智能机器人第二课堂教学改革与探索

谢 茜，吕 晓，刘爱军

（海军工程大学电子工程学院，湖北武汉 430033）

0 引言

紧随时代发展趋势，培养具有“创新、创造、创业、分享”精神的新时代大学生是高校发展的必然趋势。同时，随着我军建设从机械化向信息化、智能化迈进，以及建设世界一流军队目标的鲜明提出，对培养一大批综合素质高、实践能力强的创新型人才的渴求比以往任何时候都更加迫切。海军工程大学于2013 年依托各学科专业建立学员创新实践俱乐部，2016 年为进一步促进各专业创新实践俱乐部的交叉融合，选配专业教员队伍（兼职）、选定专门场地，成立军队院校首个“创客空间”，并开设了相应的实践类课程——用于第二课程教学，在培养学员综合应用能力和工程实践能力上取得了一定效果。

但“人工智能+”大背景下，对创新型人才培养又提出了新的要求：打破专业界限，基于多学科、跨专业，“跨界融合、集成创新”也是高等院校优化人才培养方式的必然举措［1］。因此，为进一步落实大学“X+人工智能”计划，拓展军队院校学员的创新思维及实践创新能力培养，大力推进军队院校开展创新型第二课堂改革是应有之义。

然而，面对军队院校这种特殊环境下，如何开展“人工智能+”第二课堂的创新教育教学，且针对学员个体差异性进行改革，已经成为军队院校创新型人才培养亟需破解的问题。

1 相关工作

1.1 第二课堂与人才培养

文献［1］重点论述了第二课堂在人工智能人才培养方面的优势，提出借助第二课堂辅助开展人工智能教学，并给出了相应举措；文献［2-3］指出人工智能与教育深度融合是促进我国教育高质量发展的必然趋势。在当前教育改革及互联网、人工智能技术等信息技术的快速发展下，缺乏对学生个性和特点的关注，不利于充分发挥学生独立性和创新性。而“互联网+”智慧教学工具与混合式教学相融合，可以提升教与学效率，满足高校人才培养质量需要。文献［4］也明确提出要增强关联，构筑互动显著的一二课堂共育模式；强化牵引，建立科学合理的第二课堂课程体系；善用资源，提升第二课堂对外部资源的利用效能。文献［5-6］指出合理化布置智能机器人知识体系可以满足不同层次复合型人才培养需求，进而培养学生的团队意识、合作精神以及自主创新精神，且课程中蕴含的工匠精神、职业素养以及安全操作等课程思政元素，也可为专业教学提供借鉴。

以上研究表明，第二课程在创新人才培养方面有优势，但如何合理安排教学内容，注重学生各项差异有待进一步探索。

1.2 智能机器人

国外智能机器人教学主要集中在美国、日本、韩国、欧洲等地区。文献［7-8］中以美国为例，其智能机器人教学的主要特点有：①课程设置灵活，课程针对方向和对象不同，教学体系安排、考核方法也有所不同；②课程设置交叉性强，美国许多高校的机器人课程对学生有很多先修课程要求，而且在导论性课程之后还有相关深入性课程供学生选修；③以项目为导向，实践性强。美国高校的机器人教学往往以其最新的科研成果为载体，让学生参与到科研和实践中。文献［9-12］指出国内智能机器人教学肇始于中南大学蔡自兴教授，作为智能科学的奠基者和创始人，他在中南大学信息科学与技术学院率先建设了机器人学精品课程。随后，清华大学、北京大学等高校都在本科阶段或研究生阶段开设了机器人学课程。2017 年，武汉大学在其校内大学员工程训练与创新实践中心成立智能机器人社团，形成了社团活动、竞赛实践、展示平台“三位一体”的实践中心。武汉工程大学智能科学与技术专业在设立之初就开设了机器人学专业课程。还有华中科技大学、武汉理工大学、华中师范大学等高校也组织成立智能机器人社团，在全国各大机器人比赛中都取得了不错的成绩。

从上述研究可以看出，智能机器人“第二课堂”作为一项对综合性、创新性和实践性要求都较高的团队型活动，对大学的学科专业建设、课程思政融入、学生综合素质培养等方面都有很大裨益。

本文根据大学“X+人工智能”计划，以拓展军队院校学员的创新思维及实践创新能力培养为目标，遵循以学为本的教学思路，以多学科融合为特色，从教学设计优化、教学案例丰富和教学方法更新等方面开展智能机器人第二课堂教学改革与探索。本文从海军工程大学第二课堂改革理念，教学设计思路、案例选取、教学方法和模式改革等方面阐述有关情况。

2 第二课堂改革理念

海军工程大学是工程与管理、技术与指挥相结合，覆盖多学科门类、包含多层次培养的军种工程大学，一直重视学员创新实践能力培养。同时，传统以工为主、多学科门类交叉环境也为开展智能机器人第二课堂提供了坚实基础。2016 年在创客空间成立之初，学校就开设了相关机器人综合创新实践项目。新的课程遵循以学为本的教学思路，以多学科融合为特色，从智能机器人的使用到创新创新智能机器人的应用等方面促进学员能力全面提升。课程改革突出在如下方面聚合发力：

