摘"要：SLAM是新工科教育體系里的重要核心課程，其本科教學(xué)存在課程預(yù)備知識(shí)多、課程理論深度高、工程技能要求高和面臨大量實(shí)踐運(yùn)用等難點(diǎn)。針對(duì)這些問(wèn)題，面向國(guó)家新工科教育發(fā)展需求，本文探索了工程技能達(dá)成引導(dǎo)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)的課程建設(shè)方法，將抽象理論知識(shí)與實(shí)際項(xiàng)目案例相結(jié)合，通過(guò)多維度教學(xué)策略來(lái)深化學(xué)生對(duì)SLAM知識(shí)的理解和掌握。進(jìn)一步地，以工程技能培養(yǎng)作為目標(biāo)，本文提出了涉及機(jī)器人領(lǐng)域多門(mén)課程的協(xié)同教學(xué)模式，為全面提升學(xué)生知識(shí)體系認(rèn)知、激發(fā)創(chuàng)新思維和強(qiáng)化解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力做出了有益探索。

關(guān)鍵詞：同步定位與建圖；SLAM；教學(xué)方法；工程實(shí)踐

一、概述

新工科是教育領(lǐng)域做出的一項(xiàng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重大戰(zhàn)略行動(dòng)，肩負(fù)支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展等一系列國(guó)家戰(zhàn)略的重要使命。傳統(tǒng)工科教育按照學(xué)科分類開(kāi)展知識(shí)傳授和技術(shù)培訓(xùn)，與之相比，新工科教育強(qiáng)調(diào)不同學(xué)科的交叉與融合，突破了傳統(tǒng)工科教育中學(xué)科之間的壁壘［1］。面對(duì)當(dāng)前社會(huì)對(duì)新工科人才的廣泛需求，大學(xué)課程正面臨著全新的改革形勢(shì)，在保障學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)掌握的基礎(chǔ)上，還需要進(jìn)一步培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的邏輯思維能力與創(chuàng)新創(chuàng)造能力，從而迎合新工科建設(shè)與發(fā)展需求［2］。

同步定位與建圖（Simultaneous"Localization"and"Mapping，SLAM）是機(jī)器人和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是新工科領(lǐng)域中備受矚目的一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域［3，4］。通過(guò)學(xué)習(xí)SLAM課程，大學(xué)生不僅能夠深入了解機(jī)器人導(dǎo)航領(lǐng)域的基本原理和典型應(yīng)用，還能提高計(jì)算機(jī)算法設(shè)計(jì)和編程能力。隨著機(jī)器人技術(shù)、自動(dòng)駕駛以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，掌握SLAM技能的人才是各大企業(yè)競(jìng)相追逐的寶貴資源，也是國(guó)家科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新活力，在社會(huì)上有著越來(lái)廣泛的需求。因此，SLAM課程建設(shè)是我國(guó)新工科教育的一個(gè)重要領(lǐng)域，對(duì)于培養(yǎng)高素質(zhì)的科技人才、推動(dòng)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)發(fā)展具有重要意義［5］。

SLAM課程是一個(gè)全新的專業(yè)課程，在高校中此課程的開(kāi)設(shè)尚不普遍，缺乏豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)積累。此外，已開(kāi)設(shè)課程主要面向研究生，而面向本科生開(kāi)設(shè)的課程較少。筆者憑借在本科生基礎(chǔ)課程教育與機(jī)器人導(dǎo)航領(lǐng)域研究的心得體會(huì)，深入剖析SLAM課程建設(shè)所面臨的挑戰(zhàn)與難點(diǎn)，并針對(duì)性地提出了切實(shí)可行的建設(shè)方案，為推動(dòng)教學(xué)改革、有效達(dá)成新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)提供新的思路。

二、SLAM課程的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)

（一）課程預(yù)備知識(shí)多，且缺一環(huán)不可

作為一門(mén)前沿的機(jī)器人技術(shù)，SLAM課程不僅要求學(xué)生掌握機(jī)器人ROS操作系統(tǒng)［6］、C++語(yǔ)言編程、OpenCV圖像處理［7］等基礎(chǔ)知識(shí)，還需要深入理解機(jī)器人學(xué)、傳感器技術(shù)以及激光/視覺(jué)SLAM算法等多種知識(shí)體系。它們構(gòu)成了SLAM技術(shù)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，缺一環(huán)都可能導(dǎo)致學(xué)生對(duì)后續(xù)內(nèi)容理解困難。在有限的課時(shí)內(nèi)，逐一講解這些預(yù)備知識(shí)往往難以實(shí)現(xiàn)，而遺漏某些知識(shí)又可能使學(xué)生理解不夠透徹。

