“课程-项目-竞赛”驱动的机器人方向教学方法

柯文德， 融亦鸣， 路 冬， 魏 艳， 黄业绪

（南方科技大学机械与能源工程系，广东深圳 518055）

0 引 言

机器人是多学科综合交叉的成果，是现代制造业的必然产物，其技术发展涉及机械、材料、仿生学、自动化、计算机、电子、传感器、图形图像、人工智能等众多学科，是智能制造的重要载体、测试和应用平台，是创新实践的重要体现［1-4］。2017 年7 月8 日，在《国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知》中［5］，提及“人工智能的迅速发展将深刻改变人类社会生活、改变世界”“抢抓人工智能发展的重大战略机遇，构筑我国人工智能发展的先发优势，加快建设创新型国家和世界科技强国”，提及包括工业机器人、服务机器人、云机器人、特种机器人、空间机器人、海洋机器人、极地机器人、智能机器人等在内的机器人技术，在人工智能理论与技术、产业竞争力、法律法规、伦理规范和政策体系上明确了到2020、2025、2030 年的3 步走战略目标。

结合机器人技术发展趋势，2016 年教育部将机器人工程专业（代码：080803T）批准为本科新专业，分别于2017 ～2019 年公布了已开设该专业的185 所本科院校［6-8］。

很多高校依托计算机、自动化或机械工程等专业，开设了机器人方向的课程教学并积极筹备申报机器人工程专业，在某些课程上践行了项目驱动教学的方法并取得相关成效［9-15］。由于机器人方向教学内容涉及到相关学科的基础理论、原理及方法，在机械结构、电子电气、运动控制、传感器信号处理、软件开发及行业应用分析上特色明显，新知识更新迭代速度快，对教学环境、教师的跨专业知识储备、学术能力、工程实践经验等提出了挑战，普遍出现一些新问题，例如理论知识与实际问题脱节、课程教学中前沿知识更新慢、学生学习缺乏行业指引、学习目的性和导向性不明确、解决问题的思路和创新性较差、工程样机设计能力较弱等。

我校机械与能源工程系自2017 年2 月开设本科阶段机械工程专业机器人方向教学以来，到2019 年3月机器人工程专业申请获教育部批准通过，历时约2年。在这两年中，结合学校“创知、创新、创业”的办学特色和“培养拔尖创新人才”的目标，兼顾机器人基础知识与前沿技术进展，逐步开出一系列专业课程，例如，机器人导论、机器人基础、机器人建模与控制、工业机器人系统、机器人创新与应用、机器学习、模式识别、传感技术与信号处理、微机电系统基础、微加工与微系统、嵌入式技术与机器人、仿生机器人、行走机器人、微型机器人、机器人操作系统、协作机器人学习、多智能体系统、机器人与仿生学、软体机器人等课程，其教学过程贯穿了基础理论、原理、方法、前沿技术及工程应用等一系列过程，力图在教学广度和深度上进行拓展。

“课程-项目-竞赛”驱动的机器人方向教学改革方法在于实现行业拔尖创新人才培养，在此以机器人基础、传感技术与信号处理、嵌入式技术与机器人、机器人操作系统等4 门课程为例进行教学改革方法阐述，该过程贯穿了专业课程教学、课程项目研发与学科竞赛，成果形式体现在教学方法上的创新、学生参加全国机器人大赛获奖以及升学就业等方面。

在以上所述的4 门课程教学过程中，构建逻辑清晰、前后相关的教学主线，由浅入深、循序渐进地讲授机器人结构、运动学、动力学、轨迹规划、传感器技术、嵌入式系统原理、运动控制及算法分析、机器人操作系统的任务节点设计与调度等知识，以关联度高的课程实际项目研发为必要的知识巩固和探索手段，紧跟机器人领域前沿技术发展、行业实际问题解决及应用等需求，构建起课程项目库，指导学生选题并以工程管理方法实现完整项目，变被动式消极学习为主动式积极学习，设计并研制出了一系列的机器人仿真样机与实际工程样机，研究过程中积累的关键技术为本科生进入教师科研团队参与研发打下了坚实的基础，促使学生参加由中国人工智能学会和共青团中央主办的全国性机器人赛事。通过该过程的锻炼，学生深刻理解了机械工程专业机器人方向的培养目标，学习和研究体现出了明确和强烈的目的性，锻炼了创新性思维、动手能力、团队协作能力，培养出了“迎难而上、主动学习、紧跟发展、积极创新”的优良品质，学生们在毕业后获得了国内外著名高校攻读研究生或直接攻读博士资格，或者进入行业影响力较大的企业中工作。