（1）提炼精简，突出智能机器人的多学科融合。针对智能机器人所涉及的电子、通讯、程序设计等多个学科领域的知识内容进行提炼精简，突出与智能机器人相关的基本理论与核心知识，简化理论推导，注重学员上手的可操作性，为学而教，以学员为主体，以教员为主导，以训练为主线，切实为后续创新实践活动开展打好基础。

（2）以学定教，围绕智能机器人开展教学。以学为中心，对标本科生培养目标，对之前创客实践基础训练课程中智能机器人部分教学内容进行增补和删减，明确哪些是目前阶段需要掌握的，哪些可以留在研究生阶段供进一步学习。

（3）以练助学，针对学员个体差异设置专项实验。遵循兴趣驱动、分级实验的原则，注重各专业学员的不同差异及应用背景，将智能机器人与当前高新技术相衔接，深挖智能机器人在各类不同专业背景下的实战化教学案例，将其以专项实验的形式融入到后续深入的智能机器人课程教学内容体系中。

（4）以能力为核心，促进专业建设发展。智能机器人的教育教学改革强调创新能力培养、创新能力训练，同时改革中的内容也与后续课程形成有效衔接，相互支持、相互服务，促进教研室专业建设中课程优化设置，提升专业建设水平，切实增强人工智能与军队院校创新型人才培养契合度。

3 第二课堂改革内容

3.1 优化教学设计，突出多学科融合

智能机器人学本身是一门多学科融合性教学。在进行智能机器人课程教学之前，学员已经先修过机械设计、理论力学、程序设计、编程单片机等相关课程，但教学中并没有以机器人为对象进行过研究。本文主要研究以一个科目的教学内容为主切入、多学科相邻知识融入课堂的整合路径，即在一节课上以一个科目为主，多学科相邻知识整合后的课堂教学。比如，海军工程大学电子工程学院计算机与数据工程教研室负责的NAO 机器人教学，注重机器人与“人工智能”和软件编程相结合，为此还进行了具体分析与设计，其教学设计思路如图1所示。

Fig.1 Teaching design idea of NAO robot in Naval Engineering University图1 海军工程大学NAO机器人教学设计思路

以NAO 仿人机器人运动教学部分为例，教学内容为仿人机器人步行、双臂动作等的实现，将有关运动学基础知识、机器人各关节运动控制以及Python 语言指令编程等融入课堂教学中，在一节课上融入程序设计、控制原理等多个科目的综合知识。

3.2 丰富教学案例，满足个性化差异

在教学内容方面，完善智能机器人的初级教学内容，并将智能机器人与当前高新技术相衔接，深挖智能机器人在各类不同专业背景下的实战化教学案例，将其以专项实验的形式融入到智能机器人课程教学内容体系中。在初级教学内容中突出与智能机器人相关的基本理论与核心知识，简化理论推导，注重学员上手的可操作性，切实为后续创新实践活动开展打好基础。

在案例选择上，遵循兴趣驱动、分级实验的原则，注重各专业学员的不同差异及应用背景，将智能机器人与当前高新技术相衔接，深挖智能机器人在各类不同专业背景下的实战化教学案例，将其以专项实验的形式融入到后续深入的智能机器人课程教学内容体系中，重点是在专项性实验中培养学员的创新意识和创新能力。例如：通过学习控制器、传感器的深入使用，进一步深化相关知识点的理解和应用，并配合应用场景，达到巩固知识、锻炼实践的目的；实验中通过探究学习，引导学员主动参与、亲身实践、独立思考、合作探究。教师设疑置难，使学员自学员疑、尝试排疑、启发释疑、练习生疑、创造设疑。变教为“导”、变学为“悟”；让学员观察、思考、操作、表述、质疑；因材施教，让学员在多方面得到发展。智能机器人部分专项实验如表1所示。

Table 1 Special experiment contents of intelligent robot表1 智能机器人部分专项实验内容

上述案例设计为海军工程大学人工智能与人工智能应用实践等新开设课程提供了机器人视觉识别、机器人人机交互等实验案例，为深化课程改革实验，进一步提升学员综合应用能力、创新能力和实践能力作出贡献。

3.3 更新教学方法，注重生生合作、师生提升

在理论与实践教学方法上，区别于以往教师讲解，“第二课堂”主要采用小组讨论法和案例教学法。在小组讨论法中，根据学员情况（主要分为熟悉硬件类、熟悉软件类及熟悉算法类）每2～5 人组成一个小组，每个小组设立一名组长负责课题汇报总结。根据智能机器人学课程学习情况，设定运动学、物体识别、图像视觉和人机交互等讨论内容（其中包含案例教学，将要讨论的内容以案例形式出现），教师通过引导教学后，组织各小组进行相应课题讨论，发挥人多力量大的优势，让学员动起来，发表自己的见解，这样学员可以更深地理解题目，也会有新的体会。同时，为了拓展学员视野，由教师带队参加智能机器人交流会、报告会和各类智能机器人大赛，从而开阔学员视野，加强学员内部交流。以学促赛、以赛促思、以思促用，真正做到学懂弄通做实，不忘初心牢记使命。

