机器人实践教学体系综合探索与实践

张伟民 杨宇航 靳家豪 聂富宇 王洋

摘要：伴随人工智能技术的快速发展，机器人领域的发展出现了新的机遇，机器人相关课程教学将更加注重和强调学生的创新思维和实践能力。通过分析现有的机器人方向的专业课程教学体系，指出了存在的问题。随后根据机器人课程教学需要具备综合性、创新性、实践性的特点，尝试引入了项目教学法，阐明了项目教学法在提高学生的综合应用能力和实践创新思维等方面的作用。在项目教学法的基础上，根据具体教学实践情况，设计了机器人实践课程教学体系，在引导学生设计并搭建一套相对完整的机器人系统的过程中，逐步加深学生对机器人技术和专业知识的理解和认知，培养学生的工程实践能力和创新思维。数年的教学实践证明，该文所提出的机器人实践课程体系可有效提升教学质量和学生的实践创新能力，取得了良好的效果。

关键词：机器人；实践教学体系；项目教学法；创新思维

中图分类号：G434 文献标识码：A

近年来，伴随着人工智能浪潮的兴起，机器人领域得到了很大的发展。作为人工智能技术的重要载体之一，机器人技术也展现出新的生命力和创新力，但是传统的机器人本科教育缺乏相应的创新性和有效的实践内容，不能更好地满足机器人产业发展的迫切需求。本文针对机器人涉及专业课程多、课程之间难以建立有效的联系的问题，在借鉴国内高校在实践教学经验的基础上[1-8]，以培养学生的工程实践能力和自主创新思维为目标，构建了机器人实践课程体系，能够将专业课程的理论知识联系起来，并在实际的工程项目中加以应用。通过设计并完成一套完整的机器人系统，提高学生的专业素养和团队合作能力。

（一）机器人课程体系

机器人是一个综合性很强的系统，把多种相关专业技术融合在一起，因此机器人课程体系相应的也比较复杂，可以简单分为软件设计、机械设计、传感器、电气设计、机器人设计及仿真五个模块，如表1所示。

（二）前期机器人课程体系存在的问题

结合近年来国家对机器人专业教育的要求，为了使课程体制改革“对症下药”，我们系统分析了当前机器人课程体系改革存在的问题，主要有以下四个方面[9][10]。

1.抽象理论难度较高。现有的机器人学专业课相对前期本科生的基础课难度上梯度较大。例如正运动学、逆运动学、空间运动学和动力学的概念，针对本科的同学教学上需要采用较多的课时去普及概念形成一个抽象的总体认识。在教学上也难以使学生对抽象的理论计算产生较高的学习兴趣和积极性。从学生的角度来讲，这一类知识也较难产生联想思维，在巩固知识时难以形成科学的知识网络结构。

2.对机器人系统整体性认识不足。现阶段，我们对机器人的理论教学主要从机械、电气、控制、决策等方面入手，以模块化的方式针对机器人的不同部分进行介绍。这种教学模式会导致学生对机器人的认识离散化、碎片化，而不能够形成整体的概念，学生会误以为机器人仅仅是由一些独立的模块和独立的技术简单拼凑而成的机电设备，而不能充分认识到技术和模块之间的相互关联和有机结合。因此，学生在进行机器人设计的活动中，很难在系统层面对机器人有一个全局的把控。

3.缺乏系统创新实践。在传统的课程设计教学活动中，由于设计的元件较多价格昂贵，一般学生也缺乏加工和测试环境，课程设计往往停留在理论设计。学生往往因为条件限制无法动手或接触到具体的机器人设计的细节。如果学生对课程设计没有实践体验，而仅仅停留在理论层面的设计，在设计的过程中就难以激发出创新思维。学生只有对实物设计有一个真实的感受和认识，才能在后续的创新设计中提出针对现有设计不足之处的改进。

