面向創(chuàng)新應(yīng)用的“智能機(jī)器人”層次化實踐教學(xué)框架

薛建新　常曦　蔣川群

摘 要：多學(xué)科交叉性質(zhì)增加了智能機(jī)器人課程實踐教學(xué)難度，如何高效開展實踐教學(xué)環(huán)節(jié)提升創(chuàng)新應(yīng)用能力成為關(guān)注的重點。依托計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科背景，基于循序漸進(jìn)和學(xué)生自主選擇原則，提出面向創(chuàng)新應(yīng)用的層次化實踐教學(xué)框架，即“基礎(chǔ)—綜合—創(chuàng)新應(yīng)用”3個層次：基礎(chǔ)層熟悉和掌握基本功能，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；綜合層關(guān)注主流應(yīng)用場景的關(guān)鍵功能，提升學(xué)生的創(chuàng)新能動性；創(chuàng)新應(yīng)用層取材于競賽項目和企業(yè)項目，實現(xiàn)學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)器人；創(chuàng)新應(yīng)用；實踐教學(xué)；層次化框架

0 引 言

社會生產(chǎn)力的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的變革，促使機(jī)器人技術(shù)迅猛發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用。目前，機(jī)器人研究正處于第3代智能機(jī)器人階段，有一定的學(xué)習(xí)、自洽和適應(yīng)能力，即機(jī)器人可以融合多類傳感器采集的信息，適應(yīng)不斷變化的工作環(huán)境[1]。機(jī)器人技術(shù)相關(guān)人才需求逐年增長，促使國內(nèi)很多高校開設(shè)了相關(guān)課程或?qū)I(yè)。智能機(jī)器人作為計算機(jī)、自動化、機(jī)電、電子、腦認(rèn)知等多學(xué)科交叉產(chǎn)物，已經(jīng)成為教學(xué)、研究和應(yīng)用的焦點。就本科教學(xué)而言，教師完整講授且學(xué)生要完整掌握這些知識，難度非同一般，勢必影響學(xué)生對智能機(jī)器人的學(xué)習(xí)興趣。因此，如何高效開展智能機(jī)器人課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)、快速提升學(xué)生對智能機(jī)器人的興趣和創(chuàng)新應(yīng)用能力就成為關(guān)注及研究的重點。

1 智能機(jī)器人

智能機(jī)器人是計算機(jī)、自動化、機(jī)電、電子、腦認(rèn)知等多學(xué)科和技術(shù)交叉的產(chǎn)物，它通過傳感器獲取多種外部環(huán)境信息，處理、識別并自主完成復(fù)雜的行為任務(wù)。智能機(jī)器人作為本科專業(yè)基礎(chǔ)課程，完整的課程內(nèi)容包括空間描述和變換、動力學(xué)、運動學(xué)、控制論、計算機(jī)編程等多學(xué)科理論知識，同時還需要儲備多種技術(shù)能力，如傳感器使用、信號處理、信息識別、計算機(jī)編程等。完整地講授這些知識，必須配備同時具有這些知識背景的復(fù)合型人才，或者由多位專業(yè)教師協(xié)同授課。即使師資配備到位，要想在短時間內(nèi)使應(yīng)用型本科高校的學(xué)生掌握相關(guān)的理論知識和技術(shù)，并達(dá)到應(yīng)用的效果，可以說難度很高。

因此，開設(shè)智能機(jī)器人相關(guān)本科課程時，必然依托具體的學(xué)科方向和專業(yè)背景，教授的內(nèi)容有所側(cè)重。王旭等人主要講述機(jī)器人學(xué)的空間描述和變換、操作臂正/逆運動學(xué)、動力學(xué)、速度和靜力等數(shù)學(xué)原理問題，并利用MatLab編程框架進(jìn)行仿真實驗，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人理論的興趣[2]。鄧新等人利用開源硬件Arduino設(shè)計實體機(jī)器人，利用其易用性和可擴(kuò)展性降低實體機(jī)器人的制作門檻[3]。王志良等人側(cè)重與人的交互，設(shè)計并研制具有一定情感處理和表達(dá)能力的情感機(jī)器人，通過機(jī)器人可感知外部環(huán)境以及實現(xiàn)肢體、語音等功能，加深學(xué)生對實體機(jī)器人設(shè)計的理解[4]。

以上研究工作主要側(cè)重對講授內(nèi)容的選取，以及依托機(jī)械制造專業(yè)講授工作機(jī)器人的制造和編程，但未就如何在有限學(xué)時內(nèi)激發(fā)學(xué)生智能機(jī)器人的學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新能動性、提升創(chuàng)新應(yīng)用能力做深入闡述。因此，筆者依托計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科背景，提出“基礎(chǔ)—綜合—創(chuàng)新應(yīng)用”3個層次的實踐教學(xué)框架，應(yīng)用于上海第二工業(yè)大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)智能機(jī)器人課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，并取得初步成效。