1 培养目标与教改方法特色

1.1 培养目标

我校机械与能源工程系机械工程专业机器人方向体现学科交叉、产业共建、产业实习、海外实习等方面，培养学生具有坚实、宽广的基础理论知识以及机器人工程知识、掌握机器人工程的科学研究方法和工程设计方法，了解机器人理论、工程技术和产业的发展动态和前沿技术，学生具备严谨求实的科学态度、追求卓越的精神、强烈的社会责任感与使命感、良好的交流沟通能力、创新性思维、独立认识问题及解决问题的能力，具有国际化视野，能够与国际化专业及产业发展接轨，能解决未来重大科学问题和工程挑战。

1.2 教改方法特色

（1）教学、项目、学科竞赛有机结合，互为补充和促进。以课程教学为主，以课程项目和学科竞赛为有效补充和促进手段，3 者相互结合、相互补充、互为驱动。课程教学、课程项目、学科竞赛等环节在侧重点和执行过程中存在较大差异，协调各环节差异、确保整体过程的有效性非常必要，需要充分考虑知识点安排与任务组织的有效性、长期性和挑战性。课程教学着重于夯实机器人方向的基础理论和体系架构，对原理及方法的掌握要深入、细致、有效；课程项目着重于提高学生把握行业现状和关键问题，创新性地将理论知识融入实际问题的解决中，并设计机器人样机；学科竞赛是检验课程项目尤其是关键知识的良好平台。这3 个环节彼此关联，课程教学是课程项目和学科竞赛的基础，课程项目和学科竞赛则反馈到课程教学中，共同提升整体教学水平。

（2）紧跟机器人行业和前沿技术发展。机器人行业技术发展是机器人方向教学的有力推手，紧跟国内外机器人前沿技术发展，选取有代表性的新方法引入课程教学中，体现前沿性特点。同时，为增进专业知识的学以致用和创新能力培养，与企业联合设计满足教学内容并具有一定挑战性的课题项目库，题目的确定涉及已有的理论知识综合应用和创新，部分教学未讲授的知识也被引进到项目中来。以工程方法管理并推进项目进度，学生参与完整流程的研发工作，确定研发目标、任务分解、物料表清单、进度安排等，实现从行业分析、文献查阅、应用场景设计、仿真模型构建与分析、实物样机机械结构打样、下位机运动控制、数据采集到上位机场景识别、智能计算与决策等完整流程。

2 课程教学方法的改革

2.1 完善教学环境、拓展交流渠道

良好的软硬件教学环境有利于教学课程的正常开出与授课质量，我系完善了机器人及自动化实验室、机器人教学实验室所需的机器人软硬件设备，并创建了用于教学与科研创新的三大实践平台。包括：①先进制造实践平台；②创新设计实践平台；③自动控制、机器人与人工智能技术实践平台。用于支持课程实验与项目实践教学需要，并服务学术科研，鼓励学生依托该平台开展创新构思、原理探索、样机研发等活动，完成课程项目，学生完成相关课程学习并积累研究经验，有助于进入教师科研课题组并在教师指导下开展新的科学研究工作。

为加强与国际同行及行业企业交流，拓展学生的国际视野，引入创新性思想，及时把握机器人方向发展动态，培养机器人行业引领人才，我系邀请国内外高校、研究院所、机器人企业资深专家进行探讨和交流，开展技术讲座，安排学生们在夏季学期参与国内外高校与企业的研究及实践活动。目前，我系与深圳市大疆创新科技有限公司、固高科技（深圳）有限公司、大族激光科技产业集团股份有限公司等众多企业建立了合作关系，并与清华大学、哈尔滨工业大学、美国麻省理工学院、美国约翰霍普金斯大学、加拿大不列颠哥伦比亚大学、新加坡南洋理工大学等国内外高校开展项目合作、教授互访、学生参与科研项目等交流活动。

2.2 联合授课、对接国际先进教学水平

为培养学生的专业知识和国际视野，拓宽知识面与学术交流渠道，促进国际交流与合作，我系在部分课程中邀请了国际上著名的机器人专家学者与系里教师合上某一门课程。例如，机器人基础是学生接触的第一门机器人方向的核心课程，系统性地介绍了机器人动力学、运动学、轨迹规划、控制系统、传感器、驱动技术、图形图像处理等，具有基础性、原理性、方向性的重要地位，课程讲授时既要体现教学主线及其重点与难点，也要体现本学科相关技术的演变过程与前沿特征，对讲授教师提出较高要求。在该课程中，我系分别在不同学期邀请了美国霍普金斯大学和新加坡南洋理工大学的相关教授与系里教师联合开出，结合实际工程案例分析教学内容，并从学科高度上阐述机器人关键技术的研究进展及现状。传感技术与信号处理是专业核心课程，主要讲授传感器原理、多传感器信号融合及分析方法等，并增加了传感器前沿科学研究问题，该课程邀请了美国麻省理工学院的相关教授联合讲授，强调课堂教学并加大了自学环节任务量，在课程考核中增加了创新性项目开发及成果答辩，要求学生采用新理论及方法构建传感器信号分析系统并证明其有效性。通过这些联合授课，对接了教学资源，实现教学优势互补，促进了学生积极主动学习并在项目实践中提高分析和解决问题的能力。

