錢(qián) 堃, 房 芳

(東南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 南京 210096)

隨著機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，機(jī)器人工程本科專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)已成為我國(guó)高等教育的迫切需要，也是新工科教育面臨的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，許多國(guó)內(nèi)高校都開(kāi)設(shè)了與機(jī)器人相關(guān)的專(zhuān)業(yè)和課程[1-4]。

“感知與人機(jī)交互”是機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)的主干課程之一。由于這是在探索中建立的一門(mén)新課，該門(mén)課程的體系建設(shè)尚沒(méi)有可以直接借鑒的方案。因此該課程從教學(xué)大綱的設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容的選取，到教學(xué)實(shí)驗(yàn)的安排、考核機(jī)制的設(shè)置，都需要在摸索中不斷完善，以更加適應(yīng)研究型大學(xué)機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的需求、適應(yīng)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

為了培養(yǎng)學(xué)生掌握解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，在“感知與人機(jī)交互”教學(xué)中采用基于問(wèn)題學(xué)習(xí)PBL(Problem-Based Learning)的教學(xué)方法，對(duì)于提高學(xué)生對(duì)工程問(wèn)題的分析解決能力、培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)合作和創(chuàng)新意識(shí)具有重要意義。

PBL教學(xué)法即基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)方法[5-7]，這一教學(xué)法強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)發(fā)生在一系列復(fù)雜問(wèn)題的解決過(guò)程之中，是一種以學(xué)生自主和小組討論為主的學(xué)習(xí)方式，在國(guó)內(nèi)許多大學(xué)取得了明顯的教學(xué)效果。但是如何在機(jī)器人感知與交互類(lèi)課程中優(yōu)化運(yùn)用PBL教學(xué)法，本文將結(jié)合我校機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的“感知與人機(jī)交互”課程，就其PBL教學(xué)法及實(shí)踐等方面進(jìn)行探討。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀及特點(diǎn)

隨著2016年9月全國(guó)首個(gè)機(jī)器人本科專(zhuān)業(yè)在東南大學(xué)招生，“感知與人機(jī)交互”成為面向機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)本科三年級(jí)學(xué)生開(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)主干課程之一。課程的目的是使本專(zhuān)業(yè)學(xué)生較全面地學(xué)習(xí)和理解機(jī)器人感知與人機(jī)交互的基本概念，掌握機(jī)器人自主環(huán)境場(chǎng)景感知、目標(biāo)識(shí)別、RGB-D視覺(jué)感知、人機(jī)交互等關(guān)鍵技術(shù)的基本原理和方法，了解國(guó)內(nèi)外相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展和研究前沿，培養(yǎng)學(xué)生基本的技術(shù)分析、設(shè)計(jì)與解決問(wèn)題能力，并使學(xué)生具備一定的動(dòng)手實(shí)踐能力，為后續(xù)課程(“智能機(jī)器人系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”)及畢業(yè)后從事相關(guān)工作或研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

從目前已經(jīng)開(kāi)設(shè)的“感知與人機(jī)交互”這門(mén)課情況來(lái)看，存在以下突出問(wèn)題有待研究解決：

(1)知識(shí)面寬，涉及相關(guān)課程交叉多，傳統(tǒng)“灌輸式”教學(xué)模式下學(xué)生在課堂上始終處于被動(dòng)狀態(tài)，無(wú)法發(fā)揮學(xué)生的想象力、積極性和學(xué)習(xí)熱情。如何凝練教學(xué)內(nèi)容、將知識(shí)有效串聯(lián)，需要以實(shí)際工程問(wèn)題需求為情境和推手，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、探索和實(shí)踐的興趣。

(2)以閉源專(zhuān)用機(jī)器人硬件為載體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其內(nèi)容編排設(shè)置受限于演示例程基本功能，沒(méi)有太多創(chuàng)新余地，難以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，已不能滿足實(shí)踐教學(xué)的需要。實(shí)驗(yàn)依賴于實(shí)物機(jī)器人本體硬件，不便于開(kāi)發(fā)調(diào)試。為了發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力、分析和綜合信息的能力、策劃和組織能力等在內(nèi)的高階能力，需要考慮以機(jī)器人開(kāi)源軟件和通用硬件作為平臺(tái)來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

(3)由于機(jī)器人操作系統(tǒng)(ROS)平臺(tái)下的開(kāi)源功能包日益豐富，在提供了便捷的學(xué)習(xí)與開(kāi)發(fā)資源的同時(shí)，容易讓學(xué)生停留在只會(huì)用、不求甚解的階段。因此需要設(shè)計(jì)編排既有一定難度、又能讓學(xué)生上手的教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和課程作業(yè)，避免讓開(kāi)源軟件完全屏蔽學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)算法的理解和掌握。