同时，为了加强教师与学员的交流与反馈，及时发现问题，不断调整措施，保证相关工作顺利开展，对于课程教师的工程实践教学能力培养进行了针对性加强。一是邀请企业技术人员通过线上和线下进行相关培训，再通过教师对教学实践的总结反思和自我调适，不断积累经验和材料，优化和改善教学行为、方法和策略，提高教学能力和水平；二是组织授课教师与武汉市内高校联系，参与智能机器人技术交流会，互相交流教学科研方法，帮助教师更新教育理念，教研互动，促进教师专业化发展。

4 改革效果

4.1 激发学员学习热情

学员的发展是教学过程中的学习成长。在主张以学促教，教学相长，教学策略关注学员的学习特点等一系列改革试点运行下，智能机器人吸引了很多学员的关注和兴趣，成为学校一道独特的智能机器人风景线，为普及人工智能知识，使“人工智能”概念切实走入学员大众中间，为拓展学员的创新思维及实践创新能力发挥了一定作用。同时，极大调动了相关专业，尤其是大数据与仿真专业学员学习智能机器人的积极性和热情。

改革自2018 年开始，经过一轮实践教学后，学员开始陆续参加相关竞赛项目的角逐：从2019 年上半年中国高校智能机器人创意大赛优秀奖，到下半年世界机器人大赛三等奖，再到年底中国机器人技能大赛冠军，以及2020 年和2021 年相应竞赛一等奖等等，一次次优异成绩的取得，让学员体会到辛苦付出之后的收获，大家都热情高涨。其中，多名学员本科毕业设计围绕智能机器人开展研究，先后有3 人的毕业设计获得了校级优秀。同时，后续本科阶段及研究生阶段的人工智能课程选修人数也大幅提升。

4.2 加强教师业务能力

智能机器人课程是多学科交叉的课程，具有很强的前沿性和实践性。而课程内容涉及面宽、内容广、更新快，授课教师只有不断更新自身知识技能，才能适应课程发展需求。每轮开课之前，授课教师都会利用假期积极主动地进行相关教学内容、教学方法的培训，对于教学观念转变、教学内容更新、教学能力提升等均产生了有效的促进作用。教师还根据课程特点和可用的教学设备情况，运用教学设计方法与工具，在其他相关课程中穿插开展课堂教学实践，以此提高教师自身的多样化教学能力，使教师能够不断积累教学经验，从而为后续教学开展起到支撑作用。

开课后教师通过对智能机器人教学过程中教学行为的反思，进一步夯实专业知识素质，并注重现代化教学手段的研究和使用。经过实践竞赛历练，不仅带动了教师加强业务训练，促进了教学团队整体素质提升，也为专业建设提供了理论与实践并重的优秀教师队伍，先后有5 人获得了国家级或校级教学能力竞赛奖项。

4.3 提升专业建设水平

实践条件的优化，使围绕核心能力提升的专业课程和技能竞赛活动有了更大更好的展示空间，进而促进相关课程考核评价体系优化、课程体系改革及教学内容更新，充分发挥传统专业师资力量强、教学经验丰富等优势，不断改造新专业，实现传统专业新的发展，从而不断提升专业建设水平。

以海军工程大学大数据和仿真专业为例，在对学生的编程技能考核中，不再单单是上机考试，而是引入竞赛机制：“图灵杯”大赛以当年热门话题或热点为题，促进学员发挥创意，在图文设计、数据分析、编程挑战中提升编程技能。“极客赛”更是以军事特色为前提，让学员寻找实战化条件下待解决的问题，比如无人车或无人机路径规划问题、机器人视觉侦测问题等，并开展研究与实践。

这种考核方式的转变，有效实现了课程与任职岗位的衔接，同时还为人工智能应用实践等新开设课程提供了机器人视觉识别、机器人人机交互等实验案例，为深化课程改革实验，进一步提升学员综合应用能力、创新能力和实践能力作出贡献。

根据近几轮的授课经验，经过调研和深入研究，按课程特色及要素进一步规范和完善与之相关课程的教学计划，将现有专业从内涵上做强做大，并准确把握人才培养的服务方向，进一步论证、调整教学计划中理论课程、实践课程所占比例，进而提升专业人才培养的综合性与专业性。

5 结语

通过改革并开展试点教学，智能机器人进入了更多学员的课堂，也吸引了更多学员的关注和兴趣，提升了学员的学习热情，促进了专业建设发展，为海军工程大学普及人工智能知识，使人工智能概念切实走入学员大众中间，为拓展学员的创新思维及实践创新能力发挥了积极作用。

同时，改革也存在一些问题，如教学资源限制、学生初学体验感待提升等，这些都有待进一步研究。正如习主席在世界人工智能大会的贺信中所言“中国正致力于实现高质量发展，人工智能发展应用将有力提高经济社会发展智能化水平”，应该以“智”提“质”：让智能机器人为学校高质量人才培养赋能加瓦，力求促进智能机器人创新教育教学更大的发展。