2.3 构建明晰的学习主线和合理的知识体系

参加课程学习的大多是大二大三的学生，大部分是由于好奇、兴趣而选择该方向，对机器人领域及知识结构并没有太明确的理解和体会，因此，要结合培养目标，构建起有足够涉及面和一定深度的知识体系，特别是要将课程教学内容贯穿为前后关联、整体的教学主线，体现明显的层次性、梯度性和延续性特点，紧扣机器人领域基础性、原理性和经典方法开展教学，以夯实基础，并将前沿关键技术的起因、基本思想、已有解决方法的优缺点等适当融入课程教学中，激发学生的兴趣和求知欲，体现教学内容的立体化特点。应能使学生深刻理解每门课程的知识体系与该门课程在教学主线中的地位和作用、涉及的重点与难点问题，承上启下、深入浅出地学习从机械结构、运动学、动力学、运动控制、传感器、操作系统、智能算法等不同的知识点并实现逐一过渡。

清晰和贯穿始终的学习主线对于机器人方向教学成效至关重要，直接构建了知识体系并明确了各个知识点之间的关系，是具体课程的理论教学、实验教学、课程项目开发、企业实践、科技竞赛等的基础和根本。围绕该主线开展教学工作，既体现出宏观上的专业方向架构，也体现出微观上的基础性、原理性及方法性的特点，具有重要意义。

由于每门课程的自身系统性特点，教学主线贯穿的课程内容会存在一定差异甚至鸿沟，例如从基础动力学和运动学到仿生机器人中的运动学和动力学的跨越、从运动控制到传感器数据处理的跨越、从操作系统到智能算法的跨越等，不同课程的主讲教师要增进交流，在课程教学中预留后续课程伏笔并善于引导学生，在课程实验与项目设计中要确保内容前后边缘重叠，从而在一定程度上弥补和消除差异。

2.4 项目紧扣课程教学并体现行业前沿发展

机器人技术发展迅速，行业应用的迭代过程及更新速度快，应用前景非常广阔，《中国制造2025》《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020 年）》《新一代人工智能发展规划的通知》《机器人产业发展规划（2016—2020 年）》等纲领性文件均提出技术研发和行业应用的迫切要求，本课题在设计项目时，与深圳市大疆创新科技有限公司、固高科技（深圳）有限公司、深圳市优必选科技有限公司、乐聚（深圳）机器人科技有限公司等企业相关研发人员讨论，深入了解机器人行业特点，结合课程教学内容与学生培养方案，设计出满足实际应用需要、有挑战性和前沿性的项目库，供学生选题并开展研发。

通常，在课程总成绩分布中，作业、考勤与实验成绩占30%，期末考试成绩占40%，课程项目成绩占30%；对于没有期末考试的考查课，课程项目成绩占70%。在每学期第1 次上课时，将会向同学们公布本学期的课程项目库，要求在1 周内完成选题。项目库题目与课程教学知识关联紧密并体现前沿技术特点，以确保学生可以从课堂讲授和课外自学中实现学习效果。例如，机器人基础课程项目库包括4 个题目：双臂协作机器人、机器人手掌、并联机器人、底盘移动作业机械臂。传感技术与信号处理课程项目库包括傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z变换在故障诊断、通信、图像处理中的应用（约15 个题目）以及基于卡尔曼滤波、人工神经网络的多传感器数据融合中的应用（约15 个题目）。智能机器人技术课题项目库包括7 个题目：24 自由度仿人机器人、双足轮腿式机器人、四足机器人、六足机器人、管道机器人、蛇形机器人、17 自由度机器人手掌。机器人操作系统课题项目库包括2 个题目：差速移动ROS机器人、全向移动ROS 机器人。在这些项目中，仅提供必要的配件耗材，例如铝板、亚克力板、伺服电动机、步进电动机、直流减速电动机、Arduino控制板、STM32 控制板、驱动器、锂电池、杜邦线、铜柱等，学生们根据自身兴趣组队（2 或3 人/组），逐项完成问题分析、建模、运动学与动力学分析、机械结构打样、控制系统设计、软件开发与样机测试等。在每门课程项目正式答辩和样机展示前，教师会组织一次中期检查，重点了解项目研究进度、存在困难以及解决思路；在正式答辩时，通常会粘贴每组项目海报，欢迎校内师生参加旁听，同时邀请相关机器人公司一线工程师和系里机器人方向教师参加并对每组项目评分，其平均分作为该组成员的最终项目分数。