4.對机器人产业需求了解较少。学生在传统课程中学习到的是一些较为成熟的成体系的知识。因此，现在的学生普遍对机器人产业了解较少。在学校环境中进行的创新实践活动往往会脱离机器人实际的产业需求。机器人是一门需要联系生产实际的技术，在其上进行拓展创新的时候必须结合生产实际，这种创新才会具有更强的生命力。所以，培养学生对机器人产业需求的认识也至关重要。

项目教学法[11-13]是一种以学生为主体，充分发挥教师的引导作用的教学法，其由美国著名教育家凯兹博士和加拿大教育家查理博士共同推出。该教学法自引入我国后先后在中小学、高校开展了各种教学试点，取得了不俗的教学成果。这一系列教学实践证明，项目教学法完全适合我国各阶段教育，是符构建教学理论、促进学生全面发展的科学教学法。机器人技术的学习对学生的创新性、探索性、综合学习能力提出了极高的要求，而多年的教学成果表明，侧重理论知识学习、验证性实验的传统机器人课程体系并不能很好地完成这一教学目标。因此，机器人知识的教育离不开实践环节，而项目教学法将实践和研究融入教学环节的核心思想恰好完美契合了这一需求。本文针对目前机器人本科教育中存在的实践不足的问题，结合项目教学法，设计了一种以项目为基础、以教师为引导、以学生为主体、注重知识的实际运用的课程教学方式。通过设计机器人系统这一自主实践形式，学生在学习机器人专业知识和探索机器人核心技术的过程中锻炼了自主学习能力，培养了工程实践能力和创新思维，从而有效解决了学生抽象理论难以联系工程实践、对系统缺乏整体性认识、缺乏创新实践意识等问题。

项目教学法的框架体系下，教师和学生同属于教学活动的参与者与推动者，因此效率也大大提高。基于目前科学技术与社会生产活动对各高校学生培养要求越来越高的背景之下，教师也逐渐习惯将项目教学法融入在日常的教学活动中去。以工科专业为例，实践类课程往往依托于以若干学生作为成员组成不同学习小组的形式而开展，其中每个学习小组至少可选定一名指导老师。这样的教学形式与项目教学法的契合度很高，为项目教学法的引进创造了得天独厚的条件。因此，面向工科大学生群体开展一系列以项目教学法为核心的实践类课程，是探索新工科专业教学模式踏出的重要一步，具有重要的意义。

第一，有利于提高学生的自主性与积极性。首先，项目教学法将主体从教师转换到了学生，在项目开展的过程中，学生不再单方面接受并执行教师的指令，而是可以结合自身实际情况和小组项目进展灵活调整学习计划，教师在此期间为学生完成项目尽可能提供指导和帮助；同时每位学生可充分发挥自己的兴趣特长，在项目中各司其职，也更愿意为团队发光发热，贡献自己的力量。

第二，有利于提升学生的综合应用能力。机器人专业的实践性决定了学生必须通过亲自动手实践才能更好地将所学的知识加以应用；机器人系统的复杂性也决定了学生需要熟练掌握不同领域的知识和技能以应对项目开展过程中随时出现的各种问题。在项目立项阶段，学生必须要有主动获取知识、研究理论、提炼方法的能力；在项目实施阶段，需要学生灵活运用理论，选择合适的方法开展项目实验等；在项目总结阶段，为了尽可能将项目成果完整且简洁明了地呈现给评委老师们，学生团队在制作项目演示PPT时要具备良好的文字处理能力和效果展示技巧。由此可见，在一个项目的执行周期内，学生在知识的理解与应用、技术的验证与调试、成果的展示与呈现等各方面都得到了很好的锻炼。

第三，有利于培养学生的创新思维。首先在项目立项阶段，学生需要充分调研相关领域的行业背景，就某一个或几个方面的行业痛点针对性地提出具有创新性的解决方案。其中创新性不仅局限于提出开天辟地式的新方法，还可以对现有的方法进行改进和优化。在项目开展的过程中，也要求学生能够充分进行头脑风暴解决可能出现的问题。以上实践活动都能在极大程度上激发学生的创造力，培养必不可少的创新思维。

