劉艷，張偉，李艷君，王雪潔，陳琢，潘樹文

（1.浙大城市學(xué)院 信息與電氣工程學(xué)院，浙江杭州 310015；2.浙江經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)字信息技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 310018）

在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革下，新興行業(yè)的出現(xiàn)需要多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，即新工科人才[1-2]。這就要求高等院校培養(yǎng)類似自動化專業(yè)的學(xué)生時，除了要求他們在某一學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域理論扎實、學(xué)業(yè)精深之外，還要具有學(xué)科交叉融合、實踐操作和科技創(chuàng)新的能力。同時，自從學(xué)校轉(zhuǎn)設(shè)公辦普通本科后，實施了面向全國范圍內(nèi)招生的政策，當(dāng)期教學(xué)中出現(xiàn)了一些問題。

以移動機器人為代表的人工智能設(shè)備是未來智能裝備發(fā)展的方向，涉及傳感器、信息處理、自動控制、導(dǎo)航等基本技術(shù)。另外隨著移動機器人的市場需求以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，其涉及的研究內(nèi)容變得更寬泛，研究技術(shù)和方法變得更多，具有鮮明的多學(xué)科交叉融合特征，特別適合培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新、跨界和開發(fā)的核心競爭力[3]。本文提出了構(gòu)建以移動機器人為核心的自動化專業(yè)機器人方向教育體系和實踐平臺，并制定措施保障教學(xué)體系的順利實施，提高了自動化類專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，取得了階段性成果。

1 以移動機器人為核心的教學(xué)體系

以移動機器人為主線的機器人方向課程教學(xué)體系將科學(xué)知識掌握和應(yīng)用能力培養(yǎng)并重，該體系不依賴于學(xué)科知識分類和課程性質(zhì)等要求，而體現(xiàn)在基于任務(wù)驅(qū)動的學(xué)科知識的“跨界”上。

1.1 培養(yǎng)方案的修訂

我校在新修訂的自動化專業(yè)培養(yǎng)方案中，設(shè)置了關(guān)于移動機器人的三門必修課和三門選修課，分別是《智能機器人設(shè)計基礎(chǔ)實訓(xùn)》《智慧物流技術(shù)應(yīng)用》《智能機器開發(fā)實踐》《機器人設(shè)計與實踐》《機器人創(chuàng)意設(shè)計與實踐》《智能電子控制系統(tǒng)設(shè)計實訓(xùn)》。以上六門課程構(gòu)建了移動機器人課程體系，將學(xué)科知識和素質(zhì)融于能力培養(yǎng)之中，以能力培養(yǎng)為核心，以學(xué)科知識為支撐。這些融合既可以發(fā)生在課程內(nèi)，也可以發(fā)生在課程間，課程不再是相對獨立的知識單元，課程之間存在必然有機的連接關(guān)系，形成了課程之間有機連接的網(wǎng)形結(jié)構(gòu)。

課程設(shè)計在時序上按照完成移動機器人實際任務(wù)所需要的知識學(xué)習(xí)時序、能力訓(xùn)練時序、工作流程時序和產(chǎn)品流程時序進行安排。

課程體系中課程內(nèi)容由課程目標(biāo)決定，是《教學(xué)大綱》負責(zé)解釋的范疇?；趶呐囵B(yǎng)目標(biāo)到課程內(nèi)容的銜接關(guān)系，即a培養(yǎng)目標(biāo)-b畢業(yè)要求-c畢業(yè)要求指標(biāo)點-d課程體系-e課程目標(biāo)-f教學(xué)內(nèi)容。進行從a到f是反向設(shè)計，從f到a是正向?qū)嵤?。課程內(nèi)容取決于課程結(jié)構(gòu)，課程結(jié)構(gòu)決定課程內(nèi)容。結(jié)構(gòu)是內(nèi)容的框架，內(nèi)容是結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。采用文獻中筆者認為的系統(tǒng)、完整、有效的教育部職業(yè)技術(shù)教育中心研究所研究員、應(yīng)用型課程建設(shè)聯(lián)盟主席姜大源教授的“工作過程系統(tǒng)化”的方法[4]，使得教學(xué)有效性大大提升，最終實現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)可以更加有效地達成。

1.2 培養(yǎng)方案執(zhí)行

在新修訂的人才培養(yǎng)方案的執(zhí)行過程中優(yōu)化了網(wǎng)狀課程體系結(jié)構(gòu)，深化了各門課程內(nèi)容的層層遞進關(guān)系。對《智能機器人設(shè)計基礎(chǔ)實訓(xùn)》《智能機器人開發(fā)實踐》和《機器人設(shè)計與實踐》的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進行了改革，如將機器人操作系統(tǒng)ROS引入了《機器人設(shè)計與實踐》課程中，將樹莓派用作《智能機器人開發(fā)實踐》的上位機來實現(xiàn)高級控制技術(shù)，將虛擬仿真實驗應(yīng)用到了《智慧物流技術(shù)應(yīng)用》課程中。

