秦緒彬 蔡曉敏 卞宇

摘要：人工智能及機器人技術(shù)在國內(nèi)外高校已被列入本科生和研究生課程，高校大力發(fā)展符合國家戰(zhàn)略發(fā)展需求的新型專業(yè)，著重培養(yǎng)一大批高科技人才，助力國家科技發(fā)展。在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)各類活動中，機器人競賽成為工科學(xué)生主流賽事之一，吸引了很多隊伍競技。機器人競賽下分服務(wù)類、無人機類、仿真類等各類機器人，橫跨計算機、電子信息、人工智能、自動化等多種學(xué)科知識體系，該文重點研究多學(xué)科融合的以賽促學(xué)和以學(xué)促賽的機器人教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：機器人競賽;多學(xué)科融合;課程思政;人工智能

中圖分類號：TP311? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）30-0224-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

人工智能及機器人領(lǐng)域近年來在各個領(lǐng)域飛速發(fā)展，已經(jīng)從理論走向了實際的應(yīng)用。包括中國在內(nèi)的很多國家都將機器人技術(shù)列為國家重點發(fā)展規(guī)劃。工業(yè)機器人、服務(wù)機器人更是全面覆蓋人類生產(chǎn)、生活和學(xué)習(xí)過程中。隨著芯片技術(shù)、通訊技術(shù)、信息化技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，人工智能及機器人技術(shù)在不遠(yuǎn)的將來，必然迎來飛速的發(fā)展。國內(nèi)各高校對機器人以及機器人各垂直領(lǐng)域的研究也越來越深入。很多高校將人工智能原理、模式識別等機器人相關(guān)知識列入了研究生和本科生的培養(yǎng)計劃。

對于獨立學(xué)院來講，如何更好地培養(yǎng)“新型應(yīng)用型人才”，是實踐教學(xué)任務(wù)中必須探討的。而機器人技術(shù)作為人工智能領(lǐng)域中重要的一個分支，對學(xué)生了解科技前沿，對學(xué)生動手能力、應(yīng)用能力的培養(yǎng)及將來的就業(yè)都有積極的意義和深遠(yuǎn)的影響。機器人技術(shù)是一門多學(xué)科多領(lǐng)域高度交叉的學(xué)科，大學(xué)生機器人競賽[1]中使用到的學(xué)科內(nèi)容包括機械學(xué)、電子學(xué)、自動控制和計算機等，其中計算機語言就包括C、C++、Java、Python等主流語言。而目前本科培養(yǎng)計劃的知識寬度和深度與實際的應(yīng)用存在不小的差距。僅以編程語言為例，從學(xué)生層面，無論競賽中還是今后工作中使用到的編程能力幾乎都集中在高級語言中的“面向?qū)ο蟆辈糠?，而教學(xué)內(nèi)容上，除計算機專業(yè)的學(xué)生外，其他學(xué)院的語言類教學(xué)都是以各門語言的基礎(chǔ)語法為主。另一方面，作為本科院校，從學(xué)生教學(xué)培養(yǎng)計劃上看，低年級學(xué)生課程任務(wù)較重，大三大四學(xué)生主要精力放在考研和就業(yè)上，真正適合培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的時間較短，難以形成系統(tǒng)全面的應(yīng)用型人才的培養(yǎng)體系。

機器人競賽能提高大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力、團(tuán)隊合作意識和專業(yè)技能及理論聯(lián)系實際能力[2]。同時機器人作為多個學(xué)科領(lǐng)域的載體，在高校的教學(xué)和研究中得到廣泛應(yīng)用 [4]。

為了適應(yīng)學(xué)院應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，迫切需要結(jié)合各獨立學(xué)院實際的教學(xué)培養(yǎng)計劃，探索并形成一套符合實際情況的兼顧常規(guī)教學(xué)、學(xué)生應(yīng)用能力培養(yǎng)及競賽成績的多學(xué)科融合的培養(yǎng)體系。依托機器人實驗室和江蘇省大學(xué)生機器人競賽，重點從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、創(chuàng)新培養(yǎng)模式等方面進(jìn)行研究。確定從教學(xué)實踐任務(wù)、教學(xué)任務(wù)序列、教學(xué)策略、教學(xué)內(nèi)容等方面對多學(xué)科融合的大學(xué)生競賽培養(yǎng)體系進(jìn)行研究。

