薛建新　常曦　蔣川群

摘 要：多學(xué)科交叉性質(zhì)增加了智能機(jī)器人課程實(shí)踐教學(xué)難度，如何高效開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)提升創(chuàng)新應(yīng)用能力成為關(guān)注的重點(diǎn)。依托計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科背景，基于循序漸進(jìn)和學(xué)生自主選擇原則，提出面向創(chuàng)新應(yīng)用的層次化實(shí)踐教學(xué)框架，即“基礎(chǔ)—綜合—?jiǎng)?chuàng)新應(yīng)用”3個(gè)層次：基礎(chǔ)層熟悉和掌握基本功能，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；綜合層關(guān)注主流應(yīng)用場(chǎng)景的關(guān)鍵功能，提升學(xué)生的創(chuàng)新能動(dòng)性；創(chuàng)新應(yīng)用層取材于競(jìng)賽項(xiàng)目和企業(yè)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)器人；創(chuàng)新應(yīng)用；實(shí)踐教學(xué)；層次化框架

0 引 言

社會(huì)生產(chǎn)力的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的變革，促使機(jī)器人技術(shù)迅猛發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用。目前，機(jī)器人研究正處于第3代智能機(jī)器人階段，有一定的學(xué)習(xí)、自洽和適應(yīng)能力，即機(jī)器人可以融合多類(lèi)傳感器采集的信息，適應(yīng)不斷變化的工作環(huán)境[1]。機(jī)器人技術(shù)相關(guān)人才需求逐年增長(zhǎng)，促使國(guó)內(nèi)很多高校開(kāi)設(shè)了相關(guān)課程或?qū)I(yè)。智能機(jī)器人作為計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、機(jī)電、電子、腦認(rèn)知等多學(xué)科交叉產(chǎn)物，已經(jīng)成為教學(xué)、研究和應(yīng)用的焦點(diǎn)。就本科教學(xué)而言，教師完整講授且學(xué)生要完整掌握這些知識(shí)，難度非同一般，勢(shì)必影響學(xué)生對(duì)智能機(jī)器人的學(xué)習(xí)興趣。因此，如何高效開(kāi)展智能機(jī)器人課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、快速提升學(xué)生對(duì)智能機(jī)器人的興趣和創(chuàng)新應(yīng)用能力就成為關(guān)注及研究的重點(diǎn)。

1 智能機(jī)器人

智能機(jī)器人是計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、機(jī)電、電子、腦認(rèn)知等多學(xué)科和技術(shù)交叉的產(chǎn)物，它通過(guò)傳感器獲取多種外部環(huán)境信息，處理、識(shí)別并自主完成復(fù)雜的行為任務(wù)。智能機(jī)器人作為本科專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，完整的課程內(nèi)容包括空間描述和變換、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、控制論、計(jì)算機(jī)編程等多學(xué)科理論知識(shí)，同時(shí)還需要儲(chǔ)備多種技術(shù)能力，如傳感器使用、信號(hào)處理、信息識(shí)別、計(jì)算機(jī)編程等。完整地講授這些知識(shí)，必須配備同時(shí)具有這些知識(shí)背景的復(fù)合型人才，或者由多位專(zhuān)業(yè)教師協(xié)同授課。即使師資配備到位，要想在短時(shí)間內(nèi)使應(yīng)用型本科高校的學(xué)生掌握相關(guān)的理論知識(shí)和技術(shù)，并達(dá)到應(yīng)用的效果，可以說(shuō)難度很高。