（二）課程理論深度高

SLAM課程涉及隨機(jī)系統(tǒng)、矩陣論等大量抽象知識(shí)，它們事關(guān)SLAM核心理論的理解，例如，如何通過(guò)數(shù)學(xué)模型來(lái)描述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和環(huán)境感知，以及如何處理傳感器數(shù)據(jù)的不確定性等。這些理論知識(shí)不僅概念抽象，而且需要較強(qiáng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和理解能力，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，理解其背后的原理和推導(dǎo)過(guò)程是一大挑戰(zhàn)，學(xué)生往往難以駕馭。

（三）課程工程技能要求高

SLAM課程強(qiáng)調(diào)機(jī)器人導(dǎo)航理論的實(shí)際應(yīng)用，涉及基本原理、算法實(shí)現(xiàn)、優(yōu)化方法等多個(gè)方面。只有通過(guò)工程實(shí)踐，學(xué)生才能夠深入理解SLAM算法的原理，提升對(duì)SLAM課程整體知識(shí)的認(rèn)知高度。如何將基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐結(jié)合在一起，通過(guò)SLAM課程內(nèi)容有機(jī)地整合在一起來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程能力是另外一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

（四）課程要求大量的實(shí)踐運(yùn)用

作為機(jī)器人和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的核心技術(shù)，單純講述理論知識(shí)，學(xué)生難以真正掌握其如何在實(shí)際項(xiàng)目中得到應(yīng)用，無(wú)法掌握SLAM與現(xiàn)代機(jī)器人系統(tǒng)、無(wú)人駕駛汽車的聯(lián)系。因此，學(xué)生需要在理論學(xué)習(xí)的同時(shí)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目實(shí)踐，將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題中，從而深入理解SLAM知識(shí)在實(shí)際工程項(xiàng)目中的地位與作用，這也是SLAM課程教學(xué)的又一個(gè)挑戰(zhàn)。

三、SLAM課程的建設(shè)措施

SLAM課程具有預(yù)備知識(shí)多、理論深厚、工程技能要求高等難點(diǎn)，筆者提出多項(xiàng)關(guān)于教學(xué)形式和方法的建設(shè)措施，引導(dǎo)學(xué)生將工程技能達(dá)成與基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)緊密結(jié)合。

（一）多模態(tài)的講授手段

綜合使用分組討論、課程論文、參觀實(shí)習(xí)和機(jī)器人比賽等多模態(tài)講授手段，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情、啟迪學(xué)習(xí)樂(lè)趣，全面引領(lǐng)學(xué)生了解和掌握SLAM關(guān)鍵核心理論與技術(shù)。

首先，通過(guò)分組討論，鼓勵(lì)學(xué)生相互之間的交流與合作，培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，共同解決學(xué)習(xí)SLAM課程中遇到的難點(diǎn)。其次，每當(dāng)講授完SLAM課程中的一個(gè)核心理論，安排學(xué)生深入調(diào)研SLAM相關(guān)領(lǐng)域并撰寫(xiě)課程論文，促進(jìn)學(xué)生及時(shí)地復(fù)習(xí)課程知識(shí)，并全面了解課本內(nèi)容之外的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，培養(yǎng)他們的文獻(xiàn)綜合能力。再次，積極地安排參觀訪學(xué)環(huán)節(jié)，帶領(lǐng)學(xué)生們到企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)親身體驗(yàn)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，將課程中的知識(shí)與實(shí)際產(chǎn)業(yè)應(yīng)用對(duì)應(yīng)起來(lái)，一方面能夠了解行業(yè)前沿動(dòng)態(tài)，另一方面還能增強(qiáng)實(shí)踐操作能力。最后，宣傳和組織學(xué)生們參加各項(xiàng)機(jī)器人比賽，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，讓他們?cè)诒荣愔胁粩嗵魬?zhàn)自我，通過(guò)內(nèi)在核心力驅(qū)動(dòng)的模式促進(jìn)SLAM課程知識(shí)的學(xué)習(xí)與掌握。這種融合分組討論、課程論文、參觀實(shí)習(xí)和機(jī)器人比賽的多模態(tài)教學(xué)方式，相對(duì)于傳統(tǒng)的“教師講、學(xué)生學(xué)”的形式，能夠更全方位地培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)、能力和素質(zhì)，使他們?cè)谡莆誗LAM課程知識(shí)的同時(shí)，還具備良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作、研究創(chuàng)新和實(shí)踐應(yīng)用能力，在走向社會(huì)崗位時(shí)能夠適應(yīng)快速發(fā)展的機(jī)器人行業(yè)需求。