該培養(yǎng)方案行之有效的關(guān)鍵在于將課堂教學(xué)、設(shè)計實踐和科研創(chuàng)新融會貫通，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)移動機器人設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)的興趣和熱情，促進了學(xué)生對移動機器人技術(shù)的理解和掌握，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、設(shè)計和技術(shù)創(chuàng)新、獨立分析問題和解決問題的能力，為畢業(yè)設(shè)計、認知實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)或繼續(xù)深造打下了堅實的基礎(chǔ)。

2 以移動機器人為核心的實踐平臺

2.1 移動機器人競賽平臺

以移動機器人為核心的課外實踐主要是大學(xué)生學(xué)科競賽[5]和大學(xué)生科研[6]。目前所涉及的競賽有RoboCup、中國機器人大賽、中國服務(wù)機器人專項賽、浙江省大學(xué)生機器人競賽、中國高校智能機器人創(chuàng)意大賽（浙江省大學(xué)生智能機器人創(chuàng)意競賽）、全國大學(xué)生機器人大賽-RoboMaster、全國大學(xué)生機器人大賽-RoboTac、全國大學(xué)生機器人大賽-RoboCon等。

2.2 大學(xué)生科研及創(chuàng)客平臺

與移動機器人相關(guān)的大學(xué)生科研項目主要有校級大學(xué)生科研、省新苗、創(chuàng)客項目以及國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目。該平臺學(xué)生參與科研團隊的橫向或縱向關(guān)于移動機器人關(guān)鍵技術(shù)研究課題，產(chǎn)出成果包括發(fā)明專利、實用新型專利、科技論文、軟件著作權(quán)等。

2.3 校內(nèi)外實踐基地平臺

強化實踐，構(gòu)建校內(nèi)、校外實踐基地相結(jié)合的應(yīng)用型人才培養(yǎng)實踐體系。以服務(wù)學(xué)生為宗旨，優(yōu)化管理資源配置，與企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)學(xué)生，進行產(chǎn)學(xué)研合作，建立相對穩(wěn)定的專業(yè)學(xué)士學(xué)位校外培養(yǎng)基地，為學(xué)生認知實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)和深度實習(xí)構(gòu)建良好的基地平臺。目前建設(shè)有浙江大華智慧物流實踐基地、蘇州才炬機器視覺實踐基地、杭州納茵特機器人競賽實驗基地。

3 保障教學(xué)體系實施的措施

3.1 建設(shè)機器人社團平臺

以興趣為導(dǎo)向，機器人社團平臺的面向?qū)ο鬄榇笠槐究粕撈脚_包含機器人、智能制造、無人機等新技術(shù)元素，學(xué)生通過該平臺能夠理解相關(guān)對象的組成、工作原理、應(yīng)用等方面的內(nèi)容，降低學(xué)生參與科技活動的門檻，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

該平臺使用簡單控制器，以使學(xué)生經(jīng)過簡單的學(xué)習(xí)，就可以利用該平臺實現(xiàn)簡單的任務(wù)功能，以培養(yǎng)學(xué)生對機器人的基本認識、編程邏輯、分析問題、解決問題的能力。

3.2 建設(shè)移動機器人長學(xué)期和短學(xué)期實訓(xùn)平臺

該平臺的服務(wù)對象為二、三年級本科生，建設(shè)目的是學(xué)生可以利用長學(xué)期和短學(xué)期機器人創(chuàng)新開發(fā)平臺提供的軟件模塊、硬件模塊和調(diào)試模塊，快速地組建驗證驗機，進行創(chuàng)新思想驗證，降低學(xué)生科技創(chuàng)新活動的難度，加速創(chuàng)新周期，促進學(xué)生創(chuàng)新活動的開展。創(chuàng)新平臺包括無人機系統(tǒng)和機器人系統(tǒng)的整套軟硬件模塊，以及軟硬件模塊的學(xué)習(xí)培訓(xùn)資料。

3.3 建設(shè)移動學(xué)生機器人競賽平臺

該平臺的服務(wù)對象為參與機器人類科技競賽和無人機類科技競賽的本科生。包括無人機類競賽和機器人類競賽需要的成熟的硬件模塊、軟件模塊和調(diào)試模塊，有一定基礎(chǔ)的科技競賽學(xué)生，利用該平臺經(jīng)過短時間培訓(xùn)，可以達到基本競賽要求，而且利用該平臺可以根據(jù)不同的競賽要求開發(fā)出競賽作品。建設(shè)該平臺的目的是：降低學(xué)生參加機器人類競賽的難度，培養(yǎng)學(xué)生參加科技競賽的興趣，為科技競賽培訓(xùn)活動提供物質(zhì)基礎(chǔ)，提高信電學(xué)院在機器人類科技競賽中的成績，促進學(xué)生科技競賽的發(fā)展。