2 江蘇省大學(xué)生機器人大賽多學(xué)科實踐

2.1 依托機器人競賽，明確實踐教學(xué)任務(wù)

明確實踐任務(wù)，就是根據(jù)機器人競賽項目的相關(guān)規(guī)則制定出完整、明確的教學(xué)實踐任務(wù)。教學(xué)實踐任務(wù)的設(shè)定一般包括所需的前置條件、參賽要完成的預(yù)設(shè)目標(biāo)和一系列活動等。在設(shè)定時可以參考本院往年參賽的實際經(jīng)驗進(jìn)行展示，并根據(jù)往年比賽總結(jié)進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)組委會要求，高爾夫比賽分三場舉行，三場比賽機器人和球的起始位置如圖1所示（白色圓為球初始位置，橙色三角為機器人初始位置，藍(lán)圓為球洞位置）。三場比賽場地及開球規(guī)則如下：

第一場：球和球洞中間無任何阻擋，球洞距離開球點3米。機器人在場內(nèi)直接開球。

第二場：引入障礙物，放置位置如圖。障礙物長度為15cm（高度20cm，厚度15cm）的白色木塊。機器人從場外走入場內(nèi)，把高爾夫球在規(guī)定的桿數(shù)內(nèi)打入球洞。

第三場：球位置如圖所示，機器人從場外走入場內(nèi)，把高爾夫球在規(guī)定的桿數(shù)內(nèi)打入球洞。

比賽規(guī)則為：每個隊比賽總用時20分鐘，參賽隊場中隊員將機器人放置于機器人起始位置進(jìn)行開球?？梢杂谜Z音或觸摸指令來控制機器人開始擊球，并完成整個進(jìn)洞過程，整個過程必須是機器人自主完成。擊球出界時，裁判將球放置到邊界上，讓機器人繼續(xù)擊球，并給予1分罰分。

根據(jù)比賽任務(wù)要求，將比賽任務(wù)分解如下：

（1）機器人步態(tài)：機器人行走步態(tài)設(shè)計及算法;

（2）機器人擊球：機器人擊球動作設(shè)計及實現(xiàn);

（3）物體識別：包括高爾夫球的識別和球洞標(biāo)志物的識別;

（4）其他功能：包括喚醒、摔倒起身等。

2.2 優(yōu)化實踐內(nèi)容，按學(xué)生學(xué)科形成大學(xué)生教學(xué)任務(wù)序列

要完成高爾夫機器人參賽任務(wù)，需要參賽學(xué)生掌握多學(xué)科多領(lǐng)域的知識，需要多個學(xué)科的學(xué)生發(fā)揮各自學(xué)科優(yōu)勢，組建團(tuán)隊共同完成分解的任務(wù)。根據(jù)任務(wù)分解情況需要的專業(yè)領(lǐng)域包括：通信工程、圖像處理、信號處理、機械學(xué)、電子信息、自動控制、計算機及軟件工程等。為了合理化教學(xué)實踐內(nèi)容，提高教學(xué)實踐效率，緊密結(jié)合多學(xué)科知識和競賽培訓(xùn)體系，先形成兩個前置體系列表：

（1）學(xué)生知識結(jié)構(gòu)體系列表：形成不同年級、不同專業(yè)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)體系;

（2）競賽項目知識列表：將參賽項目所需要的知識技能形成列表，并梳理出每項知識技能的前置知識技能，形成競賽項目知識技能結(jié)構(gòu)圖。

最終參賽學(xué)生由來自機電專業(yè)、自動化專業(yè)、電氣專業(yè)、計算機專業(yè)和信息管理專業(yè)的學(xué)生組成，并配置各專業(yè)教師予以專業(yè)知識輔導(dǎo)。根據(jù)任務(wù)分解情況，組成三個方向小組：