2 學(xué)科依托和設(shè)計原則

“一帶一路”“互聯(lián)網(wǎng)+”“中國制造2025”等政策的不斷推進(jìn)，使得新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)人才的市場需求劇增。預(yù)計到2025年，相關(guān)人才缺口將達(dá)到950萬人。作為新一代信息技術(shù)的核心支撐技術(shù)之一，計算機(jī)科學(xué)和技術(shù)也遇到了前所未有的發(fā)展機(jī)遇和就業(yè)前景。計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的培養(yǎng)過程，是對思維邏輯、算法和程序設(shè)計等嚴(yán)格訓(xùn)練的過程。因此，以計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科為依托講授智能機(jī)器人相關(guān)課程，可以將智能機(jī)器人的實踐教學(xué)重點聚焦在決策和應(yīng)用方面。

層次化實踐教學(xué)框架按照循序漸進(jìn)和自主選擇原則進(jìn)行設(shè)計。

（1）循序漸進(jìn)，逐步走向創(chuàng)新應(yīng)用。整體框架采用循序漸進(jìn)的方式設(shè)計，內(nèi)容由易到難，由基礎(chǔ)逐漸過渡到創(chuàng)新應(yīng)用。

（2）以學(xué)生為主體，鼓勵自主選擇。提供多個內(nèi)容供學(xué)生選擇，鼓勵學(xué)生從興趣點出發(fā)自主選擇，以逐步激發(fā)其創(chuàng)新應(yīng)用意識。

3 層次化實踐教學(xué)框架

以計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科為依托，根據(jù)設(shè)計原則制定“基礎(chǔ)—綜合—創(chuàng)新應(yīng)用”3個層次的智能機(jī)器人實踐教學(xué)框架。

智能機(jī)器人3個層次實踐教學(xué)框架包括基礎(chǔ)實驗、綜合實驗和創(chuàng)新應(yīng)用（見圖1）?；A(chǔ)實驗旨在讓學(xué)生熟悉智能機(jī)器人的基礎(chǔ)功能模塊，以激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣；綜合實驗通過講授主流應(yīng)用場景的關(guān)鍵功能，提升學(xué)生的創(chuàng)新能動性；創(chuàng)新應(yīng)用實驗是通過競賽題目和企業(yè)項目實現(xiàn)相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用。

3.1 基礎(chǔ)實驗

基礎(chǔ)實驗需要熟悉和掌握智能機(jī)器人的4個基礎(chǔ)功能模塊——運動、傳感器、語音和視覺，為擴(kuò)展試驗作準(zhǔn)備?；A(chǔ)實驗共設(shè)4組，要求每個實驗所有人都必須參與，具體內(nèi)容見表1。實驗1要求學(xué)生熟練控制機(jī)器人各個關(guān)節(jié)、剛度、行走方向、調(diào)整步態(tài)/姿態(tài)等簡單功能，最后設(shè)計連續(xù)動作，如一段舞蹈，以貝賽爾曲線擬合；實驗2要求學(xué)生熟練掌握各種傳感器數(shù)據(jù)的采集和查看，并體驗觸碰傳感器、關(guān)節(jié)溫度和角度傳感器的使用；實驗3要求學(xué)生熟練操作機(jī)器人自帶語音合成庫，編寫參數(shù)來控制機(jī)器人說話，并錄放相關(guān)音頻文件及實現(xiàn)其中斷控制；實驗4要求學(xué)生熟練掌握攝像頭數(shù)據(jù)的采集，對標(biāo)志物、二維碼、人臉識別引擎的應(yīng)用，最終實現(xiàn)選定目標(biāo)的追蹤。

3.2 綜合實驗

綜合實驗需要學(xué)生掌握機(jī)器人主流應(yīng)用場景的關(guān)鍵功能，即通信、定位、識別以及交互。綜合實驗共設(shè)4組內(nèi)容，見表2。該部分內(nèi)容要求學(xué)生必須在通信和交互，定位和識別兩組中各選一個進(jìn)行實驗，為創(chuàng)新應(yīng)用作鋪墊。實驗1強(qiáng)調(diào)智能機(jī)器人之間的通信；實驗2強(qiáng)調(diào)智能機(jī)器人的室內(nèi)定位技術(shù)和對聲源目標(biāo)的搜索技術(shù)；實驗3引入云服務(wù)擴(kuò)展語音識別和人臉識別功能；實驗4使用自帶情緒識別引擎定制人機(jī)交互內(nèi)容。

