机器人技术创新实践教学探究

杨健健 周国昊 黄乾坤 孙露 崔文

［摘 要］在新工科背景下，能源特色工程教育强调本科学生应具备跨学科合作、工程实践、创新思维以及团队协作等多种综合能力，以解决未来能源领域中的复杂问题。课程组立足学校特点、专业特色，聚焦露天矿机器人化自主运输装卸系统最新技术，设计了多技术融合、理实结合的机器人技术创新实践课程，依托国家重点研发计划，结合创新教学实验平台，将露天矿机器人化自主运输装卸系统建设中的智能感知、远程驾驶等知识点纳入课堂教学，将理论知识与实践操作相结合，将课堂教学与工业应用相结合，从而培养具有综合能力的高素质工程人才，达到提高本科实践教学质量的目的。

［关键词］新工科；工程教育；机器人技术；课程设计；创新实践教学

［中图分类号］G642.0［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2024）09-0019-06

侧重创新实践的新工科建设是培养卓越工程人才的重要手段[1]。高校教育应充分结合自身优势、学科特色，通过优化教学内容、完善实践环节等方式，设计富有创新性的实践教学。

当前，煤矿机器人化已经成为建设智慧煤矿的重要手段，在减人、提效、增安上发挥巨大作用。然而，在面对更高水平的智能化发展需求时，兼具专业技术和实践经验的人才培养尚存在不足。通过开展创新实践教学，可让学生充分了解煤矿装备，学习实用化的机器人技术，对推动煤矿机器人化的发展具有重要意义。

针对机器人技术领域的最新需求，结合煤炭能源特色，中国矿业大学（北京）在新工科建设背景下，设计了一系列注重培养学生创新与实践能力的课程，已在学科建设和教学创新等方面取得了显著成效[2-4]。然而，随着学科建设的深入，实验设备不匹配、实验室场景不够逼真、真实现场难接触等问题逐渐凸显。课程组旨在通过设计新的机器人技术创新实践课程，创设真实、有效、安全的教学环境，实现兼顾行业前沿、基础理论、实践应用、思维启发的多维度人才培养目标。

一、国内外机器人技术创新实践教学的现状

机器人技术是当今前沿和热门的领域之一，在国外，机器人技术创新实践教学得到了广泛关注和发展。美国斯沃斯莫尔学院的B. A. 麦克斯韦（B. A. Maxwell）设计了实验室机器人实践教学方案，让学生采用团队合作和自主学习相结合的方式进行学习，帮助学生更好地理解机器人技术的原理和应用[5]。美国政府也在机器人技术研究和教育方面投入了大量资源，2011年，美国政府启动了“STEM（科学、技术、工程和数学）教育蓝图”计划，为未来机器人技术领域人才培养奠定了基础，该计划提出了许多具体措施和目标，其中包括通过机器人实践教育来激发学生对STEM的学习兴趣[6]。在欧洲国家，机器人技术创新实践教学也受到了高度重视，例如European Project Semester （EPS）[7]、EPS Engineering Programme Capstone Project[8]等机器人创新实践课程已被纳入一些欧洲大学的常规课程。此外，欧洲国家也有许多机器人技术比赛，如European RoboCup和EuroBot等，很大程度上促进了欧洲机器人技术创新实践教学的研究和推广。

国内的许多高校和教育机构也开始重视机器人技术创新实践教学，加强对学生工程实践能力的培养。张伟民等人在基于项目教学的机器人实践课程框架设计的基础上，设计了创新性的机器人实践教学课程，引导学生设计并搭建一套相对完整的机器人系统，在这个过程中逐步加深学生对机器人技术和专业知识的了解，培养学生的工程实践能力和创新思维[9]。彭芳等人开设了机器人创新设计课程，在课程教学中带领学生探讨机器人感知、驱动、控制、机构等相关技术基础，激发学生对机器人技术的学习热情，并将项目制合作实验作为考核方式，为学生参与机器人竞赛、各种学科竞赛及开展科技制作活动奠定良好基础[10]。

机器人技术创新实践教学在国内外已经得到广泛的关注，但国内一些高校仍然停留在示例教学或者简单的模型教学阶段，缺乏实践教学。基于此，课程组提出矿山机器人本科实践教学方法，通过开发与露天矿装备相对应的创新实践平台，设计层层递进的教学场景，设置项目制考核实验，优化教学方法，加强教学内容与学校特色、科技发展的融合，促使学生的个性化发展、创新意识培养与创新实践教学有机融合，提升人才培养质量。

二、机器人技术创新实践教学建设思路

课程组对机器人技术创新实践教学的理论框架进行了梳理，将课程内容和培养目标按照实践属性分为三个层面。机器人技术创新实践教学的总体建设思路如图1所示，课程组根据实践属性对建设思路分别进行论述。