机器人是一个综合性、实践性都很强的领域，工程能力、实践能力、创新能力是重要的培养目标。本文依托项目教学法，以培养学生工程实践能力和自主学习能力为目标，在机器人专业开展实践类课程进行教学实践。相比于传统的实践类课程由教师命题制作，本课程以学生为主体，给学生足够大的自由度和发挥空间，通过自主选题和实践学习，培养学生在面对问题、解决问题时的方法论，提高学生的独立思考能力和自主学习能力。

（一）实践课程要求

1.满足多层次多方面需求。实践课程的教学目标是加深学生对机器人系统整体性的理解和认识，并在这个过程中锻炼学生的工程实践能力和创新思维，包含硬件系统，软件系统在内，划分为基础学习、强化提高、学科竞赛三个层次。

基础学习阶段是在接触机器人的初始阶段，通过查询相关的技术文献，学习使用机器人基本的硬件设备，包括电机、单片机、传感器等，掌握其控制原理和方法，能够实现简单的机器人系统的控制；强化提高阶段是在完成基础学习之后，按照学生感兴趣的方向和相关的专业课程，强化动手能力，加深对机器人系统整体的理解，并开始尝试比较复杂的机器人系统的设计；学科竞赛阶段是学生通过所学知识，在教师的指导下，参加机器人相关的竞赛，完成具有创新性的机器人系统设计，通过自主完成项目，在工程实践中应用前期所学的理论知识与技术，在这个过程中不断激发学生的创新思维、提高实践水平。

2.实践教学向科研延伸。利用教师所在实验室的资源和条件，将实践课程向科研方向延伸，引导学生参加教师主持开展的科研项目，进入教师的课题组开展相关的研究，真正将专业课所学知识和科研实践相结合，培养学生真正具有自主科研能力。

（二）总体实施计划

机器人实践课程的总体实施计划如图1所示，分为课程引入、理论学习、综合实践、课程总结四个阶段。通过创新竞赛引导学生先将所学知识应用在创新训练中，并在训练中引入专业知识教学，过渡至理论学习阶段，在具备一定程度的理论基础之后，通过实验教学培养学生的动手能力。随后引导学生自由组合，以解决实际应用问题为目的，设计具有创新性的机器人系统，通过系统级别的实践，将之前所学的知识融会贯通，最后在小组总结和导师点评阶段总结问题，加深理解。

具体的实施安排如下：

1.大一年级开展专业引导，鼓励学生先修部分专业知识，积极参与大学生创新竞赛；

2.专业课学习阶段，相关课程以课程设计的形式开展实验教学；

3.大三年级开展为期两个学期的实践课程，向学生提供一定的资金、器件方面的支持，由学生自主选题，教师指导，设计并完成一个机器人系统。

4.学生进行项目展示，由指导教师和机器人领域教师组成团队对各组完成的机器人系统进行项目评价、指导和总结。

（三）机器人实践课程实施计划

课程的实施计划分为课程准备、项目实施、项目评价三个阶段，整体的流程如下页图2所示，項目准备阶段完成学生分组和项目的方案论证，通过前期的积累，寻找一个具体的应用场景并发现其中存在的问题，设计论证一套可行的方案。项目实施阶段根据任务需求分工协作，按照方案设计完成项目。项目总结阶段通过总结归纳，回顾项目中出现的问题和解决问题的方法，并经过老师点评之后，加深学生对所学所用知识的理解。

1.课程准备阶段。学生按照6—8人规模进行自由组队，学生团队充分调研机器人各领域行业现状，总结行业痛点，充分考虑机器人产业需求后组内讨论确定2—3种方案。初步方案与老师进行探讨，分析选题的可实现性和相关技术，确定一套工作量适当的可行方案。学生根据选题方案和老师的意见制定初步方案和任务分工，部分小组制定初步方案如图3所示。学生制定方案和分工完成后，教师根据学生的方案统计相关关键技术，对关键技术进行简要的讲解与指导，帮助学生开展初期工作。