课程项目的意义在于：学生们在规定时间内（通常为一个学期）完成该门课程项目，力争在机器人的行业应用及创意、结构及控制优化、系统鲁棒性等方面达到尽量高的指标值，驱动他们对讲授的课程知识和未讲授的关联知识的学习变得有强烈的目的性和主动性，提高了学习效果和速度，对涉及的前沿技术产生了浓厚的兴趣并力图在项目中加以体现。

2.5 参加学科竞赛并反哺教学

机器人相关竞赛通常与前沿技术研究热点及难点结合，设置的比赛项目多、涉及面广等。例如，由中国人工智能学会主办的全国机器人大赛自1999 年起已连续举办20 届，项目种类有仿真型、半自主型、全自主型、仿人型、水中、空中、对抗、创新创业型等，影响力大、参赛队多、竞争激烈、竞赛水平高，是验证学生们学科知识、创新能力、实际动手能力、心理素质、团队协作能力的重要平台。教师根据该大赛要求，基于已有的课程项目成果和对关键技术的积累及掌握，筛选学生组成参赛队，投入精力和时间积极备赛，分别于2017年、2018 年参加两届全国机器人大赛，均取得多项一等奖的优异成绩，同时，还积极参加由共青团中央主办的“创新有未来”全国高校人工智能创新大赛并取得较好成绩。通过学科竞赛的赛前、赛中、赛后各阶段，同学们能够分析竞赛类型的特点和要求，主动找寻解决问题的方法，分析对手特点并准备相关应对策略，提升样机的重要性能指标和综合性能指标，全身心投入打好每一场比赛，在比赛间隙及时改进样机并调整技术参数，在比赛后结合视频录像和感受，分析得失并总结经验教训，为下一次比赛积累经验并迭代技术。

在比赛后的课程学习中，教师会列举比赛涉及的专业知识，分析其中的得失，特别指出因为主观原因和专业技术不足导致的被动和失分问题，提出技术问题的突破口，在课程项目研发中涉及该技术时，会额外增加加分项作为同学们解决该问题的回报。通过竞赛与反哺，验证了课程教学中的知识点和课程项目的创新性技术，锻炼了同学们的学习能力、动手能力和竞赛能力，增进了对机器人发展前沿的关键知识把握。

3 取得的成效

经过约两年的实践检验，初步形成了一套“课程教学-项目研发-学科竞赛”的教学改革方法，在2014 ～2016 级机械工程专业机器人方向的教学过程中得到了推广和应用，取得了相关成效，主要体现在：

（1）研发出了一系列的机器人实物样机，包括：工业机器人、管道机器人、爬壁机器人、中型仿人机器人、机器人手掌、蛇形机器人、轮腿式机器人、六足机器人、四足机器人等。

（2）在2017、2018 年参加了由中国人工智能学会主办的第十九届、第二十届全国机器人大赛取得一等奖4 项、二等奖9 项；在2018、2019 年参加了由共青团中央主办的“创新有未来”全国高校人工智能创新大赛获得一等奖1 项、二等奖2 项。

（3）所有学生均进入教师课题组开展学术研究，课程学习中打下的良好基础促使他们能更好地开展研究工作、发表研究论文和申请专利，部分学生参加了国内外学术会议并宣读研究论文。

（4）升学就业方面，部分应届毕业生赴美国圣母大学、北卡罗莱纳州立大学、波士顿大学、英国谢菲尔德大学、加拿大多伦多大学、澳大利亚昆士兰大学、新加坡国立大学、华中科技大学、北京邮电大学、南方科技大学等高校攻读硕士和博士学位；部分应届毕业生进入工业和信息化部研究所、三星通信技术研究有限公司、比亚迪股份有限公司、海能达通信股份有限公司等企事业单位工作。

4 结 语

基于我校人才培养目标和办学特色、机器人学科特点、行业发展需求等要素，从教学主线确立、教学内容组织、课程实验及项目开展、行业交流、学科竞赛等多个方面共同构建，经过两年多的实践检验，初步凝练出了一套“课程-项目-竞赛”驱动的机器人方向教学改革方法，并取得了一定成效，可对兄弟院校的相关工科专业尤其是机器人方向的教学工作有一定的参考。