“課—賽”融合的智能機器魚集群控制課程教學(xué)探索與實踐＊

張建磊

（南開大學(xué) 人工智能學(xué)院，天津 300371）

引言

“高校立身之本在于立德樹人。”黨的十八大以來，習(xí)近平總書記高度重視高等教育事業(yè)發(fā)展，多次強調(diào)立德樹人這個根本任務(wù)，指出只有培養(yǎng)出一流人才的高校，才能夠成為世界一流大學(xué)。學(xué)生在即將步入社會前，最重要的青春時光都是在高校度過的。高等學(xué)校的“熔煉”質(zhì)量，直接決定著學(xué)生能否成為社會的棟梁之材。因此，切實地讓學(xué)生學(xué)有所得，高校的課程建設(shè)及改革尤為重要。

不同于中學(xué)時代的課程，高校的課程涉及基礎(chǔ)類課程和專業(yè)課程，大多具有一定的學(xué)習(xí)難度。尤其是理工科背景下的課程，一般而言，較為抽象難懂，需要學(xué)生花費相當多的時間才能掌握。更為重要的是，這些課程大多具有延展性，課堂上所學(xué)的一般只是“冰山一角”，如果多加思考和探索，會發(fā)現(xiàn)課本之外還有很多更為深刻的知識點。因此，在高等學(xué)校的課程教學(xué)中，如何盡量減少知識抽象帶來的枯燥感和畏懼感，同時讓學(xué)生完全熟練掌握課堂所講的基本知識點，并且還能學(xué)以致用，是需要盡快解決和思考的問題。

在人工智能學(xué)院的學(xué)科背景下，我們?yōu)檠芯可筒┦可_設(shè)了集群智能控制專業(yè)課。如何讓學(xué)生真正地學(xué)有所得，該課程的課堂設(shè)計、課堂講解、課后考核等是我們需要用心設(shè)計的課題。拋開傳統(tǒng)的教師在課堂講、學(xué)生在下面默默聽講的“灌輸”模式，我們用“課賽融合”的模式來引導(dǎo)此門專業(yè)課的課程設(shè)置，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，嘗試課程改革。在教學(xué)中，消除課程本身可能帶有的枯燥感，增加學(xué)生對此門課程的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生掌握并運用相關(guān)知識點的能力，是我們的教學(xué)設(shè)計目標。

一、課堂的理論內(nèi)容設(shè)計

集群智能控制是涉及多個生物體的一個研究問題。在課堂上，我們將主體定位成機器人。在給學(xué)生介紹此課程時，我們可以從這樣的一個角度展開：機器人群體執(zhí)行任務(wù)相對于單個機器人，有更高的空間利用率和任務(wù)執(zhí)行效率，且可靠性更高。在一些復(fù)雜度較高的任務(wù)中，機器人群體有更好的任務(wù)表現(xiàn)，其在軍事和空間探索領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。至于課堂所授內(nèi)容，以典型生物群體智能建模為主，例如鴿群層級引領(lǐng)機制建模、雁群線性編隊機制建模、狼群協(xié)同圍捕機制等。進而，在對群體特性分析和群體智能建?；A(chǔ)上，講解從智能體到機器人集群自主控制的映射機理，介紹基于群體智能的系統(tǒng)集群自主編隊、任務(wù)分配等技術(shù)，以及實驗驗證方法和設(shè)計思路。

鑒于課程本身的學(xué)科交叉特點，與生物行為緊密相連，我們可以從鴿群、雁群、狼群等生物的行為特點開始介紹。由淺入深地引導(dǎo)學(xué)生對集群行為進行學(xué)習(xí)和了解。同時，在講解過程中也要適時地拋出問題，啟發(fā)學(xué)生進行思考，而不是一味地灌輸知識。從各個方面，適度地增加與學(xué)生的活動，才能實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的教與學(xué)。

二、課堂實踐依托水下機器魚競賽

關(guān)于機器人，學(xué)生大多聽過見過，這也是現(xiàn)在的研究熱點之一。只是，我們的課堂上采用的是特殊的機器人：機器魚。眾所周知，地球上大部分區(qū)域被水覆蓋，茫茫未知的浩瀚海洋，是我們?nèi)祟惖奶剿髂繕酥?。水下機器人是人類探索水下世界最重要的手段之一。因為我們的課程內(nèi)容是集群行為，所以涉及水下機器魚集群。以他們?yōu)槔?，向同學(xué)們講授在具體的工作任務(wù)中，比如協(xié)同搬運物體，機器魚群是如何通過任務(wù)分配完成協(xié)作目標的。同時，我們也積極引導(dǎo)學(xué)生參與專業(yè)競賽。終極目標是：在改革教學(xué)方法的同時，把由注重知識的傳授向能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變，由灌入式向啟發(fā)式轉(zhuǎn)變，由重理論輕實踐向理論聯(lián)系實際轉(zhuǎn)變。