感官性是指学生掌握机器人传感器技术的能力。在机器人技术创新实践教学中，需要让学生了解各种传感器的原理、技术特点以及应用场景，加强学生对机器人传感器的认知和理解。在教学设计上，融合学校、学科特色，结合先进技术，为学生提供多样化的学习内容；同时，引入虚拟现实技术，让学生在虚拟环境中学习机器人传感器的应用场景，并进行仿真实验。此外，通过校企合作、行业交流等方式，让学生了解最新的机器人应用及发展趋势。在考核方式上，使用技术答辩的方式进行考核，学生需要根据指定任务，调试传感器并编写程序，使用传感器来完成任务，需要对程序的功能、实现原理、可行性等方面进行阐释和论证。这种考核方式能培养学生的创新意识和解决实际问题的能力，让学生更好地理解机器人传感器的原理和应用。

操控性是指学生掌握机器人控制技术的能力。创新实践教学旨在让学生掌握机器人的控制技术及其应用，具有很强的理论与实践性。在教学目标上，要求学生掌握机器人控制系统的基本原理和设计方法、机器人控制器的应用和调试方法。在教学设计上，采用案例分析、项目实践、实验演示等方式，将课堂教学与实践相结合。在教学资源上，配备开发板、执行装置、调试器等硬件设备，搭建控制实验室。在教学组织上，注重培养学生自主学习和合作学习的能力，通过团队合作加强学生之间的协作与交流。考核采用实验报告的形式，重点考查学生掌握及应用机器人控制技术的能力。

交互性是指学生掌握使机器人与人之间进行交互的技能。在教学目标上，让学生掌握与机器人交互的相关理论知识和技术，具有将所学知识运用于实际场景，实现对机器人的有效控制的能力。在教学设计上，注重对学生合作精神和创新能力的培养，采用项目实践的方式，让学生参与实际项目，完成人机交互控制任务。在教学资源上，提供整合的机器人硬件设备和软件环境。教学组织方面，采用小组合作学习的方式，让学生协作完成人机交互控制任务。采用实验报告、技术答辩等考核方式，重点考查学生理论知识掌握情况和实际操作能力。

机器人创新实践教学通过教学目标、教学设计、教学资源、教学组织和考核方式的合理设置，帮助学生掌握机器人相关技术和理论知识，使学生能够将其运用到实际场景中进行机器人的感知、操控和交互控制，通过虚拟场景和实际操作相结合的方式，为学生提供在工程实际中探索和尝试的机会。机器人技术创新实践教学有助于培养学生的创新意识和综合应用能力，提高学生的实践操作能力和解决问题的能力，具有较高的实用性和现实意义，将对学生的综合素质和职业发展产生积极的影响。

三、露天矿机器人化自主运输装卸系统创新实践教学平台设计

（一）创新实践教学平台设计的目标和原则

中国矿业大学（北京）露天矿机器人化自主运输装卸系统创新实践教学平台（以下简称创新实践教学平台）是面向中国矿业大学（北京）机器人工程、机械工程、电气工程、人工智能等相关专业本科生设计的实践教学平台。该平台采用沉浸式教学模式，最大限度保真地呈现实际露天矿机器人化自主运输装卸系统，使学生能够深度学习、掌握和运用所学理论知识，增强他们在未来实际工作中的实践能力，体现了中国矿业大学（北京）对工业实践教育的重视和对产学研结合的实际应用的追求。

创新实践教学平台在建设过程中遵循两大原则：第一，创新实践教学平台应尽可能保真地呈现露天矿机器人化自主运输装卸系统，让学生从头到尾充分参与教学，增强教学效果；第二，创新实践教学平台应尽量简化实验装置，减少场地占用，以节约建设成本。

（二）创新实践教学平台架构设计

电铲是现代各类大型露天矿开采的核心装备之一，由行走装置、回转装置、工作装置等系统组成（见图2）。在当前露天矿智能化建设中，由于工作环境复杂多变，电铲机器人化尚处于起步阶段，目前仍需要人员进行操作，而机器人化自主铲装技术则是未来露天矿智能开采的核心环节之一。为实现机器人化自主铲装，需突破电铲复杂环境感知、机械臂精准建模与控制、铲装移动轨迹规划、远程接管系统等关键技术。

在本科教学中，由于教学场地和条件的限制，难以在实验室真实展示露天矿环境和作业装备，因此需要将机器人化自主铲装的关键技术纳入课堂教学，基于智能视觉检测应用开发平台和数据手套实验箱，进行创新实践教学平台设计，使教学内容与工程实际问题相结合，传授学生先进的智能矿山建设技术。

智能视觉检测应用开发平台整体组成如图3（a）所示，主要包括液晶屏、摄像头和六轴机械臂。数据手套是一种全新的多模式虚拟现实硬件，应用机器人感知与交互技术，通过多种传感器，实现对手的姿势和三维空间姿态（偏航、翻转和俯仰）的感知。数据手套如图3（b）所示。

智能视觉检测应用开发平台中的摄像头即视觉传感器，是当前环境感知的主要手段之一，可基于其开展电铲复杂环境感知技术教学；六轴机械臂具有回转、物体拾取等功能，夹器可模仿电铲铲斗在三维空间内移动，能够进行机械臂精准建模与控制、铲装轨迹规划算法教学；数据手套作为一种多模式的虚拟现实硬件，是一种全新的虚拟现实交互手段，允许使用者在虚拟场景中完成抓取、移动、旋转等动作，将其与机械臂进行无线连接，可通过编程实现数据手套对机械臂的随动操控，开展远程接管系统的教学。创新实践教学平台整体设计如图4所示，其具备感官性、操控性和交互性等实践属性。

