面向高校学生的《智能机器人》课程教学创新方法研究

陈余庆，于双和，牛小兵

（大连海事大学 船舶电气工程学院，辽宁 大连）

一 引言

《智能机器人》课程以培养符合世界一流大学要求的具有国际竞争力的高素质创新人才为宗旨，将重点建设各类机器人模块化综合平台，实现高校教学开放式课程体系。《智能机器人》实践教学依托于新型机器人科技实验平台，其具体内容融合了机器人机械结构设计、驱动与控制方式、多种类信息感知、运动规划与目标跟踪、自主定位与地图构建等[1-3]。与传统多数课程知识体系相比，《智能机器人》教学内容具有知识覆盖面跨度大和综合性强等特点。《智能机器人》课程的教学知识体系也有必要构建为一种从简单到复杂的递进式教学模式，即实现从单一基本技能模块逐步过渡到综合技能模块，进而达到机器人综合创新设计能力的能力进阶式系列化教学体系。同时，建立和不断丰富机器人实践教学案例库，使学生得到机器人开发系统化训练。

提升和优化《智能机器人》理论与实践教学模式和内容，扩大学生知识面，提升专业知识水平，使学生掌握机器人所涉及的自动化、电子、信息[4]、计算机软硬件[5-6]和人工智能等学科相关内容，从而为今后从事机器人等相关工作奠定良好基础。此外，创新教学内容与方法的实施可以将产业对人才培养目标的最新要求引入课程实践教学，将机器人行业的新动态、新成果融入新的教学过程中，加强产学研合作，凝练最新机器人特色应用技术，并打造机器人课程优势方向，从而为高校学生创造良好的学习氛围和机器人实验条件，不断提高机器人相关专业的综合实力与教学水平。

通过面向高校学生的《智能机器人》课程创新方法研究，全面梳理《智能机器人》教学课程创新体系架构（图1），修订高校学生培养目标和课程教学目标，提升高校学生培养素质和质量。通过展示机器人构型以及采用模块化设计构造的标准化智能机器人功能，让学生理解当前机器人系列课程的实际应用价值和专业发展的引领作用。然后再改善和制定相关学习内容和方法，将智能控制、大数据等融入机器人实践中，创新机器人教学培养方式。理论课程以讲解基础知识，实验课则以若干机器人工程相关实验项目为主要内容，理论和实验课程均以智能控制与机器人工程新工科实验相关内容为依托。通过结合具体项目来实现理论与实践的有机结合，提升高校学生质量培养效果。

图1 《智能机器人》课程创新体系架构

通过更新和改革机器人教学内容与方法，满足高校机器人类课程教学需求，教学方法改革，更注重学生的综合素质和能力培养。《智能机器人》教学内容改革，同时为创新设计竞赛的高校学生提供赛前培训、创新性实践等指导，开拓学生创新思维，提高学生的实践素质。

二 课程改革目标

通过《智能机器人》理论与实践教学内容改革和方法创新，旨在探索培养当代国家社会需要的研究型创新科技人才，培养具有从事机器人领域工作的综合技能人才，培养富于创新精神和实践能力、具有国际视野以及较强沟通能力的高素质复合型人才。推动高校的“双一流”学科建设，推进高校学生教育内涵式发展，培养高校学生优秀拔尖人，实现高校学生教育质量提升，并取得具有显示度的标志性成果[7-9]。通过《智能机器人》课程教学方法研究，具体达到如下改革目标：

（一） 提升学生机器人创新和批判性思维能力

整合高校学生《智能机器人》课程的优质教学资源，形成一整套具有互动性、启发式和探究式的多学科交叉高校学生课程学习方法。通过教学方法改革，使得教师能够给学生及时的帮助和反馈，并建立教学相长、无私分享的高校学生教学形式。此外，在学生培养中，改变传统的灌输式教育方式，教师指导和放手之间找到平衡点，培养学生具备学术质疑精神和批判性思维，以培养出身心健康的能够服务于国家社会的高素质创新人才。

（二） 优化学生学习资源配置和教学模式

充分开发和应用现有多种类的信息化教学平台和数字化资源，合理组织教学过程，建立高效的多平台信息化教学体系。运用课前问题导学、课堂面对面讲授、云端问题测试、课后线下交流讨论和现场实验操作等多种教学方法，营造一种轻松高效而友爱的学习氛围。通过多种线上学习应用软件的有效结合，配合及时的课后体会总结等内容，建立学习与享受、学术与生活的有机统一，践行“无处不学术”的研究新理念。

（三） 增强学生的互助协作与实践能力

机器人教学过程中，建立以学生为中心的教学模式，并组织学生更多进入实验室，鼓励学生自主学习机器人开发知识，并通过开发小组成员的团队协作共同加强实践能力的训练。此外，通过参加各类机器人科技竞赛活动，学生自己动手组装和扩展机器人功能模块，并为机器人编写核心算法控制程序，使学生掌握智能机器人开发技术方法。积极培养学生的科学理论研究与技术开发相结合的问题分析与解决能力、创新意识和实践能力、自主学习和团队协作能力等。