2.项目实施阶段。在完成项目准备的基础上，学生按照任务分工开展相关的研究工作，主要研究内容包括机械结构设计、强度校核与仿真、控制系统设计和编程、机器人部分和整体调试等。在这一阶段，学生是课程进行的主要推动力，通过自主学习推动项目进行，并在每周课堂上进行汇报讨论，提出已发现的问题，通过学生进行讨论和教师指导，给出解决问题的方向，按照“方案-优化-实践”的思路推进实践教学。

3.项目评价阶段。在基本完成项目后，进行项目评价。项目评价主要包括学生展示与互评、邀请课外相关方向教师评价、指导教师总结三个环节。首先组织学生进行整个项目进展过程的总结与梳理，在最后几节课进行展示；同时邀请机器人相关方向的教师进行评审，对学生的成果和展示进行综合评价；最后由指导教师从项目的立项、进展和成果等方面进行全方位点评，就项目的关键实现细节与学生进行细致讨论，指明项目仍存在的问题，最后从项目完善和未来展望的角度给学生提出具有建设性和可行性的建议。

（四）机器人实践课程体系与传统机器人课程对比

表2为本文提出的机器人实践课程体系与传统的机器人课程体系在重要教学指标上的对比，可以明显看出机器人实践课程体系在教学内容和教学效果方面具有明显的优势。

（五）教学成果展示

在数年的教学实践活动当中，本文提出的机器人实践课程体系取得了优秀的教学成果，学生的实践能力有了极大的提升，很好地达到了课程的预期。相比于传统机器人课程体系中由教师单方面制定学习计划、发布教学指令，学生按部就班的固定教学模式，本课程体系赋予学生最大程度的自主权，学生可以根据自身实际情况和个人差异定制化学习计划，根据个人兴趣和特长确定项目分工，各司其职，充分发挥每个人的创造力和价值，这给了学生更大的发挥空间，更好地锻炼了学生的创新思维和独立思考能力。

在机器人领域，专业课程较多，涉及知识面广，各部分知识联系紧密。本文通过对传统机器人课程体系的改革，以项目教学法为基础引入机器人实践课程体系，在学生工程实践能力和创新思维的培养等环节进行了充分的探索。数年的教学实践表明，本文提出的基于项目教学法的机器人实践课程体系不仅大幅提升了学生对机器人专业知识和核心技术的认知水平，还锻炼了学生的动手实践能力、团队合作精神，为未来机器人专业教育的进一步改革提供了参考。

参考文献：

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作者簡介：

张伟民：研究员，博士，博士生导师，研究方向为机器人定位导航、室内机器人服务应用。

杨宇航：在读硕士，研究方向为机器人视觉导航。

靳家豪：在读硕士，研究方向为机器人路径规划。

聂富宇：在读硕士，研究方向为激光SLAM。

王洋：在读硕士，研究方向为多传感器融合与定位。

Comprehensive Exploration and Practice of Robot Practical Teaching System

Zhang Weimin1，2， Jin Jiahao1， Nie Fuyu1， Wang Yang1（1.Institute of intelligent robots， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081； 2.Intelligent robot advanced center， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081）

Abstract： With the rapid development of artificial intelligence technology， there are new opportunities for the development of the robot field. The teaching of robot-related courses will pay more attention to and emphasize the students’ innovative thinking and practical ability. The existing problems are analyzed based on the professional course system of the robot. Then， according to the innovative characteristic of robot course teaching， this paper tries to introduce the project teaching method， and expounds on the role of the project teaching method in improving students’ comprehensive application ability and innovative thinking. Based on the project teaching method， the robot-practice course teaching system is designed to the specific practice. In guiding students to design and build a relatively complete robot system， gradually deepen students’ understanding and cognition of robot technology and professional knowledge， and cultivate students’ engineering practice ability and innovative thinking. Finally， the results of the practice course are displayed， which shows the positive effect of the course system.

Keywords： robot； practical teaching system； project teaching method； innovative thinking

收稿日期：2022年3月30日

責任编辑：李雅瑄