“课—赛”融合的智能机器鱼集群控制课程教学探索与实践＊

张建磊

（南开大学 人工智能学院，天津 300371）

引言

“高校立身之本在于立德树人。”党的十八大以来，习近平总书记高度重视高等教育事业发展，多次强调立德树人这个根本任务，指出只有培养出一流人才的高校，才能够成为世界一流大学。学生在即将步入社会前，最重要的青春时光都是在高校度过的。高等学校的“熔炼”质量，直接决定着学生能否成为社会的栋梁之材。因此，切实地让学生学有所得，高校的课程建设及改革尤为重要。

不同于中学时代的课程，高校的课程涉及基础类课程和专业课程，大多具有一定的学习难度。尤其是理工科背景下的课程，一般而言，较为抽象难懂，需要学生花费相当多的时间才能掌握。更为重要的是，这些课程大多具有延展性，课堂上所学的一般只是“冰山一角”，如果多加思考和探索，会发现课本之外还有很多更为深刻的知识点。因此，在高等学校的课程教学中，如何尽量减少知识抽象带来的枯燥感和畏惧感，同时让学生完全熟练掌握课堂所讲的基本知识点，并且还能学以致用，是需要尽快解决和思考的问题。

在人工智能学院的学科背景下，我们为研究生和博士生开设了集群智能控制专业课。如何让学生真正地学有所得，该课程的课堂设计、课堂讲解、课后考核等是我们需要用心设计的课题。抛开传统的教师在课堂讲、学生在下面默默听讲的“灌输”模式，我们用“课赛融合”的模式来引导此门专业课的课程设置，调整教学内容，尝试课程改革。在教学中，消除课程本身可能带有的枯燥感，增加学生对此门课程的学习兴趣，提高学生掌握并运用相关知识点的能力，是我们的教学设计目标。

一、课堂的理论内容设计

集群智能控制是涉及多个生物体的一个研究问题。在课堂上，我们将主体定位成机器人。在给学生介绍此课程时，我们可以从这样的一个角度展开：机器人群体执行任务相对于单个机器人，有更高的空间利用率和任务执行效率，且可靠性更高。在一些复杂度较高的任务中，机器人群体有更好的任务表现，其在军事和空间探索领域具有广泛的应用。至于课堂所授内容，以典型生物群体智能建模为主，例如鸽群层级引领机制建模、雁群线性编队机制建模、狼群协同围捕机制等。进而，在对群体特性分析和群体智能建模基础上，讲解从智能体到机器人集群自主控制的映射机理，介绍基于群体智能的系统集群自主编队、任务分配等技术，以及实验验证方法和设计思路。

鉴于课程本身的学科交叉特点，与生物行为紧密相连，我们可以从鸽群、雁群、狼群等生物的行为特点开始介绍。由浅入深地引导学生对集群行为进行学习和了解。同时，在讲解过程中也要适时地抛出问题，启发学生进行思考，而不是一味地灌输知识。从各个方面，适度地增加与学生的活动，才能实现优质的教与学。

二、课堂实践依托水下机器鱼竞赛

关于机器人，学生大多听过见过，这也是现在的研究热点之一。只是，我们的课堂上采用的是特殊的机器人：机器鱼。众所周知，地球上大部分区域被水覆盖，茫茫未知的浩瀚海洋，是我们人类的探索目标之一。水下机器人是人类探索水下世界最重要的手段之一。因为我们的课程内容是集群行为，所以涉及水下机器鱼集群。以他们为例，向同学们讲授在具体的工作任务中，比如协同搬运物体，机器鱼群是如何通过任务分配完成协作目标的。同时，我们也积极引导学生参与专业竞赛。终极目标是：在改革教学方法的同时，把由注重知识的传授向能力培养转变，由灌入式向启发式转变，由重理论轻实践向理论联系实际转变。

例如，在2019年第十二届“临港杯”国际水中机器人大赛中，我们通过组织学生研究赛题、学以致用，最终摘得冠军1项，亚军1项，三等奖3项，同时获得优秀指导教师奖、优秀组织奖等多项佳绩，为学校争得多项荣誉。竞赛的设置会引导我们向实践靠拢，比如本次比赛共设置水下机器人竞速、目标识别抓取、水下操控、自主视觉和创客生存挑战等项目。具体地，我们参加了目标识别抓取、水中污染源项目、水面污染源项目、港口侦察项目等。在实践中，更深刻地领会了集群控制所涉及的知识点和技术方法，达到了比较好的学以致用的目的。

三、竞赛结果反馈于课堂教学

国际水中机器人大赛自2007年作为人工智能领域国际化赛事亮相以来，受到世界范围内的广受关注。我们近两年都在积极组织学生参赛，将教学内容与实践感受相结合。教学内容中的理论模型，实践活动中的复杂物理因素，如何相结合、相对应，是对所学知识更深刻的理解和应用。例如，在课上，我们讲解水下机器鱼协同搬运物体时的策略优化问题。在竞赛中，机器鱼是放置在水池中进行任务协作的。此时，不仅需要考虑机器鱼本身的物理尺寸，还需要考虑水池的边界，以及机器鱼的避障（尽量避免撞击水池边缘）。而且，在机器鱼执行任务时，我们还需要考虑机器鱼的电量问题，它的工作时长是有限的。机器鱼因耗电量过大而掉队，也会影响群体的任务完成效果。因此，这些竞赛中所遇到的实际物理因素，需要我们在课堂所学知识的基础上，进行更具难度的思考和设计。

将课堂所学与竞赛所需相结合，两者相辅相成，可以推动我们的课程教学内容改革，由单调到生动，由理论到实践。在将理论知识用于实际问题的解决中，学生才更能体会知识点的价值，加深对它的理解。若应用理论知识成功地解决了应用问题，学生会因此获得成就感，这也有助于增加他们的学习兴趣。还有一点是课堂教学无法比拟的，竞赛多是团队协作完成，需要团队成员通力配合。在集体活动中，有助于锻炼学生的团队协作能力和责任感。从教学的角度而言，竞赛结果也有助于丰富我们的课堂教学内容，转化为属于我们自己的实验教学内容，最终达到培养学生实践创新能力的作用。在学生未就业时，参与专业竞赛可以促进他们理解人工智能、机器人等新技术如何在海洋科学的发展中应用，达到我们学以致用的育人目的。

结语

我们以人工智能学院背景下，“课赛融合”模式在集群智能控制课程教学中的实施情况。课堂上的教学设计以生动丰富的讲解、有趣的问题引导与调动积极性、自愿参与的机器鱼竞赛、竞赛内容与经验改良和丰富教学内容，等多部分有机组成。结果表明，通过这种整合课堂教学内容，合理设计课堂教学，有助于实现智能学科教学过程中“教、学、赛”的一体化，学生的创新能力和工程实践能力将会得到显著提高。