2 “感知與人機(jī)交互”課程體系

“感知與人機(jī)交互”與前修的多門(mén)課程內(nèi)容有所交叉，因此從教學(xué)內(nèi)容組織設(shè)計(jì)角度，應(yīng)充分利用前修課程基礎(chǔ)，螺旋式上升。以我校為例，本門(mén)課程與前修課程“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”“數(shù)字圖像圖像處理”繼承性最強(qiáng)，因此授課內(nèi)容可跳過(guò)機(jī)器人學(xué)、機(jī)器人傳感器概述、數(shù)字圖像常用特征提取算子、典型分類(lèi)器等基本概念，以面向機(jī)器人自主導(dǎo)航、物品操作、人機(jī)交互為目的的視覺(jué)感知方法為主要講授內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展也建立在學(xué)生已有一定ROS系統(tǒng)技術(shù)和C++/python編程技能的基礎(chǔ)之上。同時(shí)，本課程與“計(jì)算機(jī)視覺(jué)”“模式識(shí)別”等后續(xù)課程也有一定交叉，容易重疊。因此應(yīng)結(jié)合專(zhuān)業(yè)課程群實(shí)際情況來(lái)合理安排、有效銜接，既需要體現(xiàn)與其它課程的區(qū)別、又需要服務(wù)于整個(gè)課程體系，起到逐步深入、相輔相成的作用。

基于以上考慮，所設(shè)計(jì)的“感知與人機(jī)交互”課程教學(xué)內(nèi)容安排如圖1所示。

圖1 “感知與人機(jī)交互”課程教學(xué)內(nèi)容安排

該課程教學(xué)內(nèi)容安排包括四個(gè)主要模塊：基于2D視覺(jué)的場(chǎng)景識(shí)別、基于2D視覺(jué)的目標(biāo)物體/人識(shí)別、基于RGB-D傳感器的3D感知、以及聽(tīng)/視覺(jué)人機(jī)交互。這樣安排正是考慮了我校機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)體系中多門(mén)課程的關(guān)系。一方面，學(xué)生在前修課程中已經(jīng)初步建立起機(jī)器人學(xué)和機(jī)器人常用傳感器的基本概念、特性和原理，可針對(duì)視覺(jué)感知與交互問(wèn)題作更深入學(xué)習(xí)。另一方面，學(xué)生后續(xù)還將學(xué)習(xí)的模式識(shí)別類(lèi)課程并不聚焦機(jī)器人特定問(wèn)題。因此需要結(jié)合“機(jī)器人感知與交互”的特點(diǎn)和需求，節(jié)選重要算法具體講解，并配合PBL方法來(lái)突出實(shí)際機(jī)器人問(wèn)題的解決。

3 基于PBL的教學(xué)方案例設(shè)計(jì)

PBL具有以問(wèn)題為基礎(chǔ)、以學(xué)生為中心、教師為引導(dǎo)、學(xué)生自主學(xué)習(xí)的教學(xué)特點(diǎn)。在“感知與人機(jī)交互”的教學(xué)實(shí)踐中采用PBL教學(xué)法會(huì)在很大程度上激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和激情，大大提高他們的主動(dòng)性和創(chuàng)新意識(shí)。教師在介紹一般性基礎(chǔ)概念知識(shí)的基礎(chǔ)上，選取若干典型應(yīng)用實(shí)例作為問(wèn)題，然后組織和引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展問(wèn)題式學(xué)習(xí)過(guò)程，包括問(wèn)題提出、問(wèn)題闡釋、分組討論、選題調(diào)研、方案設(shè)計(jì)、軟件程序設(shè)計(jì)、具體實(shí)現(xiàn)、分析報(bào)告、演示驗(yàn)收。整個(gè)過(guò)程教師給予學(xué)生充分指導(dǎo)，以達(dá)到提高學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的目的。

3.1 案例一：移動(dòng)機(jī)器人場(chǎng)景地點(diǎn)識(shí)別

在前修課程“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”中已介紹了基于激光的定位導(dǎo)航基本原理，但是對(duì)視覺(jué)導(dǎo)航所需的感知信息處理和理解并未作深入介紹。為此，在“感知與人機(jī)交互”課程教學(xué)安排中，以“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”中初步介紹的角點(diǎn)特征提取和匹配作為第一個(gè)切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)了“移動(dòng)機(jī)器人場(chǎng)景地點(diǎn)識(shí)別”模擬工程問(wèn)題情景，其任務(wù)是給定一張歷史訪問(wèn)過(guò)某個(gè)場(chǎng)景的查詢圖像，讓移動(dòng)機(jī)器人在當(dāng)前導(dǎo)航過(guò)程中判斷出重訪問(wèn)。

