牛 云，李慧平，張守旭

（西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072）

按照《中國教育現(xiàn)代化2035》[1]的戰(zhàn)略部署和《機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020 年）》[2]對我國機器人人才培養(yǎng)提出的具體要求，機器人實踐課程應(yīng)更加注重激發(fā)學(xué)生興趣，同時安排具有一定難度和挑戰(zhàn)性的實踐內(nèi)容，以解決工程實際問題為牽引，提升學(xué)生項目開發(fā)及技術(shù)創(chuàng)新能力[3]。

國內(nèi)外機器人實驗教學(xué)設(shè)計與革新主要體現(xiàn)在實驗手段、教學(xué)法、教學(xué)組織形式等幾方面。美國的一項調(diào)查顯示，機器人教學(xué)普遍缺乏合適的實驗環(huán)境或場地以及低成本、靈活的實驗平臺[4]，導(dǎo)致課容量不足，將高性能仿真、虛擬現(xiàn)實或遠程實驗室等方式融入機器人實踐與創(chuàng)新教學(xué)是當(dāng)前美國各高校重點探索的教學(xué)研究方向之一[5-6]。俄羅斯高校將工業(yè)界的最新需求及技術(shù)引入機器人教學(xué)，同時引入機器人仿真環(huán)境以緩解實踐資金不足的問題[7]。德國、西班牙等國家的高校大力推廣融合CDIO 等教育理念的機器人課堂教學(xué)、實訓(xùn)及創(chuàng)新實驗的教學(xué)法革新[8-9]。

在國內(nèi)，各大高校也積極開展旨在提升機器人等專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的課程改革與研究工作。東北師范大學(xué)馬勛雕等[10]通過精細化的學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計，構(gòu)建旨在提升學(xué)習(xí)者高階能力的智慧課堂；王宏等[11]研究了面向深度學(xué)習(xí)的STEM 教育模型，促使學(xué)習(xí)者基于個人知識體系和深度加工信息，提高實踐操作能力和高階思維能力；哈爾濱工業(yè)大學(xué)張近民等[12]圍繞既有的機器人研發(fā)和實驗教學(xué)平臺，通過項目結(jié)合創(chuàng)新平臺開展機器人課程實踐教學(xué)改革，注重提升學(xué)生的實際工程問題解決能力。廈門大學(xué)林曉鷹等[13]運用TRIZ 創(chuàng)新流程，設(shè)計面向新品開發(fā)的自主實踐教學(xué)法，讓學(xué)生在“創(chuàng)造中學(xué)習(xí)”，取得了良好的效果。

綜上所述，借助新技術(shù)手段，整合資源，構(gòu)建新型實驗教學(xué)法，激發(fā)學(xué)生通過高階思維進行自主探究實驗，是新形勢下機器人實踐教學(xué)的重要內(nèi)涵，在國內(nèi)外創(chuàng)新型課程體系設(shè)置中占有重要地位，需要深入研究。

本文充分利用網(wǎng)絡(luò)共享資源及物理仿真等信息化手段設(shè)計符合學(xué)生認知規(guī)律的開放性、多層次、由易到難的實驗進階項目；融合翻轉(zhuǎn)課堂和高階思維工程教育理念，研究面向工程問題的“項目驅(qū)動式”的實踐教學(xué)新模式，力求使學(xué)生在興趣的驅(qū)使下，通過自主實踐、深層次探討、評價與改進，培育工程素養(yǎng)，提高解決工程問題及自主創(chuàng)新的能力。

一 實踐課程體系與教學(xué)法改革

（一）基于認知規(guī)律的多層次實踐課程體系設(shè)計

本文將機器人實體、物理仿真引擎、數(shù)字仿真相結(jié)合，構(gòu)建如圖1 所示的符合學(xué)生認知規(guī)律的機器人多層次實驗課程體系。引導(dǎo)學(xué)生從理論應(yīng)用到創(chuàng)新實踐，循序漸進地獲得工程實踐高階思維訓(xùn)練，進而提高解決復(fù)雜工程問題能力。

圖1 移動機器人智能感知與控制多層次實驗體系

“基礎(chǔ)實驗項目”旨在讓學(xué)生掌握移動機器人實驗所必備的編程框架、環(huán)境感知、運動控制機構(gòu)的操作方法和基本實驗技能。

“綜合實驗項目”面向移動機器人關(guān)鍵或熱點技術(shù)設(shè)計實驗內(nèi)容，教師與學(xué)生探討題目工程背景、任務(wù)書、實現(xiàn)方案等；學(xué)生組隊合作完成相關(guān)算法的設(shè)計、編程和實驗驗證，鍛煉對復(fù)雜工程任務(wù)的分析、綜合、團隊協(xié)作能力。