（1）機器人步態(tài)小組：研究機器人行走步態(tài)及算法實現(xiàn)，機器人摔倒起身動作及算法實現(xiàn);

（2）機器人擊球小組：研究機器人擊球動作、位置設(shè)計及算法實現(xiàn)，機器人喚醒及停止程序設(shè)計;

（3）物體識別小組：研究高爾夫球及球洞標(biāo)志物的識別、定位的算法實現(xiàn)。

依托機器人實驗室，通過對多學(xué)科的實踐資源的融合，力圖在加深學(xué)生對本專業(yè)知識理解的基礎(chǔ)上，提升綜合應(yīng)用計算機、電子學(xué)、自動化等多學(xué)科內(nèi)容的問題分析能力、解決能力、合作能力、整合能力[4]。

2.3 實施多學(xué)科互動教學(xué)和多元化教學(xué)策略

學(xué)科競賽過程中主要的指導(dǎo)策略包括：講解、展示、實操和應(yīng)用。參加競賽的學(xué)生一般具有一定的公共學(xué)科基礎(chǔ)知識，在具體指導(dǎo)過程中先讓學(xué)生回憶學(xué)過的知識，然后講解涉及的新學(xué)科知識或把新知識與舊知識、本學(xué)科和其他學(xué)科知識聯(lián)系起來，然后對以上知識進(jìn)行綜合展示，最后讓學(xué)生有機會應(yīng)用知識。機器人學(xué)是高度交叉的學(xué)科，內(nèi)容包括機械學(xué)、電子學(xué)、自動控制和計算機等相關(guān)內(nèi)容，如果在短時間里講授所有內(nèi)容顯然是不符合實際的，必須對課程的內(nèi)容進(jìn)行合理的選擇。根據(jù)三個方向小組的劃分和學(xué)生知識技能掌握，實施針對性的實踐教學(xué)：

（1）針對大一的學(xué)生，可重點講解機器人的應(yīng)用及發(fā)展趨勢，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。大一學(xué)生剛剛開始學(xué)習(xí)計算機語言，可配合其計算機語言的學(xué)習(xí)進(jìn)度重點進(jìn)行應(yīng)用類的實踐，如編寫簡單的機器人行走程序、擊球程序和物體識別程序，形成專業(yè)課學(xué)習(xí)和機器人應(yīng)用實踐的相互促進(jìn)。授課教師應(yīng)對機器人領(lǐng)域各學(xué)科有一定理解，在實施教學(xué)過程中，應(yīng)能夠兼顧其他知識的介紹。

（2）針對高年級各專業(yè)學(xué)生，可根據(jù)學(xué)生分組任務(wù)進(jìn)行實踐教學(xué)指導(dǎo)，如機器人的步態(tài)設(shè)計、機器人行進(jìn)算法、物品識別及抗干擾算法、多進(jìn)程算法設(shè)計等。教師在指導(dǎo)過程中應(yīng)始終以學(xué)生為中心，以學(xué)生為主體，讓學(xué)生主動學(xué)習(xí)、主動思考，鼓勵學(xué)生多動手多實踐，教師只有在必要環(huán)節(jié)給予學(xué)生關(guān)鍵點的指導(dǎo)。

（3）以老帶新，充分發(fā)揮高年級學(xué)生作用：相比低年級學(xué)生，高年級學(xué)生不但具有更專業(yè)和全面的知識儲備，還有豐富的參賽和應(yīng)用經(jīng)驗，在實踐教學(xué)中讓部分高年級學(xué)生充當(dāng)助教角色，充分發(fā)揮示范作用和引領(lǐng)作用，帶動整體學(xué)習(xí)和實踐氛圍。同時對這部分高年級同學(xué)來講，也是另一層面的應(yīng)用實踐。

