摘要：隨著第三次工業(yè)革命的興起，機器人操作系統(tǒng)將成為突破機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸的關鍵。機器人操作系統(tǒng)課程涉及的是一個新興領域，其課程建設與研究密不可分。文章基于教學與科研的正向促進關系，提出建設和調整機器人操作系統(tǒng)課程新的教學科研目標、內容、手段和體系，以最終實現(xiàn)機器人操作系統(tǒng)課程的研究型課程建設。

關鍵詞：機器人操作系統(tǒng)；研究型教學；互動；課程建設

1.背景

習近平總書記在2014年兩院院士大會上指出，“機器人革命有望成為第三次工業(yè)革命的一個切入點和重要增長點，將影響全球制造業(yè)格局，而且我國將成為全球最大的機器人市場”。2007年年初，全球IT行業(yè)巨頭比爾·蓋茨在《科學美國人》雜志上撰文，預言機器人將走進千家萬戶。當前，機器人這一新興產(chǎn)業(yè)與計算機產(chǎn)業(yè)爆炸式發(fā)展前的狀況“如出一轍”，機器人操作系統(tǒng)，將成為突破機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸的關鍵。我國在20世紀70年代沒有抓住個人計算機技術發(fā)展的機遇，導致今天在操作系統(tǒng)等方面嚴重受制于人，因此，抓住“機器人革命”這一歷史機遇，著力培養(yǎng)和儲備機器人操作系統(tǒng)人才，是應對“第三次工業(yè)革命”激烈市場競爭的迫切需要，具有重大的歷史和現(xiàn)實意義。

雖然機器人操作系統(tǒng)（robot operating system，ROS）發(fā)展迅猛，但是針對幾十所世界一流大學的調查顯示，以機器人操作系統(tǒng)為主題的課程和教材寥寥無幾，這是因為，與其他傳統(tǒng)課程相比，機器人操作系統(tǒng)課程具有大量新穎的特點，這些特點對其教學和科研都帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。例如，機器人操作系統(tǒng)具有版本更新快、內容變動大、兼容性差等特點，如何將教學的相對穩(wěn)定性與科研的前沿性相結合是擺在教師面前的重大難題；相應的機器人硬件平臺種類繁多，需要大量的人力物力進行調研、準備、適配、調試、維護和測試，必須進行版本控制、教具選型、操作系統(tǒng)與硬件平臺適配、操作系統(tǒng)定制與移植，而這些工作都是以教學和科研的結合為基礎的。

《高等教育法》規(guī)定，現(xiàn)代大學有3大任務——教學、科研和社會服務，它們相互關聯(lián)，共同服務于人才培養(yǎng)。機器人操作系統(tǒng)有著前沿性、實踐性、學科交叉性等多種優(yōu)勢，將肩負在新常態(tài)下開拓這3大任務新型模式的重任。以教學與科研結合，建設機器人操作系統(tǒng)研究型課程，是在新常態(tài)下培養(yǎng)機器人技術創(chuàng)新人才、加快創(chuàng)新成果生成、推進和實現(xiàn)“第三次工業(yè)革命”的客觀需要。

2.研究型課程簡介

在國外，學校的課程體系中并沒有研究型課程這樣一個明確的概念，但存在與之理念相近的課程，并廣泛實施。

教學與科研是涉及不同領域的兩項活動。教學主要是指教師面向學生，有計劃、有系統(tǒng)地傳授人類業(yè)已取得的知識成果和經(jīng)驗心得，是教師傳授與學生學習的一種雙向互動的行為?？蒲兄饕侵溉藗儜靡呀?jīng)取得的知識及所具備的條件，去探求未知，發(fā)現(xiàn)、論證并創(chuàng)造新知，是人類的一種高級智力活動。研究型課程正是教學與科研緊密結合而產(chǎn)生的新型教學模式。

研究型課程是以“培養(yǎng)學生具有永不滿足、追求卓越的態(tài)度，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題的能力”為基本目標，以學生從學習生活和社會生活中獲得的各種課題或項目設計、作品的設計與制作等為基本的學習載體，以在提出問題和解決問題的全過程中學習到的科學研究方法、獲得的豐富且多方面的體驗和獲得的科學文化知識為基本內容，以在教師指導下，學生自主采用研究性學習方式開展研究為基本教學形式的課程。這種描述性的界定將在實踐中通過不斷理性化的過程使其更科學化，并不斷得到完善。這種描述性的界定，顯示出研究型課程具有學生自主性、開放性和研究性的特點。

3.機器人操作系統(tǒng)相關課程現(xiàn)狀

機器人操作系統(tǒng)課程建設尚處起步階段，但發(fā)展迅速。最早的相關課程從2010年開始，截至目前，涉及機器人操作系統(tǒng)的課程大量涌現(xiàn)，據(jù)統(tǒng)計，在多個國家的院校共有不下20門課程不同程度地運用了機器人操作系統(tǒng)，并逐步有圍繞其建設課程體系的趨勢，但目前以其為主題的課程寥寥可數(shù)。