3.4 建設(shè)移動機器人科研平臺

該科研平臺主要是以平臺設(shè)備為基礎(chǔ)申報國家級、省級、校級大學(xué)生科研項目和學(xué)校創(chuàng)客項目。通過科研訓(xùn)練培養(yǎng)大學(xué)生綜合能力。一是學(xué)會通過各種信息檢索工具，查詢國內(nèi)外文獻，提高文獻查詢、分析、綜述能力。二是在科研項目實施過程中，學(xué)習(xí)科研支撐知識和技能，全面和深入拓展獲取和吸收新知識的能力。三是對科研項目實施過程中的成果和結(jié)論，學(xué)習(xí)以文檔資料形式總結(jié)和撰寫，提高文字表達和歸納整理問題的能力。四是在科研項目的成果展示階段，提高PPT制作和口頭表達能力。

3.5 建設(shè)移動機器人實驗室平臺

按照“硬件平臺模塊化、軟件平臺結(jié)構(gòu)化、機器人功能多樣化”的思路，建設(shè)了移動機器人設(shè)備群，支撐自動化專業(yè)移動機器人專業(yè)方向課和選修課的實踐教學(xué)，為學(xué)生搭建了適合于不同年級、興趣以及能力的機器人平臺，包括積木編程機器平臺、ROS移動機器人平臺、AI移動機器人平臺、樹莓派控制移動機器人平臺、基于STM32的移動機器人平臺、基于Arduino的移動機器人平臺等。

3.6 建設(shè)移動機器人虛擬仿真實驗平臺

基于“條件不具備”“實際運行困難”“高危、高成本、高消耗、不可逆、大型綜合”的標(biāo)準，建設(shè)了移動機器人及關(guān)鍵技術(shù)環(huán)境的虛擬仿真實驗項目。如機械臂視覺控制系統(tǒng)虛擬仿真實驗和智慧物流虛擬仿真實驗項目。這兩個項目分別就機械臂視覺控制過程中二維空間到三維空間轉(zhuǎn)換過程的可視化以及智慧物流系統(tǒng)綜合性路徑規(guī)劃做了虛擬實現(xiàn)。以上兩個虛擬仿真實驗教學(xué)項目是從科研成果轉(zhuǎn)化而來，先進的科研和行業(yè)成果為虛擬仿真實驗提供了豐富的素材，成為資源建設(shè)的重要內(nèi)容，豐富了學(xué)生學(xué)科知識內(nèi)涵。

4 以移動機器人為核心的教育體系的階段性成效

4.1 參加學(xué)科競賽成績優(yōu)異

2015年以來，學(xué)生參加國家級和省級各類學(xué)科競賽分別有48人次和308人次。關(guān)于移動機器人競賽項目的代表性成績包括中國智能機器人格斗及競技大賽一等獎1項、中國高校智能機器人創(chuàng)意賽國家級二等獎1項、小型足球機器人競賽省級一等獎2項。

2021年學(xué)校智能機器人實踐團隊僅機器人類學(xué)科競賽獲15項，其中國家一等獎1項、國家二等獎2項、國家三等獎4項、華東賽區(qū)的三等獎3項、浙江省二等獎1項、浙江省三等獎4項。

4.2 畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量顯著提高

依托競賽平臺、大學(xué)上科研項目團隊完成的畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量較高，每年都有多項作品參與畢業(yè)設(shè)計作品展；優(yōu)秀設(shè)計（論文）獲得優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計（論文）稱號，此類論文多數(shù)有大學(xué)生科研過程中獲得的實用新型專利、科技論文以及軟件著作權(quán)的支撐。

5 結(jié)語

目前學(xué)院經(jīng)歷了學(xué)校轉(zhuǎn)設(shè)公辦、培養(yǎng)方案的修訂，逐漸明確了機器人方向的建設(shè)路線和人才培養(yǎng)目標(biāo)。以“智能移動機器人”為載體，以開發(fā)移動機器人運動、環(huán)境感知以及任務(wù)實現(xiàn)等智能化功能為基礎(chǔ)，進一步實現(xiàn)移動機器人思維智能的設(shè)計與開發(fā)。經(jīng)過多年探索，信息與電氣工程學(xué)院機器人方向在智能機器人的人才培養(yǎng)方面已經(jīng)摸索出一套行之有效的模式，這種“以做促學(xué)、以賽促學(xué)，以研促學(xué)”和創(chuàng)新項目驅(qū)動的培養(yǎng)模式極大地激發(fā)了學(xué)生的潛力，無論在學(xué)生就業(yè)還是在深造方面都有很好的效果。