因此，開(kāi)設(shè)智能機(jī)器人相關(guān)本科課程時(shí)，必然依托具體的學(xué)科方向和專(zhuān)業(yè)背景，教授的內(nèi)容有所側(cè)重。王旭等人主要講述機(jī)器人學(xué)的空間描述和變換、操作臂正/逆運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、速度和靜力等數(shù)學(xué)原理問(wèn)題，并利用MatLab編程框架進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人理論的興趣[2]。鄧新等人利用開(kāi)源硬件Arduino設(shè)計(jì)實(shí)體機(jī)器人，利用其易用性和可擴(kuò)展性降低實(shí)體機(jī)器人的制作門(mén)檻[3]。王志良等人側(cè)重與人的交互，設(shè)計(jì)并研制具有一定情感處理和表達(dá)能力的情感機(jī)器人，通過(guò)機(jī)器人可感知外部環(huán)境以及實(shí)現(xiàn)肢體、語(yǔ)音等功能，加深學(xué)生對(duì)實(shí)體機(jī)器人設(shè)計(jì)的理解[4]。

以上研究工作主要側(cè)重對(duì)講授內(nèi)容的選取，以及依托機(jī)械制造專(zhuān)業(yè)講授工作機(jī)器人的制造和編程，但未就如何在有限學(xué)時(shí)內(nèi)激發(fā)學(xué)生智能機(jī)器人的學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新能動(dòng)性、提升創(chuàng)新應(yīng)用能力做深入闡述。因此，筆者依托計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科背景，提出“基礎(chǔ)—綜合—?jiǎng)?chuàng)新應(yīng)用”3個(gè)層次的實(shí)踐教學(xué)框架，應(yīng)用于上海第二工業(yè)大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)智能機(jī)器人課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，并取得初步成效。

2 學(xué)科依托和設(shè)計(jì)原則

“一帶一路”“互聯(lián)網(wǎng)+”“中國(guó)制造2025”等政策的不斷推進(jìn)，使得新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)人才的市場(chǎng)需求劇增。預(yù)計(jì)到2025年，相關(guān)人才缺口將達(dá)到950萬(wàn)人。作為新一代信息技術(shù)的核心支撐技術(shù)之一，計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)也遇到了前所未有的發(fā)展機(jī)遇和就業(yè)前景。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的培養(yǎng)過(guò)程，是對(duì)思維邏輯、算法和程序設(shè)計(jì)等嚴(yán)格訓(xùn)練的過(guò)程。因此，以計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科為依托講授智能機(jī)器人相關(guān)課程，可以將智能機(jī)器人的實(shí)踐教學(xué)重點(diǎn)聚焦在決策和應(yīng)用方面。

層次化實(shí)踐教學(xué)框架按照循序漸進(jìn)和自主選擇原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）循序漸進(jìn)，逐步走向創(chuàng)新應(yīng)用。整體框架采用循序漸進(jìn)的方式設(shè)計(jì)，內(nèi)容由易到難，由基礎(chǔ)逐漸過(guò)渡到創(chuàng)新應(yīng)用。

（2）以學(xué)生為主體，鼓勵(lì)自主選擇。提供多個(gè)內(nèi)容供學(xué)生選擇，鼓勵(lì)學(xué)生從興趣點(diǎn)出發(fā)自主選擇，以逐步激發(fā)其創(chuàng)新應(yīng)用意識(shí)。

3 層次化實(shí)踐教學(xué)框架

以計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科為依托，根據(jù)設(shè)計(jì)原則制定“基礎(chǔ)—綜合—?jiǎng)?chuàng)新應(yīng)用”3個(gè)層次的智能機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)框架。

智能機(jī)器人3個(gè)層次實(shí)踐教學(xué)框架包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新應(yīng)用（見(jiàn)圖1）?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生熟悉智能機(jī)器人的基礎(chǔ)功能模塊，以激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣；綜合實(shí)驗(yàn)通過(guò)講授主流應(yīng)用場(chǎng)景的關(guān)鍵功能，提升學(xué)生的創(chuàng)新能動(dòng)性；創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)驗(yàn)是通過(guò)競(jìng)賽題目和企業(yè)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用。