面向工程实际的理实结合课程设计如表1所示。课程设计了4个教学模块，面向未来电铲机器人化自主铲装发展方向，凝练关键技术问题，设计具有针对性的教学内容。每一个模块都包含基础知识教学、动手实践教学和进阶工程仿真教学，从易到难，从理至实，激发学生创新思维，实现高质量机器人技术创新实践教学。

四、创新实践教学的实施情况及其满意度分析

2022年9月，中国矿业大学（北京）在机电学院机器人本科专业进行了露天矿机器人化自主运输装卸系统创新实践课程试点教学，取得了良好的反响。本课程由浅入深分为三个阶段，即理论教学、案例实验、设计实验，在此过程中采用项目制方式组织学生撰写项目报告，以此考查学生学习效果。课程成绩由平时成绩（40%）和答辩成绩（60%）组成。本次试点教学，学生平均成绩为88分，中位数成绩为89分，标准差为4.44，说明课程设置合理，较好地实现了教学目标。

为进一步了解学生的学习体验，课程组随机抽选10名学生，从创新实践教学课程设置和内容、实践能力提升、课程整体表现和效果三个方面进行访谈，倾听学生的意见和看法，鼓励学生提供详细的反馈信息。对访谈学生的回答进行整理分析发现，大部分学生对创新实践教学十分认可。第一，关于课程设置和内容。学生普遍认为课程的设置具有前瞻性和实际意义，有助于理解创新的重要性并提高自身的创新能力。课程内容丰富多样，结合实际问题和案例进行讲解，为学生提供了一个很好的创新实践平台。然而，部分学生认为实验内容不够丰富，表示希望教师能够提供更多创新实验。第二，关于实践能力提升。学生普遍表示课程的教学方法对他们的实践能力提高有着积极的促进作用，认为与传统课堂教学相比，本课程更注重学生的主体性和参与度。第三，关于课程整体表现和效果。学生对课程整体表现和效果给予了较高的评价，他们认为通过课程学习提高了自己的创新实践能力和团队协作能力。

通过课后访谈，本课程对创新人才培养的积极性得到了学生认可。但是，在课程内容、教学方法上还有进一步优化的空间和必要性，尤其在个性化实验设计上，需提供更为丰富的创新实验，以此进一步提高学生学习体验和激发学生的创新思维。

五、结语

本文以中国矿业大学（北京）矿山机器人本科实践教学为例，介绍了机器人技术创新实践教学的探究成果。露天矿机器人化自主运输装卸系统创新实践课程对基础知识进行了系统性梳理，结合丰富典型的实践实验，帮助学生理解复杂的数学、算法模型，提高了学生知识的吸收率，培养了学生实践能力和创新能力。同时，搭建了创新实践教学平台，设计了基于露天矿机器人化自主运输装卸系统的综合创新实践项目，进一步提高了学生的知识运用能力和动手能力，有助于培养学生的创新能力和解决复杂工程问题的思维，提高本课程的教学质量，强化学生对专业课程知识系统性的认知，使学生在未来求职中具有更强的竞争力，帮助学生在未来的职业发展中赢得先机。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 杨冬.从科学范式到工程范式：高质量新工科人才培养的逻辑向度与行动路径[J].大学教育科学， 2022（1）：19-27.

[2］ 吴雅琴.基于“本科生导师制”的“新工科”人才培养模式探究[J].中国大学教学，2021（8）：8-11.

[3］ 薛光辉.新工科背景下煤炭类高校机器人工程专业人才培养研究与实践[J].教育理论与实践，2022，42（30）：14-18.

[4］ 张帆，李闯，李昊，等.面向智能矿山与新工科的数字孪生技术研究[J].工矿自动化，2020，46（5）： 15-20.

[5］ MAXWELL B A， MEEDEN L A. Integrating robotics research with undergraduate education [J]. IEEE intelligent systems， 2000， 15（6）： 22-27.

[6］ Stone  III  J  R. Delivering STEM education through career and technical education schools and programs[C]//National Research Council. Workshop of committee on highly successful schools or programs for K-12 STEM education. Washington， DC， 2011.

[7] MALHEIRO B， SILVA M， RIBEIRO M C， et al. The european project semester at ISEP： the challenge of educating global engineers [J]. European journal of engineering education， 2015， 40（3）： 328-346.

[8］ TANTAWI K H， SOKOLOV A， TANTAWI O. Advances in industrial robotics： from industry 3.0 automation to industry 4.0 collaboration[C]//IEEE. 2019 4th technology innovation management and engineering science international conference （TIMES?iCON），2019.

[9] 张伟民，杨宇航，靳家豪，等.机器人实践教学体系综合探索与实践[J].中国电化教育，2022（7）：115-119.

[10］ 彭芳，王凡，于楚泓.递进式项目驱动下的机器人创新实践教学探讨[J].中国现代教育装备，2022（19）：121-123.

［责任编辑：苏祎颖］