基于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的智能機(jī)器人課程體系建設(shè)與應(yīng)用

別玉濤 玄玉波 張宇楠 孫曉穎

（1.吉林大學(xué)公共計(jì)算機(jī)教學(xué)與研究中心,吉林 長春 130012；2.吉林大學(xué)通信工程學(xué)院,吉林 長春 130012；3.吉林大學(xué)教務(wù)處,吉林 長春 130012）

1 引言

2015年國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實(shí)施意見》中指出：“深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革，是國家實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)提質(zhì)增效升級的迫切需要，是推進(jìn)高等教育綜合改革、促進(jìn)高校畢業(yè)生更高質(zhì)量創(chuàng)業(yè)就業(yè)的重要舉措?！盵1]培養(yǎng)高校學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神，有利于完成自我就業(yè)、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)業(yè)夢想、體現(xiàn)自我價(jià)值，同時(shí)提供更多的就業(yè)機(jī)會，緩解就業(yè)壓力，因此，高校建設(shè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的課程就變得尤為必要。有效地培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，有利于幫助大學(xué)生建立良好的職業(yè)目標(biāo)，確立合理的職業(yè)規(guī)劃，深層次挖掘潛在的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，從而為走向社會迎接挑戰(zhàn)做好充分的準(zhǔn)備。

2 課程整體建設(shè)框架

機(jī)器人作為一項(xiàng)涉及環(huán)境感知、控制、機(jī)械結(jié)構(gòu)等多學(xué)科交叉的世界主流尖端科技，符合新工科“跨學(xué)科交叉融合”理念，對于培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科的工程能力具有重大意義。本課程體系著眼于機(jī)器人的入門與基礎(chǔ)實(shí)踐，橫跨兩個(gè)學(xué)期，采用階梯式閉合培養(yǎng)體系，旨在培養(yǎng)學(xué)生對智能機(jī)器人涉及的技術(shù)性成整體概念，了解智能機(jī)器人的機(jī)械、電控和視覺的基礎(chǔ)知識以及實(shí)踐方法和工具，積累多學(xué)科交叉的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而掌握智能機(jī)器領(lǐng)域的新產(chǎn)品開發(fā)和科技成果轉(zhuǎn)化等基本思路、技術(shù)、方法，熟悉創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的基本知識、智能機(jī)器相關(guān)企業(yè)運(yùn)營管理模式。

2.1 “智能機(jī)器人基礎(chǔ)與實(shí)踐”課程設(shè)計(jì)

第一學(xué)期的機(jī)器人基礎(chǔ)實(shí)踐課程結(jié)構(gòu)按照機(jī)械、電控、視覺三大部分依次展開進(jìn)行，共計(jì)24學(xué)時(shí)。課程內(nèi)容從結(jié)構(gòu)上分為機(jī)械、電控和視覺三個(gè)方面。

（1）機(jī)器人的機(jī)械方面，從機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、建模和制造三個(gè)層次進(jìn)行：結(jié)構(gòu)部分介紹常見機(jī)器人的結(jié)構(gòu)類型，說明機(jī)器人不同原動(dòng)件之間的差異，并對機(jī)械原理中幾種典型的實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)形式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合機(jī)器人競賽中開源機(jī)器人進(jìn)行實(shí)例剖析；建模部分講解三維建模技術(shù)的基本知識，對機(jī)器人競賽中常用的建模軟件進(jìn)行介紹，并結(jié)合實(shí)例逐步展示機(jī)器人簡單零件的建模操作；制造部分介紹機(jī)械加工制造領(lǐng)域的常見加工手段，對競賽中經(jīng)常應(yīng)用的3D打印和切削加工兩種加工制造方法結(jié)合實(shí)例進(jìn)行講解。

（2）機(jī)器人的電控方面，聚焦機(jī)器人的控制知識，從硬件和基本控制算法及參數(shù)調(diào)整兩方面進(jìn)行：硬件部分介紹機(jī)器人的控制芯片、常見的傳感器、電機(jī)，以及相應(yīng)的使用方法，說明機(jī)器人線路布線方法與注意事項(xiàng)，介紹機(jī)器人電源系統(tǒng)與供電；控制原理部分在盡量避開深度的數(shù)學(xué)原理的同時(shí)，淺顯易懂地講解控制的基本原理。