3.1 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)需要熟悉和掌握智能機(jī)器人的4個(gè)基礎(chǔ)功能模塊——運(yùn)動(dòng)、傳感器、語(yǔ)音和視覺(jué)，為擴(kuò)展試驗(yàn)作準(zhǔn)備。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)共設(shè)4組，要求每個(gè)實(shí)驗(yàn)所有人都必須參與，具體內(nèi)容見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)1要求學(xué)生熟練控制機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)、剛度、行走方向、調(diào)整步態(tài)/姿態(tài)等簡(jiǎn)單功能，最后設(shè)計(jì)連續(xù)動(dòng)作，如一段舞蹈，以貝賽爾曲線(xiàn)擬合；實(shí)驗(yàn)2要求學(xué)生熟練掌握各種傳感器數(shù)據(jù)的采集和查看，并體驗(yàn)觸碰傳感器、關(guān)節(jié)溫度和角度傳感器的使用；實(shí)驗(yàn)3要求學(xué)生熟練操作機(jī)器人自帶語(yǔ)音合成庫(kù)，編寫(xiě)參數(shù)來(lái)控制機(jī)器人說(shuō)話(huà)，并錄放相關(guān)音頻文件及實(shí)現(xiàn)其中斷控制；實(shí)驗(yàn)4要求學(xué)生熟練掌握攝像頭數(shù)據(jù)的采集，對(duì)標(biāo)志物、二維碼、人臉識(shí)別引擎的應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)選定目標(biāo)的追蹤。

3.2 綜合實(shí)驗(yàn)

綜合實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生掌握機(jī)器人主流應(yīng)用場(chǎng)景的關(guān)鍵功能，即通信、定位、識(shí)別以及交互。綜合實(shí)驗(yàn)共設(shè)4組內(nèi)容，見(jiàn)表2。該部分內(nèi)容要求學(xué)生必須在通信和交互，定位和識(shí)別兩組中各選一個(gè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為創(chuàng)新應(yīng)用作鋪墊。實(shí)驗(yàn)1強(qiáng)調(diào)智能機(jī)器人之間的通信；實(shí)驗(yàn)2強(qiáng)調(diào)智能機(jī)器人的室內(nèi)定位技術(shù)和對(duì)聲源目標(biāo)的搜索技術(shù)；實(shí)驗(yàn)3引入云服務(wù)擴(kuò)展語(yǔ)音識(shí)別和人臉識(shí)別功能；實(shí)驗(yàn)4使用自帶情緒識(shí)別引擎定制人機(jī)交互內(nèi)容。

3.3 創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)驗(yàn)endprint

創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能、模式識(shí)別、圖像處理與機(jī)器視覺(jué)、語(yǔ)音識(shí)別與自然語(yǔ)言處理等專(zhuān)業(yè)課程后的專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，結(jié)合前期基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的技術(shù)，根據(jù)智能機(jī)器人應(yīng)用的主流方向，取材于機(jī)器人相關(guān)賽事，如世界機(jī)器人大賽格斗機(jī)器人大賽之仿人機(jī)器人接力賽以及企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目，主要分為運(yùn)動(dòng)控制類(lèi)綜合實(shí)驗(yàn)和人機(jī)交互類(lèi)綜合實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)表3。綜合實(shí)驗(yàn)須分組進(jìn)行，由學(xué)生選擇其中任一實(shí)驗(yàn)或根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景自主擬題，目的在于使學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，以激發(fā)學(xué)生的積極性，提升其創(chuàng)新應(yīng)用能力。

4 框架應(yīng)用

上海第二工業(yè)大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)歸屬計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科，開(kāi)設(shè)了智能機(jī)器人及相關(guān)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，智能機(jī)器人3個(gè)層次實(shí)踐教學(xué)框架取得初步成效。