注重创新型人才培养，利用建设完成的实践课程资源，面向国家机器人科技发展趋势，培养以机器人为主要对象和工具的自动化系统设计、开发和应用工程师作为专业特色，培养兼具计算机软件和硬件设计及应用能力、系统的控制理论与机电基础及系统知识、能从事机器人产品的创新设计、制造、应用开发、运行管理与维护和教育培训等方面工作，在机器人工程与自动化系统应用领域具有显著专业特长的综合型工程技术人才。

三 《智能机器人》课程改革方法

（一） 开发启发式、开放性问题教学资源

依托智能机器人教学实践平台，设置更多开放性的研究问题，通过机器人模块化组装、机器人路径规划设计、机器人足球赛仿真、机器人串口运动控制、机器人视觉目标识别与分拣等多种实验案例操作实践，将机器人应用需求分析、机械设计、驱动方式设计、仿真分析、平台开发实践与功能验证等引入教学过程中，运用任务引领和问题导向的目标式教学方法，提升学生的主动创新意识和思辨能力。

为学生提供智能机器人领域的理论前沿与发展动态，掌握机器人系统的基本理论，让学生掌握机器人传感器、机器人控制器和机器人设计的基础知识，完成智能机器人模块化认识实践教学；要求学生了解开发机器人软件和硬件的模块，学会机器人操作程序编写。让学生结合已经获取的机器人传感信息以及机器人相关知识，进行自由发挥，完成不同功能的移动机器人设计。学习和开发多自由度人、多形态机器人，并为学生提供软件编程平台，实现对目前已有的机器人科技的学习。同时组织学生对学习内容进行评价和总结，引导学生提出研究主题的关键性科学问题和存在不足，培养学生的学术批判性思维。

（二） 研究机器人发展的伦理道德和课程思政问题

智能机器人本体的发展水平日新月异，然而机器人作为智能科技的一种重要的具有推理能力的载体，其智能自主思维能力的不断演进如何与人类社会的道德意识相匹配，成为人类不可避免要面对的新问题。上世纪提出的“机器人开发三原则”只是对于针对机器人如何不得伤害人类做出了框架性约束，对于机器人的思想和意识发展问题并没有提及。机器人教学改革可以加强规范机器人的人工智能思维意识，并与人类社会不同国家、不同地域以及不同种族和不同时代的伦理道德观念相匹配，建立新的智能机器人发展的伦理道德约束机制。并与课程思政教育相结合，致力于发展有益于民族团结和人类共同进步的机器人开发新规范。

（三） 探索高效的线上/线下混合教学模式

建立《智能机器人》课程微论坛、课前知识点的云端问题调查、课堂教学讨论以及课后学习成果线上云反馈的多信息交互平台授课软硬件支撑体系。通过探索不同线上信息教学平台的特点，构建一种形式聚焦一起、融为一炉、共为之用的混合教学模式，利用新兴的信息技术把传统课堂教学的优势和网络在线教学的优势相结合，通过平台资源优化进一步提升现有的学生培养教学质量，探索学生教学模式的高效支撑信息平台技术架构。

（四） 融合课程教学与科技创新竞赛知识体系

改变传统的课程教学以基础理论为主线的模式，采用科技创新需求为导向的教学方法。构建国家级大学生机器人竞赛 “RoboCup”杯、“RoboMaster”杯等学生科创竞赛指导规范，并融入《智能机器人》课程中的教学主题元素之中。根据历年的科创竞赛主题和经验，指导学生参与和设计所在学习年度的新科创主题。这样，通过融合课程教学与科技创新竞赛知识体系，不仅可以提升工程类学生的实践操作能力，而且可以保持学生教学内容的新颖性和知识前瞻性。

利用所建设的机器人本体学习平台，课程开展的过程中，让学生在掌握智能机器人控制的基础上进行机器人的分解与组装，充分了解机器人的机械组成，从组装拆卸的过程中学习机器人的设计思路，由此让学生学会设计一些简易机器人。此外，课程开展的过程中，让学生基本理解掌握控制工程、电气与计算机工程、计算机科学和系统工程基础知识，掌握履带式、麦克纳姆轮式等移动平台的使用，并将多种移动平台与其他机器人设备相结合运用，通过开放性、综合性的设计实验，掌握机器人系统集成和工程应用的开发技术。总之，通过机器人教学方法创新，可以拓展高校学生的创新思维能力和创新意识，并提升学生的整体综合素质和创新开发工程实践能力。

四 结语

《智能机器人》课程伴随着我国智能科技的发展而成为大学生教育的核心课程之一，迫切需要改变目前传统的机器人教学方式，提高学生对专业知识的兴趣，培养其实践能力和创新意识，还可将智能机器人与学生各种机器人类赛事相结合，促进学生综合知识的掌握和综合能力的提高。通过深入研究开发启发式、开放性研究问题教学资源，并研究机器人的伦理道德和课程思政等新问题，探索高效的线上/线下混合教学模式，融合课程教学与科技创新竞赛知识体系，建立符合未来社会“人机统一”的智能机器人技术发展需求的教学新体系。