（3）機(jī)器人的視覺方面，也就是機(jī)器人的眼睛——相機(jī)，在這部分介紹相機(jī)的構(gòu)成、鏡頭的基本參數(shù)和響應(yīng)、相機(jī)的驅(qū)動(dòng)及相機(jī)坐標(biāo)系等，從數(shù)字圖像和實(shí)踐視覺兩個(gè)維度進(jìn)行：數(shù)字圖像即機(jī)器人之所見，介紹數(shù)字圖像的存儲方式及顏色空間，OpenCV中的基本圖像處理模塊；實(shí)踐視覺即機(jī)器人之所解，從實(shí)踐中對大風(fēng)車的燈條進(jìn)行識別，理解其中的特征分析、預(yù)處理、燈條檢測和匹配等概念。

2.2 “互聯(lián)網(wǎng)+智能機(jī)器創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐”課程設(shè)計(jì)

經(jīng)過第一學(xué)期智能機(jī)器人的基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作后，第二學(xué)期進(jìn)入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)戰(zhàn)演練，通過帶領(lǐng)學(xué)生參觀、調(diào)研企業(yè)的生產(chǎn)過程，發(fā)現(xiàn)企業(yè)需求或行業(yè)痛點(diǎn)，并以此作為實(shí)踐的項(xiàng)目。實(shí)踐過程以學(xué)生為主體進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，教師對選題、分工、技術(shù)路線等進(jìn)行引導(dǎo)。例如，大陸電子集團(tuán)的生產(chǎn)流程中，有無人運(yùn)輸車、汽車零部件缺陷檢測等需求。學(xué)生可根據(jù)調(diào)研過程中感興趣的問題設(shè)計(jì)產(chǎn)品。例如，企業(yè)選題有熱電偶缺陷檢測系統(tǒng)、基于機(jī)器視覺的大架號識別設(shè)備等。此外，也可以結(jié)合競賽的內(nèi)容進(jìn)行選題，如哨兵機(jī)器人、工程機(jī)器人等，并將競賽內(nèi)容和社會需求的關(guān)系進(jìn)行調(diào)研，在最終的展示大會中進(jìn)行匯報(bào)。

課程教學(xué)以多學(xué)科合作設(shè)計(jì)開發(fā)產(chǎn)品或競賽作品為主線，依托吉林大學(xué)吉甲大師夢工場等平臺和實(shí)踐基地的資源，教師對學(xué)生的項(xiàng)目選題和技術(shù)路線進(jìn)行全程跟進(jìn)。在實(shí)踐過程中插入?yún)f(xié)作方式方法、創(chuàng)業(yè)計(jì)劃書撰寫等課程，要求在作品設(shè)計(jì)實(shí)施階段完成財(cái)務(wù)BOM規(guī)劃、項(xiàng)目進(jìn)度記錄，形成創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的閉環(huán)培養(yǎng)模式。在該過程中始終堅(jiān)持線上線下交流和自主實(shí)踐的實(shí)施路徑，同時(shí)將思政要素融入課程教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，促進(jìn)了學(xué)生知識、能力和素質(zhì)的全面協(xié)調(diào)發(fā)展。具體48學(xué)時(shí)的內(nèi)容設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 “互聯(lián)網(wǎng)+智能機(jī)器創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐”課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

3 教學(xué)組織與實(shí)施

當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)形態(tài)對人才培養(yǎng)提出了更高的要求，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的初衷和歸宿是向社會輸出人才[2]，秉承OBE（Outcomes-based Education）理念組織與實(shí)施創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程，為學(xué)生提供科學(xué)有效的課程體系支撐和適宜的教學(xué)方式，以達(dá)成培養(yǎng)具有處理復(fù)雜工程問題能力人才的目標(biāo)。

3.1 多學(xué)科交叉師資配備

機(jī)器人技術(shù)是一門多學(xué)科交叉的科學(xué)，涉及機(jī)械工程、信息工程、自動(dòng)控制、電子、計(jì)算機(jī)、物理等多個(gè)領(lǐng)域的知識技能。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐中還涉及經(jīng)濟(jì)學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，需要各個(gè)領(lǐng)域的專家學(xué)者和實(shí)踐指導(dǎo)教師。目前團(tuán)隊(duì)9名具有博士學(xué)位的教師已覆蓋上述學(xué)科，均是具有豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)競賽經(jīng)驗(yàn)的一線教師，其中不乏指導(dǎo)實(shí)踐操作的工程師和百度公司機(jī)器視覺方面的技術(shù)總監(jiān)。多學(xué)科、校企聯(lián)合的教師配備，使學(xué)生在每一個(gè)學(xué)科方面的學(xué)習(xí)都能得到專業(yè)的指導(dǎo)，并且能夠從校外導(dǎo)師的產(chǎn)品開發(fā)中汲取豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3.2 多元化課程資源