在國外院校中，日本東京大學的RTM-ROS Robotics in Japanese是一門在課程題目中明確提及ROS的課程，但其內容除了針對ROS進行基礎概念的講授，還涉及傳統(tǒng)操作系統(tǒng)、編程語言以及RTM的介紹等。以色列Bar-llan大學的Introduction to Robotics與機器人操作系統(tǒng)主題相一致，但內容與機器人本體相關性較大。當前，與機器人操作系統(tǒng)相關的課程較多，主要是以機器人或機器人編程課程為主，在課程內容中以ROS為基礎軟件平臺實現(xiàn)機器人的相應功能，但這些課程都不是以講授ROS為目的，只是在某幾講或主題中涉及機器人操作系統(tǒng)，并未貫穿課程始終。例如Stanford大學的Robot Programming Laboratory、南卡羅來納大學Robotics、羅馬Sapienza大學Robot Programming和伯明翰大學的Intelligent Robotics等均在不同程度上涉及了機器人操作系統(tǒng)的相關內容。

此外，針對機器人操作系統(tǒng)有很多短期課程和研討會。2013年里斯本大學的夏季課程ROS framework，四天的時間課時長度為14-19個小時，涉及GNU/Linux操作系統(tǒng)、C++語言、Python語言和機器人操作系統(tǒng)。SIGCSE（Association for Computing Machinery’s SpecialInterest Group on Computer Science Education）分別在2012和2013年針對機器人操作系統(tǒng)召開了教育方面的研討會，ICRA（IEEE InternationalConference on Robotics and Automation）在2010年針對機器人操作系統(tǒng)中的節(jié)點和消息的感知、規(guī)劃和控制召開了一天的實踐輔導課，WillowGarage公司也在2010年歷時五天針對機器人操作系統(tǒng)和PR2機器人召開相關的研討會等。

有關ROS的教材較少，目前的短期課程或者學期課程都主要是以網(wǎng)上文檔資料以及技術報告為主，較為不錯的參考書籍主要有R Patrick Goebel寫的《ROSbyExample》，2013年9月Aaron Martinez和Enrique Femhndez寫的《Learning ROS for Robotics Programming》（由PacktPublishing公司出版）和2013年10月JasonM.O’Kane寫的《AGentle Introductionto ROS》，可見有關ROS的參考書籍較新，且隨著ROS版本升級，書籍的版本更新較快。

在國內院校中，雖然針對機器人、操作系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)等的相關課程在不少高校均有開設，但這些課程均無法替代機器人操作系統(tǒng)。國防科學技術大學預計開設的機器人操作系統(tǒng)課程尚屬首例，特別是針對ROS開源平臺的研究型課程還未有查閱到相關信息。在國內，機器人操作系統(tǒng)未形成成熟的教材體系，即使是國外網(wǎng)站資料的翻譯也比較少見。2012年由張建偉等人編著的《開源機器人操作系統(tǒng)——ROS》是國內第一本全面介紹ROS的中文版圖書，由于涉及機器人、人工智能、計算機視覺等多學科領域，該書較適合作為相關領域的科研人員、研究生及高年級本科生學習的參考書。

4.具體課程建設

4.1課程內容設計

機器人操作系統(tǒng)是基于國際開源社區(qū)平臺建設的課程，因此應該突出課程的平臺化、基礎化特征，旨在讓學員了解和掌握ROS的基本原理，并通過案例，以點蓋面介紹ROS核心以及各功能模塊的實現(xiàn)原理和使用方法，以研究課題為牽引，完成研究型課程設計。其內容主要涉及3個部分：

1）ROS的基本概念。

包括ROS的背景、應用、發(fā)展歷史、主要特征、基本組成、安裝與環(huán)境以及與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的區(qū)別等內容，使學生了解機器人操作系統(tǒng)，掌握以ROS為代表的機器人操作系統(tǒng)的基本原理。

2）ROS的基本功能模塊。

涉及ROS的坐標變換、導航與視覺、路徑規(guī)劃、仿真器等基礎功能介紹與演示，使學生了解ROS的基本功能和常用模塊的實現(xiàn)原理及接口，從而具備基于ROS開展簡單無人系統(tǒng)實驗的能力。

3）基于ROS的實際案例。

面向實際應用，設計相關課程的實驗演示及實踐型結課項目，使學生能夠運用所學到的ROS知識實現(xiàn)一些基本的應用，還能夠在一定程度上擴充和完善ROS，與國際ROS開源社區(qū)密切交流，掌握最新動態(tài)。

4.2實驗設計

實驗是機器人操作系統(tǒng)研究型課程的重要環(huán)節(jié)。讓學生感興趣且貼近實際的實驗設計有利于研究型課程目標的實現(xiàn)。根據(jù)實際條件，設計空中和地面兩類機器人實驗平臺，以ROS為核心，注重機器人操作系統(tǒng)的基礎化、平臺化特征，設計課程演示實驗及學生實驗。具體如下：