（二）機(jī)器人項(xiàng)目牽引式的理論學(xué)習(xí)

將SLAM課程內(nèi)容分成多個(gè)知識(shí)模塊，每個(gè)模塊使用一個(gè)典型解決方案為代表進(jìn)行案例教學(xué)，通過(guò)機(jī)器人項(xiàng)目牽引的方式引領(lǐng)學(xué)生由淺入深地學(xué)習(xí)和掌握該領(lǐng)域的理論與工程技能。

傳統(tǒng)課程的講學(xué)手段采用的是層層遞進(jìn)，例如“自動(dòng)控制原理”課程依次從系統(tǒng)建模、時(shí)域模型性能分析、頻域模型性能分析、系統(tǒng)校正等幾個(gè)方面開(kāi)展，后面的知識(shí)是在前一章知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的講解，具有由淺入深、層層遞進(jìn)的特性。但是SLAM課程知識(shí)既具有較高的深度，又具有較大的寬度，核心內(nèi)容之間存在一定的封閉性。例如典型的SLAM解決方案有GMapping［8］、Cartographer［9］、VO/VIO［10］、OrbSLAM［11］、RatSLAM［12］等，這些內(nèi)容雖然都屬于SLAM知識(shí)，但是它們背后的機(jī)理完全不同，技術(shù)路線上不存在前后遞進(jìn)關(guān)系。在SLAM課程中，教師需要引入這些經(jīng)典SLAM項(xiàng)目作為案例，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)際操作來(lái)學(xué)習(xí)和理解相關(guān)理論與實(shí)踐技能。通過(guò)案例項(xiàng)目的分析和實(shí)踐，學(xué)生能夠更直觀地理解SLAM算法的原理和應(yīng)用，掌握相關(guān)的軟硬件平臺(tái)搭建、系統(tǒng)調(diào)試等技能。

（三）多學(xué)科專業(yè)的教師團(tuán)隊(duì)協(xié)同施教

同一門(mén)課程由多個(gè)教師參加，按照理論講解、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和實(shí)踐學(xué)習(xí)等多個(gè)層面配置教學(xué)團(tuán)隊(duì)，教師專業(yè)包含機(jī)械工程、控制工程以及計(jì)算機(jī)工程等多個(gè)學(xué)科。

傳統(tǒng)課程一般配備一名主講教師和一名輔講教師，他們的講課方式、授課內(nèi)容大體相同。SLAM則是一門(mén)注重實(shí)踐應(yīng)用的非傳統(tǒng)課程，其內(nèi)容涵蓋機(jī)械工程、控制工程以及計(jì)算機(jī)工程等多個(gè)學(xué)科。傳統(tǒng)的教學(xué)團(tuán)隊(duì)配置方式使得教師需要講解多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，一方面，學(xué)生不能通過(guò)最優(yōu)秀的教學(xué)方法吸取這些領(lǐng)域的知識(shí)；另一方面，教師也會(huì)感到力不從心，增加了教學(xué)壓力。

在SLAM課程中，采取一種創(chuàng)新的多學(xué)科教師團(tuán)隊(duì)協(xié)同教學(xué)模式。該課程由來(lái)自不同學(xué)科背景的教師共同參與，包括機(jī)械工程、控制工程以及計(jì)算機(jī)工程等學(xué)科領(lǐng)域的教師，并兼顧考慮理論講解、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和實(shí)踐教學(xué)等多個(gè)層面。每位教師根據(jù)自己的專業(yè)特長(zhǎng)，在課程中發(fā)揮獨(dú)特的作用。一方面，專注于理論講解的教師負(fù)責(zé)深入剖析SLAM技術(shù)的核心原理，向?qū)W生講授SLAM的理論基礎(chǔ)；另一方面，擅長(zhǎng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的教師指導(dǎo)學(xué)生如何將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的機(jī)器人系統(tǒng)，他們結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例開(kāi)展形象化的教學(xué)。這種多學(xué)科教師團(tuán)隊(duì)的協(xié)同施教模式，能夠?yàn)閷W(xué)生提供一個(gè)全面、系統(tǒng)、深入的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，讓他們?cè)谡莆誗LAM理論知識(shí)的同時(shí)，也能獲得豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