教師在課堂中仍講授場(chǎng)景識(shí)別的基本概念，包括SIFT/SURF/ORB角點(diǎn)特征提取、蠻力匹配、FLANN特征匹配、RANSAC提純、基于BoW的圖像檢索等。但是不同于常規(guī)原理授課，而是壓縮教師授課時(shí)間，提供關(guān)于經(jīng)典算法的大量參考文獻(xiàn)(包括國(guó)內(nèi)外論文、博客等)，并提供開(kāi)源軟件工具和測(cè)試數(shù)據(jù)集等資源。具體算法的編程實(shí)現(xiàn)、測(cè)試和分析留為課后作業(yè)。學(xué)生不僅需要閱讀查閱文獻(xiàn)深入理解算法知識(shí)，還需要在ROS和OpenCV的平臺(tái)上自主編寫(xiě)算法程序，在開(kāi)源數(shù)據(jù)集上進(jìn)行測(cè)試，然后在校園環(huán)境中采集自己的數(shù)據(jù)集來(lái)(模擬)驗(yàn)證場(chǎng)景地點(diǎn)識(shí)別這個(gè)功能。

3.2 案例二：服務(wù)對(duì)象人的檢測(cè)與判別

設(shè)計(jì)的情景為假設(shè)有一臺(tái)基于通用Turtlebot改造的服務(wù)機(jī)器人(如圖2所示)，需要利用單目相機(jī)/RGB-D相機(jī)對(duì)特定服務(wù)對(duì)象的衣著進(jìn)行辨認(rèn)，從而鎖定其特定的服務(wù)對(duì)象。采集特定對(duì)象的樣本圖像和一系列包含該人和其他人的測(cè)試圖像，假設(shè)不同的人在衣著統(tǒng)計(jì)特征上有明顯不同，需要首先進(jìn)行人體檢測(cè)，然后采用直方圖對(duì)比法實(shí)現(xiàn)相似度量問(wèn)題。

圖2 服務(wù)機(jī)器人

教師在課堂中仍講授目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別的一般基礎(chǔ)概念，包括典型的HoG特征提取、滑窗方法和SVM分類(lèi)器，但僅作基本原理介紹。教師仍然提供大量參考文獻(xiàn)和開(kāi)源示例代碼，并且不限定學(xué)生采用什么技術(shù)方案開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)該任務(wù)功能。因此需要學(xué)生在方案調(diào)研的基礎(chǔ)上自己試錯(cuò)，找到合適的技術(shù)路線，并自建包括多人、多種衣著的測(cè)試圖像集，完成一般人的檢測(cè)、特定服務(wù)對(duì)象人的衣著表觀相似度值評(píng)價(jià)、算法準(zhǔn)確性/實(shí)時(shí)性評(píng)估、以及人與相機(jī)距離、角度不同對(duì)算法性能的影響等實(shí)際機(jī)器人應(yīng)用中需要關(guān)注的性能指標(biāo)。

3.3 案例三：迎賓機(jī)器人視覺(jué)感知與交互系統(tǒng)

本案例為“感知與人機(jī)交互”的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)選題之一，是參照Robocup競(jìng)賽@home組某任務(wù)并簡(jiǎn)化而形成的題目。假設(shè)(模擬)開(kāi)發(fā)一臺(tái)迎賓服務(wù)機(jī)器人，機(jī)器人須自主識(shí)別服務(wù)對(duì)象人、詢問(wèn)并記住其姓名和喜好物品；當(dāng)再次遇見(jiàn)時(shí)能夠辨認(rèn)出他們，并提供其所需物品。

本設(shè)計(jì)采用PBL和OBE(成果導(dǎo)向教育)結(jié)合的教學(xué)思路。教師以實(shí)際工程問(wèn)題為情景導(dǎo)入，通過(guò)對(duì)人-物檢測(cè)識(shí)別、自主安全導(dǎo)航、語(yǔ)音交互等關(guān)鍵技術(shù)的候選方案進(jìn)行一定引導(dǎo)(但不限定方案)，促使學(xué)生清楚聚焦其最終目標(biāo)和收獲。同時(shí)，得益于開(kāi)源軟硬件平臺(tái)的采用，允許學(xué)生在一定想象延展下提高其目標(biāo)期待。例如能否通過(guò)調(diào)用開(kāi)源云端API來(lái)提高人-物識(shí)別率、當(dāng)一次識(shí)別失敗時(shí)如何通過(guò)自然語(yǔ)音交互方式重新詢問(wèn)等等。該題按不超過(guò)五人一組來(lái)組織，學(xué)生也需要合作完成從方案設(shè)計(jì)、編程實(shí)現(xiàn)到測(cè)試驗(yàn)證的全流程，因此對(duì)其策劃、組織與協(xié)作能力等也能起到較好鍛煉作用。