例如，在2019年第十二屆“臨港杯”國際水中機器人大賽中，我們通過組織學(xué)生研究賽題、學(xué)以致用，最終摘得冠軍1項，亞軍1項，三等獎3項，同時獲得優(yōu)秀指導(dǎo)教師獎、優(yōu)秀組織獎等多項佳績，為學(xué)校爭得多項榮譽。競賽的設(shè)置會引導(dǎo)我們向?qū)嵺`靠攏，比如本次比賽共設(shè)置水下機器人競速、目標識別抓取、水下操控、自主視覺和創(chuàng)客生存挑戰(zhàn)等項目。具體地，我們參加了目標識別抓取、水中污染源項目、水面污染源項目、港口偵察項目等。在實踐中，更深刻地領(lǐng)會了集群控制所涉及的知識點和技術(shù)方法，達到了比較好的學(xué)以致用的目的。

三、競賽結(jié)果反饋于課堂教學(xué)

國際水中機器人大賽自2007年作為人工智能領(lǐng)域國際化賽事亮相以來，受到世界范圍內(nèi)的廣受關(guān)注。我們近兩年都在積極組織學(xué)生參賽，將教學(xué)內(nèi)容與實踐感受相結(jié)合。教學(xué)內(nèi)容中的理論模型，實踐活動中的復(fù)雜物理因素，如何相結(jié)合、相對應(yīng)，是對所學(xué)知識更深刻的理解和應(yīng)用。例如，在課上，我們講解水下機器魚協(xié)同搬運物體時的策略優(yōu)化問題。在競賽中，機器魚是放置在水池中進行任務(wù)協(xié)作的。此時，不僅需要考慮機器魚本身的物理尺寸，還需要考慮水池的邊界，以及機器魚的避障（盡量避免撞擊水池邊緣）。而且，在機器魚執(zhí)行任務(wù)時，我們還需要考慮機器魚的電量問題，它的工作時長是有限的。機器魚因耗電量過大而掉隊，也會影響群體的任務(wù)完成效果。因此，這些競賽中所遇到的實際物理因素，需要我們在課堂所學(xué)知識的基礎(chǔ)上，進行更具難度的思考和設(shè)計。

將課堂所學(xué)與競賽所需相結(jié)合，兩者相輔相成，可以推動我們的課程教學(xué)內(nèi)容改革，由單調(diào)到生動，由理論到實踐。在將理論知識用于實際問題的解決中，學(xué)生才更能體會知識點的價值，加深對它的理解。若應(yīng)用理論知識成功地解決了應(yīng)用問題，學(xué)生會因此獲得成就感，這也有助于增加他們的學(xué)習(xí)興趣。還有一點是課堂教學(xué)無法比擬的，競賽多是團隊協(xié)作完成，需要團隊成員通力配合。在集體活動中，有助于鍛煉學(xué)生的團隊協(xié)作能力和責任感。從教學(xué)的角度而言，競賽結(jié)果也有助于豐富我們的課堂教學(xué)內(nèi)容，轉(zhuǎn)化為屬于我們自己的實驗教學(xué)內(nèi)容，最終達到培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的作用。在學(xué)生未就業(yè)時，參與專業(yè)競賽可以促進他們理解人工智能、機器人等新技術(shù)如何在海洋科學(xué)的發(fā)展中應(yīng)用，達到我們學(xué)以致用的育人目的。

結(jié)語

我們以人工智能學(xué)院背景下，“課賽融合”模式在集群智能控制課程教學(xué)中的實施情況。課堂上的教學(xué)設(shè)計以生動豐富的講解、有趣的問題引導(dǎo)與調(diào)動積極性、自愿參與的機器魚競賽、競賽內(nèi)容與經(jīng)驗改良和豐富教學(xué)內(nèi)容，等多部分有機組成。結(jié)果表明，通過這種整合課堂教學(xué)內(nèi)容，合理設(shè)計課堂教學(xué)，有助于實現(xiàn)智能學(xué)科教學(xué)過程中“教、學(xué)、賽”的一體化，學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力將會得到顯著提高。