楊健健 周國昊 黃乾坤 孫露 崔文

［摘 要］在新工科背景下，能源特色工程教育強調(diào)本科學生應(yīng)具備跨學科合作、工程實踐、創(chuàng)新思維以及團隊協(xié)作等多種綜合能力，以解決未來能源領(lǐng)域中的復雜問題。課程組立足學校特點、專業(yè)特色，聚焦露天礦機器人化自主運輸裝卸系統(tǒng)最新技術(shù)，設(shè)計了多技術(shù)融合、理實結(jié)合的機器人技術(shù)創(chuàng)新實踐課程，依托國家重點研發(fā)計劃，結(jié)合創(chuàng)新教學實驗平臺，將露天礦機器人化自主運輸裝卸系統(tǒng)建設(shè)中的智能感知、遠程駕駛等知識點納入課堂教學，將理論知識與實踐操作相結(jié)合，將課堂教學與工業(yè)應(yīng)用相結(jié)合，從而培養(yǎng)具有綜合能力的高素質(zhì)工程人才，達到提高本科實踐教學質(zhì)量的目的。

［關(guān)鍵詞］新工科；工程教育；機器人技術(shù)；課程設(shè)計；創(chuàng)新實踐教學

［中圖分類號］G642.0［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2024）09-0019-06

側(cè)重創(chuàng)新實踐的新工科建設(shè)是培養(yǎng)卓越工程人才的重要手段[1]。高校教育應(yīng)充分結(jié)合自身優(yōu)勢、學科特色，通過優(yōu)化教學內(nèi)容、完善實踐環(huán)節(jié)等方式，設(shè)計富有創(chuàng)新性的實踐教學。

當前，煤礦機器人化已經(jīng)成為建設(shè)智慧煤礦的重要手段，在減人、提效、增安上發(fā)揮巨大作用。然而，在面對更高水平的智能化發(fā)展需求時，兼具專業(yè)技術(shù)和實踐經(jīng)驗的人才培養(yǎng)尚存在不足。通過開展創(chuàng)新實踐教學，可讓學生充分了解煤礦裝備，學習實用化的機器人技術(shù)，對推動煤礦機器人化的發(fā)展具有重要意義。

針對機器人技術(shù)領(lǐng)域的最新需求，結(jié)合煤炭能源特色，中國礦業(yè)大學（北京）在新工科建設(shè)背景下，設(shè)計了一系列注重培養(yǎng)學生創(chuàng)新與實踐能力的課程，已在學科建設(shè)和教學創(chuàng)新等方面取得了顯著成效[2-4]。然而，隨著學科建設(shè)的深入，實驗設(shè)備不匹配、實驗室場景不夠逼真、真實現(xiàn)場難接觸等問題逐漸凸顯。課程組旨在通過設(shè)計新的機器人技術(shù)創(chuàng)新實踐課程，創(chuàng)設(shè)真實、有效、安全的教學環(huán)境，實現(xiàn)兼顧行業(yè)前沿、基礎(chǔ)理論、實踐應(yīng)用、思維啟發(fā)的多維度人才培養(yǎng)目標。

一、國內(nèi)外機器人技術(shù)創(chuàng)新實踐教學的現(xiàn)狀

機器人技術(shù)是當今前沿和熱門的領(lǐng)域之一，在國外，機器人技術(shù)創(chuàng)新實踐教學得到了廣泛關(guān)注和發(fā)展。美國斯沃斯莫爾學院的B. A. 麥克斯韋（B. A. Maxwell）設(shè)計了實驗室機器人實踐教學方案，讓學生采用團隊合作和自主學習相結(jié)合的方式進行學習，幫助學生更好地理解機器人技術(shù)的原理和應(yīng)用[5]。美國政府也在機器人技術(shù)研究和教育方面投入了大量資源，2011年，美國政府啟動了“STEM（科學、技術(shù)、工程和數(shù)學）教育藍圖”計劃，為未來機器人技術(shù)領(lǐng)域人才培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)，該計劃提出了許多具體措施和目標，其中包括通過機器人實踐教育來激發(fā)學生對STEM的學習興趣[6]。在歐洲國家，機器人技術(shù)創(chuàng)新實踐教學也受到了高度重視，例如European Project Semester （EPS）[7]、EPS Engineering Programme Capstone Project[8]等機器人創(chuàng)新實踐課程已被納入一些歐洲大學的常規(guī)課程。此外，歐洲國家也有許多機器人技術(shù)比賽，如European RoboCup和EuroBot等，很大程度上促進了歐洲機器人技術(shù)創(chuàng)新實踐教學的研究和推廣。