四、SLAM課程與關(guān)聯(lián)課程的協(xié)同教學(xué)措施

（一）機(jī)器人操作系統(tǒng)

機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot"Operating"System，ROS）是一門(mén)介紹基礎(chǔ)工程知識(shí)的應(yīng)用型課程，其課程內(nèi)容與SLAM課程存在諸多相似之處，但二者在教學(xué)上具有不同的側(cè)重點(diǎn)，因而需要有條件進(jìn)行協(xié)同教學(xué)，從不同的教學(xué)角度來(lái)講授同一個(gè)工程技能背后的相關(guān)知識(shí)。首先，在理論層面將SLAM經(jīng)典解決方案，例如EKFSLAM、PFSLAM、CartographerSLAM等，作為ROS框架下的重要應(yīng)用案例進(jìn)行介紹，使學(xué)生在學(xué)習(xí)ROS時(shí)就能初步理解SLAM技術(shù)及其在機(jī)器人自主導(dǎo)航中的作用。其次，通過(guò)搭建基于ROS的SLAM系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)，通過(guò)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)具有特定功能的機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)，從而加深對(duì)SLAM課程及ROS課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解。

（二）服務(wù)機(jī)器人技術(shù)

服務(wù)機(jī)器人技術(shù)課程全面介紹服務(wù)機(jī)器人的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)關(guān)于服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)的全面知識(shí)框架。圍繞達(dá)成一個(gè)機(jī)器人導(dǎo)航工程技能的目標(biāo)，這兩門(mén)課程也有條件進(jìn)行協(xié)同教學(xué)，同時(shí)教授學(xué)生SLAM課程與服務(wù)機(jī)器人技術(shù)課程的知識(shí)點(diǎn)。首先，將SLAM技術(shù)作為服務(wù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)之一進(jìn)行重點(diǎn)介紹。通過(guò)理論講解、案例分析以及實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生將掌握SLAM技術(shù)的基礎(chǔ)理論，并理解其在服務(wù)機(jī)器人中的重要性。其次，在服務(wù)機(jī)器人技術(shù)課程中，將SLAM技術(shù)融入服務(wù)機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中。通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐，學(xué)生將親自設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)具備自主導(dǎo)航能力的服務(wù)機(jī)器人，利用SLAM技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的定位與地圖構(gòu)建。

五、結(jié)論

綜上所述，SLAM課程存在課程預(yù)備知識(shí)多、課程理論深度高、工程技能要求高、面臨大量實(shí)踐運(yùn)用等難點(diǎn)。筆者針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際教學(xué)和SLAM項(xiàng)目開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)從多個(gè)角度提出了一系列應(yīng)對(duì)措施，包括綜合使用分組討論、課程論文、參觀實(shí)習(xí)和機(jī)器人比賽等多模態(tài)講授方法，經(jīng)典機(jī)器人項(xiàng)目牽引式的理論實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式，以及多學(xué)科專業(yè)背景的教師團(tuán)隊(duì)協(xié)同施教模式等。進(jìn)一步地，與ROS、服務(wù)機(jī)器人技術(shù)等多門(mén)課程進(jìn)行協(xié)同教學(xué)，以工程技能達(dá)成牽引為目標(biāo)，多維度地培養(yǎng)學(xué)生理論知識(shí)與工程實(shí)踐能力。

本文所提出的工程技能達(dá)成引導(dǎo)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)的SLAM課程建設(shè)方法，通過(guò)緊密結(jié)合工程實(shí)踐與理論學(xué)習(xí)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)與專業(yè)技能，同時(shí)拓展他們的創(chuàng)新思維和解決問(wèn)題的能力。展望未來(lái)，我們相信這種以工程技能為導(dǎo)向的教學(xué)模式將在SLAM教學(xué)領(lǐng)域乃至更廣泛的工程教育中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，期待看到更多學(xué)生通過(guò)這種教學(xué)模式成長(zhǎng)為具備扎實(shí)理論基礎(chǔ)和卓越工程技能的新工科人才。

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作者簡(jiǎn)介：孫榮川（1981—"），男，漢族，江蘇泰州人，博士，副教授，研究方向：移動(dòng)機(jī)器人、導(dǎo)航定位與建圖；郁樹(shù)梅（1982—"），女，漢族，山東莒南人，博士，副教授，研究方向：手術(shù)機(jī)器人、導(dǎo)航與路徑規(guī)劃。