此外，得益于Gazebo等強(qiáng)大的開(kāi)源物理仿真引擎，學(xué)生可以在虛擬仿真引擎上搭建模擬場(chǎng)景、獲取圖像等傳感器數(shù)據(jù)、控制機(jī)器人與環(huán)境交互，從而在不依賴硬件的情況下開(kāi)展感知與交互的各個(gè)功能模塊代碼開(kāi)發(fā)、ROS主控程序開(kāi)發(fā)，以及聯(lián)機(jī)調(diào)試。因此方便了實(shí)驗(yàn)開(kāi)展，并且對(duì)疫情等特殊情況下合理安排線上和線下實(shí)驗(yàn)十分重要。

4 PBL教學(xué)法實(shí)施中需要注意的問(wèn)題

在“感知與人機(jī)交互”的教學(xué)實(shí)踐中，PBL教學(xué)法雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其實(shí)施有許多值得關(guān)注的問(wèn)題[8]，無(wú)論對(duì)教師還是學(xué)生都提出了更高的要求。下面僅從四個(gè)方面嘗試討論。

(1)教師要注意PBL教學(xué)與課堂授課、OBE方法等模式的有機(jī)結(jié)合。由于該課程依賴基礎(chǔ)知識(shí)較多，學(xué)生基礎(chǔ)有高有低，全盤(pán)使用PBL教學(xué)法是并不可取的。教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生基礎(chǔ)合理安排課堂授課與PBL教學(xué)兩種方式。尤其是基礎(chǔ)概念、算法原理等知識(shí)的傳授，還是以傳統(tǒng)教師授課的方式能獲得最佳效率。對(duì)于綜合實(shí)驗(yàn)，則可以將PBL與OBE模式結(jié)合，讓學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)過(guò)程完成自我實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)。

(2)教師要注意PBL問(wèn)題的優(yōu)選設(shè)計(jì)，在問(wèn)題的提煉中考慮其趣味性、研究探索性、結(jié)果的可驗(yàn)證性等。從課題任務(wù)的設(shè)置角度應(yīng)當(dāng)兼顧到不同學(xué)習(xí)水平的學(xué)生特點(diǎn)，設(shè)立基本要求、提高要求，既不至于讓水平有限的同學(xué)產(chǎn)生畏難心理，又能讓學(xué)有余力的同學(xué)不受限制盡情發(fā)揮。

(3)在疫情等特殊時(shí)期，教師特別需要注意問(wèn)題選型和過(guò)程引導(dǎo)。教師應(yīng)選擇適于線上完成的問(wèn)題任務(wù)，利用學(xué)生自己的計(jì)算機(jī)、攝像頭和麥克風(fēng)完成圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成等關(guān)鍵功能開(kāi)發(fā)，巧妙設(shè)置可以用半實(shí)物仿真途徑來(lái)驗(yàn)證的課題任務(wù)，充分利用Gazebo、VREP等物理仿真引擎和其中內(nèi)置的豐富模型、接口來(lái)完成各個(gè)模塊的串聯(lián)銜接和場(chǎng)景驗(yàn)證，確保學(xué)生即便沒(méi)有機(jī)器人實(shí)物也能完成模擬驗(yàn)證。

(4)從學(xué)生角度，學(xué)生在前期收集資料、中期研究討論、后期論證總結(jié)等環(huán)節(jié)需要投入大大多于普通課堂學(xué)習(xí)的精力，還需要通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作來(lái)共同探索處理難題。這既是對(duì)學(xué)生的鍛煉，也需要教師謹(jǐn)慎細(xì)致地設(shè)計(jì)PBL教學(xué)法，通過(guò)提供豐富的參考資料、提供示例程序、布置小練習(xí)小作業(yè)等環(huán)節(jié)來(lái)逐步推進(jìn)，通過(guò)組織學(xué)生分組討論來(lái)促進(jìn)學(xué)生之間交流學(xué)習(xí)與合作，以免讓學(xué)生覺(jué)得無(wú)所適從，或者感覺(jué)任務(wù)繁重復(fù)雜，從而產(chǎn)生抵制情緒。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)“感知與人機(jī)交互”課程特點(diǎn)，從課程體系、PBL教學(xué)形式上提出了一系列的實(shí)踐和探索思路，初步取得了一些積極的成效。實(shí)施基于PBL的“感知與人機(jī)交互”教學(xué)研究與實(shí)踐改革，是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、提高工程實(shí)踐能力的關(guān)鍵，也可以更好地發(fā)揮本門(mén)課程與相關(guān)學(xué)科發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用緊密相關(guān)的優(yōu)勢(shì)。