在各階段的授課過程中，應(yīng)積極發(fā)揮多媒體教學(xué)的優(yōu)勢，采用大量實際參賽的圖片、視頻等方式來結(jié)合理論進(jìn)行講解。更重要的是讓學(xué)生能在授課過程中更多地接觸和操作機器人，通過由淺入深的操作，對機器人及機器人領(lǐng)域產(chǎn)生興趣。通過多個學(xué)期機器人課程的教學(xué)實踐，我們發(fā)現(xiàn)這種讓學(xué)生直接操作的方式更能激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，能夠快速提高學(xué)生對機器人領(lǐng)域的認(rèn)知。在講授的內(nèi)容和方法上，要以激發(fā)學(xué)生對機器人的學(xué)習(xí)興趣為最初的目標(biāo)。授課過程中，要強調(diào)機器人在國內(nèi)外各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用、發(fā)展前景和社會需求，讓學(xué)生感覺到所學(xué)的知識對將來的深造和就業(yè)有實際幫助[5]。

2.4 實踐氛圍的常態(tài)化和實踐參與范圍的擴(kuò)大

機器人競賽應(yīng)用實踐的特征十分突出，因此在制定教學(xué)策略時，應(yīng)充分考慮如何更好地增加學(xué)生實踐應(yīng)用能力。依托機器人實驗室資源，在校內(nèi)形成“競賽常態(tài)化”的氛圍，即定期在校內(nèi)（或相關(guān)學(xué)生）范圍內(nèi)，根據(jù)高爾夫機器人競賽項目規(guī)則，模擬賽事，組織內(nèi)部聯(lián)賽，促使學(xué)生“多用、活用”形成良好的學(xué)習(xí)和競賽氛圍，提高學(xué)生實踐應(yīng)用能力。

獨立學(xué)院培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)是針對全體學(xué)生，以競賽為抓手促進(jìn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，不應(yīng)只局限于參賽學(xué)生這個小范圍小群體，只有面向廣大學(xué)生，提高廣大學(xué)生的應(yīng)用實踐能力，教學(xué)實踐的研究才有意義。通過舉辦學(xué)校范圍機器人競賽（聯(lián)賽）、定期舉行機器人相關(guān)知識的培訓(xùn)、機器人相關(guān)任選課選修課的開設(shè)來擴(kuò)大機器人競賽的影響，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。機器人方向只是應(yīng)用的一個方面，通過對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生積極參與各類應(yīng)用實踐，如智能小車、飛行器、服務(wù)機器人、工程訓(xùn)練實踐等等，在校內(nèi)形成最廣泛的應(yīng)用實踐參與氛圍，提升廣大學(xué)生的應(yīng)用實踐能力。

3 總結(jié)

學(xué)科競賽和實踐教學(xué)是不可分割的，機器人競賽和教學(xué)的難點在于機器人學(xué)是一門高度交叉的前沿學(xué)科，內(nèi)容包括機械學(xué)、電子學(xué)、自動控制和計算機等相關(guān)內(nèi)容，如何統(tǒng)籌不同專業(yè)不同年級學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，合理安排教學(xué)任務(wù)序列是需要持續(xù)進(jìn)行研究和調(diào)整。指導(dǎo)老師不僅要善于用簡潔、生動的語言講述專業(yè)知識，激發(fā)學(xué)生對專業(yè)知識的獲取，還需要不斷學(xué)習(xí)，提升自身的思想素質(zhì)和專業(yè)素質(zhì)。本文以江蘇省大學(xué)生機器人競賽為背景，討論了基于獨立學(xué)院的本科生多學(xué)科融合的實踐教學(xué)方法，提出了一種“明確任務(wù)目標(biāo)、形成任務(wù)序列、多元教學(xué)策略、常態(tài)化實踐”的新型實踐教學(xué)模式。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 盛漢霖.多學(xué)科融合在大學(xué)生科創(chuàng)競賽指導(dǎo)中的實踐——以國際空中機器人大賽為例[J].教育教學(xué)論壇，2020（6）：173-174.

[5] 葛向紅，陳興偉，丁星星.依托學(xué)科競賽提高大學(xué)生的創(chuàng)業(yè)就業(yè)能力——以VEX U機器人工程挑戰(zhàn)賽為例[J].教育教學(xué)論壇，2020（20）：116-117.

【通聯(lián)編輯：梁書】