3.3 創(chuàng)新應(yīng)用實驗endprint

創(chuàng)新應(yīng)用實驗作為學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能、模式識別、圖像處理與機(jī)器視覺、語音識別與自然語言處理等專業(yè)課程后的專業(yè)綜合實訓(xùn)內(nèi)容，結(jié)合前期基礎(chǔ)實驗和擴(kuò)展實驗的技術(shù)，根據(jù)智能機(jī)器人應(yīng)用的主流方向，取材于機(jī)器人相關(guān)賽事，如世界機(jī)器人大賽格斗機(jī)器人大賽之仿人機(jī)器人接力賽以及企業(yè)實際項目，主要分為運動控制類綜合實驗和人機(jī)交互類綜合實驗，見表3。綜合實驗須分組進(jìn)行，由學(xué)生選擇其中任一實驗或根據(jù)實際場景自主擬題，目的在于使學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決實際問題，以激發(fā)學(xué)生的積極性，提升其創(chuàng)新應(yīng)用能力。

4 框架應(yīng)用

上海第二工業(yè)大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)歸屬計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科，開設(shè)了智能機(jī)器人及相關(guān)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，智能機(jī)器人3個層次實踐教學(xué)框架取得初步成效。

4.1 實踐教學(xué)支撐

作為應(yīng)用型本科院校，上海第二工業(yè)大學(xué)重視實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。智能機(jī)器人配備的實踐課程包含理論課隨堂實驗、課程實習(xí)和綜合實訓(xùn)，總計160學(xué)時。先后購置9套ROBOCUP標(biāo)準(zhǔn)競賽平臺類人機(jī)器人NAO，作為智能機(jī)器人的實踐教學(xué)平臺。NAO支持多種程序語言，便于學(xué)生進(jìn)行探索性實驗和自主學(xué)習(xí)，符合以機(jī)器人實驗為載體的實踐創(chuàng)新培養(yǎng)體系要求[5]。上海第二工業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研合作基地——上海儀酷智能科技有限公司，提供擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于LabVIEW的NAO開發(fā)工具包，為順利開展實驗提供軟件平臺支撐。

4.2 初步實效

層次化實踐教學(xué)框架已經(jīng)初步應(yīng)用于我校2014級智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)，通過隨堂實驗完成基礎(chǔ)實驗、在課程實習(xí)完成綜合實驗以及在綜合實訓(xùn)完成創(chuàng)新應(yīng)用實驗，課程教學(xué)已取得初步成效，目前已經(jīng)完成課程實習(xí)階段，尚未進(jìn)入創(chuàng)新應(yīng)用實驗階段。其中，部分學(xué)生已經(jīng)能綜合使用相關(guān)基礎(chǔ)功能和擴(kuò)展功能，申請上海市大學(xué)生創(chuàng)新活動計劃項目“基于LabVIEW的NAO機(jī)器人社交型人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)”并獲批（項目編號201712044003）。

層次化實踐教學(xué)框架關(guān)注學(xué)生興趣的激活和創(chuàng)新應(yīng)用，對專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)具有3方面的潛在影響。

（1）激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。基礎(chǔ)實驗內(nèi)容為核心基礎(chǔ)內(nèi)容，相對簡單，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（2）訓(xùn)練自主學(xué)習(xí)能力。開展智能機(jī)器人實踐課程的意義在于提高智能機(jī)器人應(yīng)用技能。擴(kuò)展實驗考慮到學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，在學(xué)生已掌握核心功能的前提下展開，實驗結(jié)果具有明顯特征，便于學(xué)生自行檢查和提高。

（3）提升創(chuàng)新應(yīng)用意識。強(qiáng)調(diào)學(xué)生是主體，鼓勵其自行選題；鼓勵學(xué)生自主探究解決問題的方法，學(xué)生可自主設(shè)計與實施實驗方案；教師只對最終實現(xiàn)的系統(tǒng)提出基本要求，不過多介入具體設(shè)計；學(xué)生可以憑借對系統(tǒng)的理解，對實驗系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充和擴(kuò)展；教師可以將學(xué)生的自主創(chuàng)新內(nèi)容列為課程學(xué)習(xí)的重要評價指標(biāo)。

5 結(jié) 語

依托計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科背景，提出智能機(jī)器人的“基礎(chǔ)—綜合—創(chuàng)新應(yīng)用”3個層次的實踐教學(xué)框架，并應(yīng)用于智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，目前已取得初步成效。運用層次化實踐教學(xué)框架，既能讓學(xué)生掌握智能機(jī)器人的核心知識點，又能讓學(xué)生自主選擇感興趣的實驗內(nèi)容，增強(qiáng)其自主學(xué)習(xí)能力，提升其創(chuàng)新應(yīng)用能力，還能使學(xué)生踴躍參加相關(guān)競賽和創(chuàng)新項目。

該層次化實踐教學(xué)框架內(nèi)容是根據(jù)智能機(jī)器人課程設(shè)計的，下一步將研究如何利用該框架設(shè)計數(shù)據(jù)挖掘、圖像處理與機(jī)器視覺、自然語言處理等課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

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（編輯：史志偉）endprint