1）機器人操作系統(tǒng)平臺的共性實驗。

實驗目的：ROS是實現(xiàn)機器人系統(tǒng)各項功能的軟件基礎。該項實驗針對機器人操作系統(tǒng)內核開展，主要包括ROS操作系統(tǒng)的安裝及實現(xiàn)、簡單節(jié)點的鍵盤控制、節(jié)點之間的通信、常用傳感器的使用等功能，使學生了解ROS的基本原理、組成方式、運行機制等，培養(yǎng)學生在ROS平臺上的動手實踐能力。

實驗內容：針對不同的機器人平臺實現(xiàn)ROS的安裝適配，基于網(wǎng)絡教學平臺的協(xié)同開發(fā)調試、無線通信和分布式消息接口、常用傳感器驅動和應用接口及開發(fā)的簡單應用案例實現(xiàn)等實踐活動，搭建具有ROS軟件環(huán)境的基本機器人系統(tǒng)，為后續(xù)的功能實踐及開發(fā)做鋪墊。

2）機器人操作系統(tǒng)平臺的空中實驗。

實驗目的：面向現(xiàn)有無人機實際應用的需要，針對無人機的航拍等需求，實現(xiàn)包括視頻圖像、測控數(shù)據(jù)等在內的與地面系統(tǒng)平臺的遠程數(shù)據(jù)傳輸、多機協(xié)同飛行控制等功能，培養(yǎng)學生在網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)鏈、ROS功能包使用開發(fā)等方面的創(chuàng)新實踐能力。

實驗內容：針對無人系統(tǒng)空地一體化協(xié)同的任務需求，開展無線網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)鏈總體方案設計、遠距離高清視頻傳輸接口設計、遠距離數(shù)據(jù)傳輸接口開發(fā)、多機協(xié)同飛行航跡規(guī)劃等創(chuàng)新實踐活動，構建和實現(xiàn)空地一體的無線網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)鏈及功能包應用。

3）機器人操作系統(tǒng)平臺的地面實驗。

實驗目的：針對地面機器人安保、搬運等需求，實現(xiàn)地圖構建、路徑規(guī)劃等功能，培養(yǎng)學生在ROS仿真器、導航等功能包的使用與開發(fā)的創(chuàng)新實踐能力。

實驗內容：針對地面無人系統(tǒng)移動機器人或無人車與移動工作站一體化協(xié)同的任務需求，開展傳感器數(shù)據(jù)接口設計、遠距離數(shù)據(jù)傳輸、路徑導航規(guī)劃等創(chuàng)新實踐活動，構建和實現(xiàn)地面機器人的環(huán)境建圖及搬運的原型演示系統(tǒng)。

上述3類實驗是為了使學生更好地了解和掌握ROS系統(tǒng)的使用而設計的，旨在培養(yǎng)學生的研究和創(chuàng)新思維。

4.3教學方法設計

一般來說，研究型課程的實驗或者作業(yè)很難在課堂有限的時間內完成，因此，查閱資料、動手實踐及創(chuàng)新靈感等都主要在課下完成，為了保證教師與學生的課下互動，現(xiàn)有的網(wǎng)絡教學平臺（如確實Trustie）的利用是值得推薦的途徑之一。機器人操作系統(tǒng)作為較早在網(wǎng)絡教學平臺上建設的課程，將課程開設與基于ROS的機器人操作系統(tǒng)研究相結合，一定會涌現(xiàn)出大量新問題，需要進行深入研究。

具體實施上，不僅可以依托網(wǎng)絡教學平臺公開共享相關的資料、講義、對應的網(wǎng)絡教材、課件、專題研討等學習資源，還能夠進行實驗作業(yè)的分組設計和實驗項目管理、實驗代碼的開發(fā)和實驗結果的評估及反饋等，以實現(xiàn)持續(xù)改進的實踐閉環(huán)，這就需要教師或者教師組在線對課程的實驗以及學員后續(xù)的相關工作進行項目管理、代碼版本管理、發(fā)布管理、任務管理、bug管理等支持，并通過Wiki、BBS、郵件列表等與學員進行交流及提供即時反饋。

5.結語

在第三次工業(yè)革命興起的這樣一個歷史時期，我國乃至全世界教育機構都肩負著培養(yǎng)和造就適應未來機器人時代人才的重任。由于機器人操作系統(tǒng)興起不久，建設機器人操作系統(tǒng)研究型課程是較為可行的方案之一。該課程的建設將實現(xiàn)兩個目標：以國際開源ROS項目為實踐基礎，參照國際相關大學同類課程標準，對機器人操作系統(tǒng)的課程內容、案例實驗和教學方法等進行設計，并開展教學實踐，強化學生研究能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)；通過該課程帶動學科交叉合作、科技競賽等相關活動的開展，實現(xiàn)人才培養(yǎng)和科學研究的有機結合，有效支持機器人操作系統(tǒng)相關研究。