國內(nèi)的許多高校和教育機構(gòu)也開始重視機器人技術(shù)創(chuàng)新實踐教學，加強對學生工程實踐能力的培養(yǎng)。張偉民等人在基于項目教學的機器人實踐課程框架設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)計了創(chuàng)新性的機器人實踐教學課程，引導學生設(shè)計并搭建一套相對完整的機器人系統(tǒng)，在這個過程中逐步加深學生對機器人技術(shù)和專業(yè)知識的了解，培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新思維[9]。彭芳等人開設(shè)了機器人創(chuàng)新設(shè)計課程，在課程教學中帶領(lǐng)學生探討機器人感知、驅(qū)動、控制、機構(gòu)等相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)，激發(fā)學生對機器人技術(shù)的學習熱情，并將項目制合作實驗作為考核方式，為學生參與機器人競賽、各種學科競賽及開展科技制作活動奠定良好基礎(chǔ)[10]。

機器人技術(shù)創(chuàng)新實踐教學在國內(nèi)外已經(jīng)得到廣泛的關(guān)注，但國內(nèi)一些高校仍然停留在示例教學或者簡單的模型教學階段，缺乏實踐教學?；诖?，課程組提出礦山機器人本科實踐教學方法，通過開發(fā)與露天礦裝備相對應(yīng)的創(chuàng)新實踐平臺，設(shè)計層層遞進的教學場景，設(shè)置項目制考核實驗，優(yōu)化教學方法，加強教學內(nèi)容與學校特色、科技發(fā)展的融合，促使學生的個性化發(fā)展、創(chuàng)新意識培養(yǎng)與創(chuàng)新實踐教學有機融合，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

二、機器人技術(shù)創(chuàng)新實踐教學建設(shè)思路

課程組對機器人技術(shù)創(chuàng)新實踐教學的理論框架進行了梳理，將課程內(nèi)容和培養(yǎng)目標按照實踐屬性分為三個層面。機器人技術(shù)創(chuàng)新實踐教學的總體建設(shè)思路如圖1所示，課程組根據(jù)實踐屬性對建設(shè)思路分別進行論述。

感官性是指學生掌握機器人傳感器技術(shù)的能力。在機器人技術(shù)創(chuàng)新實踐教學中，需要讓學生了解各種傳感器的原理、技術(shù)特點以及應(yīng)用場景，加強學生對機器人傳感器的認知和理解。在教學設(shè)計上，融合學校、學科特色，結(jié)合先進技術(shù)，為學生提供多樣化的學習內(nèi)容；同時，引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，讓學生在虛擬環(huán)境中學習機器人傳感器的應(yīng)用場景，并進行仿真實驗。此外，通過校企合作、行業(yè)交流等方式，讓學生了解最新的機器人應(yīng)用及發(fā)展趨勢。在考核方式上，使用技術(shù)答辯的方式進行考核，學生需要根據(jù)指定任務(wù)，調(diào)試傳感器并編寫程序，使用傳感器來完成任務(wù)，需要對程序的功能、實現(xiàn)原理、可行性等方面進行闡釋和論證。這種考核方式能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和解決實際問題的能力，讓學生更好地理解機器人傳感器的原理和應(yīng)用。

操控性是指學生掌握機器人控制技術(shù)的能力。創(chuàng)新實踐教學旨在讓學生掌握機器人的控制技術(shù)及其應(yīng)用，具有很強的理論與實踐性。在教學目標上，要求學生掌握機器人控制系統(tǒng)的基本原理和設(shè)計方法、機器人控制器的應(yīng)用和調(diào)試方法。在教學設(shè)計上，采用案例分析、項目實踐、實驗演示等方式，將課堂教學與實踐相結(jié)合。在教學資源上，配備開發(fā)板、執(zhí)行裝置、調(diào)試器等硬件設(shè)備，搭建控制實驗室。在教學組織上，注重培養(yǎng)學生自主學習和合作學習的能力，通過團隊合作加強學生之間的協(xié)作與交流。考核采用實驗報告的形式，重點考查學生掌握及應(yīng)用機器人控制技術(shù)的能力。

交互性是指學生掌握使機器人與人之間進行交互的技能。在教學目標上，讓學生掌握與機器人交互的相關(guān)理論知識和技術(shù)，具有將所學知識運用于實際場景，實現(xiàn)對機器人的有效控制的能力。在教學設(shè)計上，注重對學生合作精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，采用項目實踐的方式，讓學生參與實際項目，完成人機交互控制任務(wù)。在教學資源上，提供整合的機器人硬件設(shè)備和軟件環(huán)境。教學組織方面，采用小組合作學習的方式，讓學生協(xié)作完成人機交互控制任務(wù)。采用實驗報告、技術(shù)答辯等考核方式，重點考查學生理論知識掌握情況和實際操作能力。