“探索實驗項目”面向工程難題、前沿探索性議題或?qū)W生自選議題，為學(xué)生提供“開放性”的協(xié)同創(chuàng)新環(huán)境，支持學(xué)生自由探索。

（二）創(chuàng)新激勵的“項目驅(qū)動式”高階思維實踐教學(xué)法

本文將高階思維和“項目驅(qū)動式”實踐教學(xué)相融合，首先通過合理創(chuàng)設(shè)面向工程實際或科研前沿的實踐項目，引起學(xué)生興趣，然后基于翻轉(zhuǎn)課堂、探究式教學(xué)等手段，開展面向高階思維培養(yǎng)的實踐教學(xué)。教學(xué)過程如圖2 所示，學(xué)生在課前借助教師發(fā)布的學(xué)習(xí)資料或其他資源自主學(xué)習(xí)必要基礎(chǔ)知識、熟悉實驗平臺和工具軟件。獲得基本實驗技能后，課外、課堂形成閉環(huán)互動式教學(xué)，課外，學(xué)生根據(jù)任務(wù)書進行算法開發(fā)、實驗調(diào)試和技術(shù)驗證，并將遇到的棘手問題反饋至課堂；課堂上教師組織學(xué)生進行交流互動，教師集中精力和時間與學(xué)生就其關(guān)心的關(guān)鍵難點、技術(shù)問題進行深入探討，實現(xiàn)個性化指導(dǎo)和因材施教，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力，進而激發(fā)自主創(chuàng)新潛能。

圖2 面向高階思維培養(yǎng)的翻轉(zhuǎn)課堂閉環(huán)實踐教學(xué)過程

針對不同層次實驗內(nèi)容包含的知識維度，高階思維教學(xué)活動參考布魯姆（Bloom）教育目標二維分類法[14]開展。實驗課程的能力培養(yǎng)目標見表1，對移動機器人實踐課程內(nèi)容進行了進階式的教學(xué)任務(wù)設(shè)計，將移動機器人實踐教學(xué)目標從傳統(tǒng)的驗證、重復(fù)設(shè)計性認知提升為基于高階思維的遷移性、創(chuàng)新性認知。

表1 融合項目驅(qū)動和高階思維的實踐課程教學(xué)目標

“基礎(chǔ)實驗”旨在基礎(chǔ)知識鞏固、驗證以及訓(xùn)練基本實驗技能，實驗內(nèi)容全部在課前完成，思維訓(xùn)練專注于“了解/記憶-理解-應(yīng)用”等低階思維。

“綜合實驗”的主要教學(xué)目標是讓學(xué)生綜合運用相關(guān)知識對移動機器人已較為成熟的關(guān)鍵技術(shù)進行復(fù)現(xiàn)和改進。采用項目驅(qū)動形式，分“創(chuàng)設(shè)-構(gòu)思”“設(shè)計-綜合”“評價-遷移”幾個階段開展，并融入高階思維訓(xùn)練。

對于“探索實驗”，其主要教學(xué)目標是引導(dǎo)學(xué)生嘗試探索移動機器人的前沿技術(shù)點。首先通過課堂探討，使學(xué)生了解移動機器人前沿問題；然后學(xué)生通過頭腦風(fēng)暴等開放式探討獲得創(chuàng)新設(shè)想并進行協(xié)同創(chuàng)新實踐；最后，教師組織答辯對項目創(chuàng)新性、實用性進行評價，研討成果推廣方式和創(chuàng)業(yè)設(shè)想，使學(xué)生通過自主探索研究掌握創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方法論相關(guān)“元知識”。

二 移動機器人實踐課程實施案例

以移動機器人無先驗信息自主導(dǎo)航項目為例，展示“綜合實驗”的開展過程。

項目要求：①無先驗全局地圖；②機器人能夠自主到達指定目標點。

“項目驅(qū)動式”實踐教學(xué)過程如下。

本項目屬于“綜合實驗”，按照“創(chuàng)設(shè)-構(gòu)思”“設(shè)計-綜合”“評價-遷移”分階段開展。

“創(chuàng)設(shè)-構(gòu)思”階段。教師通過播放視頻、組織參觀等方式，讓學(xué)生了解倉儲機器人、AGV、掃地機器人等移動機器人典型應(yīng)用場景；與學(xué)生研討上述場景中機器人必須具備的核心功能，引出本項目的實踐內(nèi)容；引導(dǎo)學(xué)生分析復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境無先驗信息條件下，移動機器人完成自主導(dǎo)航所需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，形成任務(wù)書。