4.1 實(shí)踐教學(xué)支撐

作為應(yīng)用型本科院校，上海第二工業(yè)大學(xué)重視實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。智能機(jī)器人配備的實(shí)踐課程包含理論課隨堂實(shí)驗(yàn)、課程實(shí)習(xí)和綜合實(shí)訓(xùn)，總計(jì)160學(xué)時(shí)。先后購(gòu)置9套R(shí)OBOCUP標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)賽平臺(tái)類(lèi)人機(jī)器人NAO，作為智能機(jī)器人的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。NAO支持多種程序語(yǔ)言，便于學(xué)生進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)和自主學(xué)習(xí)，符合以機(jī)器人實(shí)驗(yàn)為載體的實(shí)踐創(chuàng)新培養(yǎng)體系要求[5]。上海第二工業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研合作基地——上海儀酷智能科技有限公司，提供擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于LabVIEW的NAO開(kāi)發(fā)工具包，為順利開(kāi)展實(shí)驗(yàn)提供軟件平臺(tái)支撐。

4.2 初步實(shí)效

層次化實(shí)踐教學(xué)框架已經(jīng)初步應(yīng)用于我校2014級(jí)智能科學(xué)與技術(shù)本科專(zhuān)業(yè)，通過(guò)隨堂實(shí)驗(yàn)完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、在課程實(shí)習(xí)完成綜合實(shí)驗(yàn)以及在綜合實(shí)訓(xùn)完成創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，課程教學(xué)已取得初步成效，目前已經(jīng)完成課程實(shí)習(xí)階段，尚未進(jìn)入創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)驗(yàn)階段。其中，部分學(xué)生已經(jīng)能綜合使用相關(guān)基礎(chǔ)功能和擴(kuò)展功能，申請(qǐng)上海市大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目“基于LabVIEW的NAO機(jī)器人社交型人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”并獲批（項(xiàng)目編號(hào)201712044003）。

層次化實(shí)踐教學(xué)框架關(guān)注學(xué)生興趣的激活和創(chuàng)新應(yīng)用，對(duì)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)具有3方面的潛在影響。

（1）激發(fā)學(xué)習(xí)興趣?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為核心基礎(chǔ)內(nèi)容，相對(duì)簡(jiǎn)單，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（2）訓(xùn)練自主學(xué)習(xí)能力。開(kāi)展智能機(jī)器人實(shí)踐課程的意義在于提高智能機(jī)器人應(yīng)用技能。擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)考慮到學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，在學(xué)生已掌握核心功能的前提下展開(kāi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有明顯特征，便于學(xué)生自行檢查和提高。

（3）提升創(chuàng)新應(yīng)用意識(shí)。強(qiáng)調(diào)學(xué)生是主體，鼓勵(lì)其自行選題；鼓勵(lì)學(xué)生自主探究解決問(wèn)題的方法，學(xué)生可自主設(shè)計(jì)與實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案；教師只對(duì)最終實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)提出基本要求，不過(guò)多介入具體設(shè)計(jì)；學(xué)生可以憑借對(duì)系統(tǒng)的理解，對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充和擴(kuò)展；教師可以將學(xué)生的自主創(chuàng)新內(nèi)容列為課程學(xué)習(xí)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

5 結(jié) 語(yǔ)

依托計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科背景，提出智能機(jī)器人的“基礎(chǔ)—綜合—?jiǎng)?chuàng)新應(yīng)用”3個(gè)層次的實(shí)踐教學(xué)框架，并應(yīng)用于智能科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)，目前已取得初步成效。運(yùn)用層次化實(shí)踐教學(xué)框架，既能讓學(xué)生掌握智能機(jī)器人的核心知識(shí)點(diǎn)，又能讓學(xué)生自主選擇感興趣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增強(qiáng)其自主學(xué)習(xí)能力，提升其創(chuàng)新應(yīng)用能力，還能使學(xué)生踴躍參加相關(guān)競(jìng)賽和創(chuàng)新項(xiàng)目。

該層次化實(shí)踐教學(xué)框架內(nèi)容是根據(jù)智能機(jī)器人課程設(shè)計(jì)的，下一步將研究如何利用該框架設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)挖掘、圖像處理與機(jī)器視覺(jué)、自然語(yǔ)言處理等課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

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