機器人創(chuàng)新實踐教學通過教學目標、教學設(shè)計、教學資源、教學組織和考核方式的合理設(shè)置，幫助學生掌握機器人相關(guān)技術(shù)和理論知識，使學生能夠?qū)⑵溥\用到實際場景中進行機器人的感知、操控和交互控制，通過虛擬場景和實際操作相結(jié)合的方式，為學生提供在工程實際中探索和嘗試的機會。機器人技術(shù)創(chuàng)新實踐教學有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和綜合應(yīng)用能力，提高學生的實踐操作能力和解決問題的能力，具有較高的實用性和現(xiàn)實意義，將對學生的綜合素質(zhì)和職業(yè)發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。

三、露天礦機器人化自主運輸裝卸系統(tǒng)創(chuàng)新實踐教學平臺設(shè)計

（一）創(chuàng)新實踐教學平臺設(shè)計的目標和原則

中國礦業(yè)大學（北京）露天礦機器人化自主運輸裝卸系統(tǒng)創(chuàng)新實踐教學平臺（以下簡稱創(chuàng)新實踐教學平臺）是面向中國礦業(yè)大學（北京）機器人工程、機械工程、電氣工程、人工智能等相關(guān)專業(yè)本科生設(shè)計的實踐教學平臺。該平臺采用沉浸式教學模式，最大限度保真地呈現(xiàn)實際露天礦機器人化自主運輸裝卸系統(tǒng)，使學生能夠深度學習、掌握和運用所學理論知識，增強他們在未來實際工作中的實踐能力，體現(xiàn)了中國礦業(yè)大學（北京）對工業(yè)實踐教育的重視和對產(chǎn)學研結(jié)合的實際應(yīng)用的追求。

創(chuàng)新實踐教學平臺在建設(shè)過程中遵循兩大原則：第一，創(chuàng)新實踐教學平臺應(yīng)盡可能保真地呈現(xiàn)露天礦機器人化自主運輸裝卸系統(tǒng)，讓學生從頭到尾充分參與教學，增強教學效果；第二，創(chuàng)新實踐教學平臺應(yīng)盡量簡化實驗裝置，減少場地占用，以節(jié)約建設(shè)成本。

（二）創(chuàng)新實踐教學平臺架構(gòu)設(shè)計

電鏟是現(xiàn)代各類大型露天礦開采的核心裝備之一，由行走裝置、回轉(zhuǎn)裝置、工作裝置等系統(tǒng)組成（見圖2）。在當前露天礦智能化建設(shè)中，由于工作環(huán)境復雜多變，電鏟機器人化尚處于起步階段，目前仍需要人員進行操作，而機器人化自主鏟裝技術(shù)則是未來露天礦智能開采的核心環(huán)節(jié)之一。為實現(xiàn)機器人化自主鏟裝，需突破電鏟復雜環(huán)境感知、機械臂精準建模與控制、鏟裝移動軌跡規(guī)劃、遠程接管系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)。

在本科教學中，由于教學場地和條件的限制，難以在實驗室真實展示露天礦環(huán)境和作業(yè)裝備，因此需要將機器人化自主鏟裝的關(guān)鍵技術(shù)納入課堂教學，基于智能視覺檢測應(yīng)用開發(fā)平臺和數(shù)據(jù)手套實驗箱，進行創(chuàng)新實踐教學平臺設(shè)計，使教學內(nèi)容與工程實際問題相結(jié)合，傳授學生先進的智能礦山建設(shè)技術(shù)。

智能視覺檢測應(yīng)用開發(fā)平臺整體組成如圖3（a）所示，主要包括液晶屏、攝像頭和六軸機械臂。數(shù)據(jù)手套是一種全新的多模式虛擬現(xiàn)實硬件，應(yīng)用機器人感知與交互技術(shù)，通過多種傳感器，實現(xiàn)對手的姿勢和三維空間姿態(tài)（偏航、翻轉(zhuǎn)和俯仰）的感知。數(shù)據(jù)手套如圖3（b）所示。

智能視覺檢測應(yīng)用開發(fā)平臺中的攝像頭即視覺傳感器，是當前環(huán)境感知的主要手段之一，可基于其開展電鏟復雜環(huán)境感知技術(shù)教學；六軸機械臂具有回轉(zhuǎn)、物體拾取等功能，夾器可模仿電鏟鏟斗在三維空間內(nèi)移動，能夠進行機械臂精準建模與控制、鏟裝軌跡規(guī)劃算法教學；數(shù)據(jù)手套作為一種多模式的虛擬現(xiàn)實硬件，是一種全新的虛擬現(xiàn)實交互手段，允許使用者在虛擬場景中完成抓取、移動、旋轉(zhuǎn)等動作，將其與機械臂進行無線連接，可通過編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)手套對機械臂的隨動操控，開展遠程接管系統(tǒng)的教學。創(chuàng)新實踐教學平臺整體設(shè)計如圖4所示，其具備感官性、操控性和交互性等實踐屬性。

