撑意义。

二、研究基础

（一）研究目标

围绕智能机器人方向的相关复杂工程问题，本课题组进行了“自动化系统设计”课程建设，重点开展了综合实践教学体系设计。以智能双轮平衡机器人为实践载体，设计了实践教学资源、平台和评价体系，结合教学过程反馈研究教学改革机制，构建智能机器人实践课程的“设计-实施-改进”闭环。

（二）研究思路

1.实际工程问题的要素化分解方法，区分实际问题的要素种类，研究各要素之间的联系，实现实际工程问题的要素化分解。

2.复杂工程问题的功能化重构方法，以智能机器人“自动化系统设计”课程建设为目标，设计基于实际问题要素重构的复杂工程问题，并建立目标场景并完成面向智能机器人方向的教学内容设计。

3.基于教学过程反馈，探究复杂工程问题和教学内容设计过程，调整实际问题要素化分解和复杂工程综合过程，提升复杂工程问题对实际问题的映射能力，建立面向复杂工程问题的“设计—实施—改进”机制。

（三）研究平台

智能机器人方向的实践教学改革依托于北方工业大学电气与控制工程学院智能机器人场景化实验室。该实验室运行和学习模式由学院自动化专业教师精心设计和组织，聚集了自动化、电气工程、机械设计、计算机、工程管理、文法艺术等各个专业、多个年级的学生，已经成为我校“新工科”建设的重要试点工程。智能机器人场景化实验室已经运行四年多，完成了全校多个专业的数百名学生的综合实践教学培养，毕业后大部分学生进入研究生阶段学习，部分学生进入企业成为核心研发人员。实验室开发了“智能双轮平衡车”作为“自动化系统设计”系列课程实践教学载体。

三、研究内容

（一）技术路线

（二）教学改革

1.教学目标

智能机器人方向的综合实践教学目标具体要求学生在毕业五年后，具有以下职业发展能力：

目标1：具有智能机器人相关领域的基础理论和专业知识，能够应用相关知识对复杂工程问题进行描述、分析、评价和提出解决方案。

目标2：具有系统思维和智能机器人相关领域的专业技能，能够在社会、经济、法律、环境、安全和文化背景下解决相关领域的复杂工程问题。

目标3：具有良好的沟通交流和团队合作能力，能够组织或实施智能机器人相关领域的工程项目。

2.要素化分解

本文主要从工程知识、设计/开发解决方案、研究、个人和团队、专业沟通、系统思维能力六个方面进行教学体系要素化分解，具体描述如下。

（1）工程知识：能够认识、理解和判定智能机器人系统的组成、基本原理和相关复杂工程问题。

（2）设计/开发解决方案：能够对智能机器人方向相关复杂工程问题进行分析，构建问题解决方案。

（3）研究：能够基于科学原理和科学方法在智能机器人方向相关领域进行实验设计。

（4）个人和团队：能够对实践教学过程中的非技术表现予以评价，说明团队中个人与合作同学、老师之间的角色定位和关系，具备团队合作意识。

（5）专业沟通：能够就智能机器人方向相关领域复杂工程问题撰写技术文档、清晰表达观点，并与团队成员形成有效交流。

（6）系统思维能力：能够从“要素、链接、功能（或目的）”的系统视角构建或设计智能机器人系统。

3.功能化重构

相关课程通过讲解智能机器人系统的传感器采集与信号处理、硬件电路模块控制、软件PID 算法设计等知识内容，进行智能机器人方向综合实践教学体系功能化重构，让学生理解智能机器人系统的主要构成，认知相关传感器、执行器工作原理，掌握基本电子电路模块使用，理解PID 等算法理论和控制流程，熟悉智能机器人系统设计的基本研究工具。希望本科生能够掌握智能机器人系统设计的基本内容，为其未来理解和解决复杂工程问题，从事自动化或智能化控制系统设计的研究和开发工作奠定基础。

4.实践教学

智能机器人方向实践教学以“智能双轮平衡车”为平台，是研究智能机器人系统工作原理与组成、系统设计与实操、总结改进与汇报的综合实践课程。每学期课程计划设计64 学时，包含讲授4 学时以及实践56 学时（含阶段性总结3 次），2 学时用于验收，2 学时用于汇报。旨在引导学生逐步提升能力，解决智能机器人系统设计领域的复杂工程问题，充分发挥学生自主研究动力，培养学生独立发现、分析和解决问题能力。教学组织方式上，采用翻转课堂形式，践行以学生讨论和交流为主体，以教师讲解和指导为主导的教育理念，对学生进行启发式教学，同时强调学生团队交流，分工协作完成指定实践内容。

5. 评价分析

课程采用分阶段、分层次开展实践教学活动。初期安排了方案设计环节，强调学生掌握实验目的和原理，探索初步实验方案设计，进行团队项目分工，预测实验实践效果。在中期安排了阶段性演示和汇报，注重过程性评价，通过动手实践环节，持续对前期方案设计进行改善和矫正。后期则安排了答辩和汇报总结，对前中期实验结果进行全面复盘，形成持续的改进机制。并注重从理论知识维度，实践技能应用维度以及工程和社会适应维度综合培养专业人才，突出学生工程应用能力和创新意识的培养。

（三）研究方法

（1）针对要素分解，首先调研并收集实际问题，研究实际问题解决的主要关键点，形成要素内容。根据不同实际问题的要素内容，提炼具有共性的要素点，研究要素的提炼机制。从而研究要素的分解方法。

（2）研究复杂工程问题设立的目标，研究实际问题要素点与复杂工程问题培养目标的对应关系，通过实际问题要素点的综合构建复杂工程问题，形成要素点的综合方法，实现实际问题到复杂工程问题的映射。

（3）针对智能机器人方向的相关课程，从收集的实际问题出发，进行要素点分解和综合复杂工程问题过程，并面向复杂工程问题构建场景，设计并制作实践教学所需设备。

（4）设立由学生组成的联合学习小组，和由老师组成的教学评价小组。开展演讲、答辩、展示等多种形式的评测，评价实际问题要素分级、复杂工程问题综合过程的合理性，并对要素分解和综合过程进行改进。

四、结束语

智能机器人方向具有综合学科优势，教学研究氛围好，可以脱离单一学科的局限性。课题组依托于电气与控制工程学院智能机器人场景化实验室，以北京市专业综合改革项目为依托，结合“自动化国家级特色专业建设点”和“分层分流人才培养”国家级教改创新示范区建设，以服务“新工科”改革和探索为目标，以学习能力和思维能力培养为核心，面向智能机器人专业方向进行了持续的改革和探索，目前已取得显著成果。另外，教学改革组成员结构配备合理，既有经验丰富的一线教师，也有多年来一直从事智能机器人、人工智能技术研究的人员，以及长期从事教学方法研究和教学设计的教师，具有良好的教学活动机制和氛围，具有持续改进和提升的基础。

五、参考文献：

[1] 林健.如何理解和解决复杂工程问题——基于《华盛顿协议》的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016(5)：17-26.

[2] 黄永程，杨斌，黎志勇，等.新工科背景下工业机器人应用技术教学改革探索[J].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/44.1522.TH.20190307.1627.028.html，2019.

[3] 于赫洋，白瑞峰，曹晴晴，等.互联网+机器人智能制售系统[J].自动化博览，2018(z1).

[4] 申慧明.基于“成果导向”教育理念的机器人工程专业人才实践能力培养模式探索[J].学科探索，2019(2)：43-45.