“設(shè)計-綜合”階段。學(xué)生通過分析任務(wù)書，分組討論獲得項目實現(xiàn)方案。將項目實踐內(nèi)容分解為五個模塊：激光雷達點云數(shù)據(jù)采集與處理模塊實現(xiàn)環(huán)境中障礙物相對方位的探測；里程計數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)根據(jù)里程計輸出解算機器人當(dāng)前的位置和姿態(tài)；局部路徑規(guī)劃及避障模塊根據(jù)環(huán)境障礙物相對位置信息和機器人本體位姿信息利用相應(yīng)算法實現(xiàn)局部路徑規(guī)劃以規(guī)避障礙物；路徑跟蹤模塊根據(jù)機器人當(dāng)前位姿利用相應(yīng)算法實現(xiàn)使機器人趨向目標點的路徑跟蹤；機器人運動控制模塊完成兩輪差動機器人的運動控制。學(xué)生利用Matlab/Simulink 實現(xiàn)算法，并加載到實體或Gazebo 虛擬機器人驗證算法有效性。

“評價-遷移”階段。教師引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)“性能評價—瓶頸調(diào)查—確定真因—改進方案—效果驗證”等高階思維方法進行循序、啟發(fā)式創(chuàng)新活動。

具體到本實施案例，有學(xué)生小組采用動態(tài)窗口法（DWA）實現(xiàn)即時避障。在性能測試過程中，發(fā)現(xiàn)在障礙物離導(dǎo)航的目的地很近，且障礙物對目標形成遮擋時，算法容易出現(xiàn)死鎖（圖3（a）所示）。

圖3 機器人運行軌跡

針對上述問題，教師指導(dǎo)學(xué)生首先回顧其使用的DWA 算法的核心思想。DWA 是在速度空間中采樣多組速度矢量（線速度和角速度（v，ω））并模擬推算機器人下一定時間內(nèi)的軌跡，經(jīng)過碰撞檢測去掉可能引起碰撞的軌跡，然后基于一個評價函數(shù)（如式（1）所示）對可行軌跡進行評價，選取最優(yōu)軌跡（J（v，ω）最大）對應(yīng)的速度驅(qū)動機器人運動。

式中：θ（v，ω）表示目標視線角（機器人朝向目標時為0，背向目標時為π），Dmin（v，ω）表示機器人當(dāng)前軌跡與障礙物的最小距離，α，β∈[0，1]為固定權(quán)值。

通過分析式（1）所示的評價函數(shù)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，當(dāng)目標點被障礙物近距離遮擋時，基于視線角和障礙物距離按照固定權(quán)值計算評價函數(shù)會周期性地得出相反的航向決策，表現(xiàn)軌跡評價函數(shù)大幅波動，造成機器人陷入死鎖圓周運動。即：機器人發(fā)生死鎖的原因為評價函數(shù)的固定權(quán)值造成的決策矛盾。

確定原因之后，得出解決這一問題的基本思路是將軌跡評價函數(shù)中的固定權(quán)值改進為自適應(yīng)可調(diào)權(quán)值。學(xué)生開展頭腦風(fēng)暴討論具體改進方案，包括權(quán)值調(diào)整的觸發(fā)條件、調(diào)整范圍、調(diào)整算法等。最終學(xué)生基于反饋控制思想，設(shè)計如式（2）所示的評價函數(shù)權(quán)值調(diào)整策略

其中，Dmin與式（1）中的意義相同，Ds表示避障閾值。

當(dāng)機器人離障礙物很近時（Dmin≤Ds），動態(tài)降低評價函數(shù)中的目標朝向權(quán)重，同時增大避障權(quán)重，即離障礙物很近時機器人的航向決策以避障為主，離障礙物較遠時（Dmin＞Ds），恢復(fù)評價函數(shù)固定權(quán)值，機器人優(yōu)先朝向目標運動，兼顧避障，解決了問題（圖3（b）所示）。

三 結(jié)束語

機器人實踐教學(xué)是落實《中國教育現(xiàn)代化2035》、新工科等教育戰(zhàn)略規(guī)劃的重要陣地。本文提出的移動機器人實踐課程層次化課程體系設(shè)計、虛實結(jié)合的實驗平臺應(yīng)用以及面向創(chuàng)新的“項目驅(qū)動式”高階思維實踐教學(xué)法符合學(xué)生認知規(guī)律，使之能夠自主、循序地學(xué)習(xí)相關(guān)知識并通過團隊合作完成實驗項目。教學(xué)實踐表明，上述教學(xué)改革內(nèi)容在調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力，提高實踐能力，激發(fā)創(chuàng)新思維等方面都取得了較好的效果。