面向工程實際的理實結(jié)合課程設(shè)計如表1所示。課程設(shè)計了4個教學模塊，面向未來電鏟機器人化自主鏟裝發(fā)展方向，凝練關(guān)鍵技術(shù)問題，設(shè)計具有針對性的教學內(nèi)容。每一個模塊都包含基礎(chǔ)知識教學、動手實踐教學和進階工程仿真教學，從易到難，從理至實，激發(fā)學生創(chuàng)新思維，實現(xiàn)高質(zhì)量機器人技術(shù)創(chuàng)新實踐教學。

四、創(chuàng)新實踐教學的實施情況及其滿意度分析

2022年9月，中國礦業(yè)大學（北京）在機電學院機器人本科專業(yè)進行了露天礦機器人化自主運輸裝卸系統(tǒng)創(chuàng)新實踐課程試點教學，取得了良好的反響。本課程由淺入深分為三個階段，即理論教學、案例實驗、設(shè)計實驗，在此過程中采用項目制方式組織學生撰寫項目報告，以此考查學生學習效果。課程成績由平時成績（40%）和答辯成績（60%）組成。本次試點教學，學生平均成績?yōu)?8分，中位數(shù)成績?yōu)?9分，標準差為4.44，說明課程設(shè)置合理，較好地實現(xiàn)了教學目標。

為進一步了解學生的學習體驗，課程組隨機抽選10名學生，從創(chuàng)新實踐教學課程設(shè)置和內(nèi)容、實踐能力提升、課程整體表現(xiàn)和效果三個方面進行訪談，傾聽學生的意見和看法，鼓勵學生提供詳細的反饋信息。對訪談學生的回答進行整理分析發(fā)現(xiàn)，大部分學生對創(chuàng)新實踐教學十分認可。第一，關(guān)于課程設(shè)置和內(nèi)容。學生普遍認為課程的設(shè)置具有前瞻性和實際意義，有助于理解創(chuàng)新的重要性并提高自身的創(chuàng)新能力。課程內(nèi)容豐富多樣，結(jié)合實際問題和案例進行講解，為學生提供了一個很好的創(chuàng)新實踐平臺。然而，部分學生認為實驗內(nèi)容不夠豐富，表示希望教師能夠提供更多創(chuàng)新實驗。第二，關(guān)于實踐能力提升。學生普遍表示課程的教學方法對他們的實踐能力提高有著積極的促進作用，認為與傳統(tǒng)課堂教學相比，本課程更注重學生的主體性和參與度。第三，關(guān)于課程整體表現(xiàn)和效果。學生對課程整體表現(xiàn)和效果給予了較高的評價，他們認為通過課程學習提高了自己的創(chuàng)新實踐能力和團隊協(xié)作能力。

通過課后訪談，本課程對創(chuàng)新人才培養(yǎng)的積極性得到了學生認可。但是，在課程內(nèi)容、教學方法上還有進一步優(yōu)化的空間和必要性，尤其在個性化實驗設(shè)計上，需提供更為豐富的創(chuàng)新實驗，以此進一步提高學生學習體驗和激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。

五、結(jié)語

本文以中國礦業(yè)大學（北京）礦山機器人本科實踐教學為例，介紹了機器人技術(shù)創(chuàng)新實踐教學的探究成果。露天礦機器人化自主運輸裝卸系統(tǒng)創(chuàng)新實踐課程對基礎(chǔ)知識進行了系統(tǒng)性梳理，結(jié)合豐富典型的實踐實驗，幫助學生理解復雜的數(shù)學、算法模型，提高了學生知識的吸收率，培養(yǎng)了學生實踐能力和創(chuàng)新能力。同時，搭建了創(chuàng)新實踐教學平臺，設(shè)計了基于露天礦機器人化自主運輸裝卸系統(tǒng)的綜合創(chuàng)新實踐項目，進一步提高了學生的知識運用能力和動手能力，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和解決復雜工程問題的思維，提高本課程的教學質(zhì)量，強化學生對專業(yè)課程知識系統(tǒng)性的認知，使學生在未來求職中具有更強的競爭力，幫助學生在未來的職業(yè)發(fā)展中贏得先機。

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［責任編輯：蘇祎穎］