為了解決學(xué)科門類的專業(yè)細(xì)分化、知識碎片化、實(shí)驗(yàn)形式化等所帶來的問題，課程組各位老師針對機(jī)械、視覺、電控等跨學(xué)科之間合作方法和工程化問題進(jìn)行了課程資源的開發(fā)，甄選出了10本有針對性的國內(nèi)外教材和參考書；組織往屆參與學(xué)習(xí)研究的學(xué)生經(jīng)過多輪的實(shí)踐制作了一系列的網(wǎng)絡(luò)教程，分別針對機(jī)械、視覺和電控方面的應(yīng)用，包括儀器的使用方法、機(jī)械工具的使用、硬件制作、視覺軟件使用等在線課程，如PowerMill和ADAMS的基本操作視頻，從零開始到STM32核心板PCB的繪制視頻，以及CSDN博客上視覺組多年開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)分享等；同時(shí)，企業(yè)聯(lián)合方大疆公司的RoboMaster機(jī)甲大師論壇和視覺教程也都可作為參考資源用于學(xué)習(xí)積累[3]。

3.3 多平臺教學(xué)模式

為保證課程教學(xué)質(zhì)量，提升和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性及效率，基于以上課程的建設(shè)內(nèi)容，采用線上和線下混合教學(xué)方式。

（1）線上學(xué)習(xí)。線上學(xué)習(xí)分為課前預(yù)習(xí)、課后回顧兩部分。課前預(yù)習(xí)由教師推送部分知識點(diǎn)的線上視頻，學(xué)生在線觀看，并進(jìn)行預(yù)習(xí)評測；課后回顧要求學(xué)生回看本節(jié)線上課視頻及本節(jié)課全部知識點(diǎn)總結(jié)文本，并進(jìn)行在線答題和討論。

（2）線下學(xué)習(xí)。線下課堂分為教師講解、分組討論及實(shí)踐三部分。教師講解重在表達(dá)機(jī)器人的發(fā)展前沿和基本原理的實(shí)驗(yàn)展示；討論環(huán)節(jié)放在每次課（2學(xué)時(shí)）的前15～20分鐘，學(xué)生可以將自己預(yù)習(xí)中無法解決的問題拿到分組討論環(huán)節(jié)一起研究探討；實(shí)踐環(huán)節(jié)，讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)小項(xiàng)目，制作機(jī)械結(jié)構(gòu)小作品和復(fù)現(xiàn)控制和圖像處理的算法甚至設(shè)計(jì)程序。

線上線下組合的翻轉(zhuǎn)課堂，能夠充分利用課堂外的碎片時(shí)間，為學(xué)生預(yù)留了更多發(fā)現(xiàn)問題和思考問題的時(shí)間，從而更加有效地利用課堂上的時(shí)間進(jìn)行更深層次地學(xué)習(xí)。

3.4 多維度實(shí)踐場地

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的一個(gè)突出特點(diǎn)是以學(xué)生個(gè)體化學(xué)習(xí)為主體，以學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能開發(fā)為教育目的。校內(nèi)外的實(shí)踐平臺以課程為紐帶，在教師引導(dǎo)的基礎(chǔ)上，突破學(xué)科壁壘，為學(xué)生的創(chuàng)意思維、創(chuàng)業(yè)孵化提供充足的技術(shù)和方向指引。

（1）校內(nèi)實(shí)踐場地。團(tuán)隊(duì)教師聯(lián)合多個(gè)學(xué)院，依托吉林大學(xué)的吉甲大師夢工場、智能機(jī)器與系統(tǒng)新工科開放實(shí)驗(yàn)室、Ifram創(chuàng)客空間，根據(jù)課程的知識內(nèi)容安排相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)踐。上述實(shí)驗(yàn)室擁有高性能GPU工作站、機(jī)器人研發(fā)套件、傳感器、電機(jī)、3D打印機(jī)等設(shè)備，具備機(jī)器人教學(xué)的軟硬件基礎(chǔ)條件，每年接納100多人。

（2）校外實(shí)踐場地。校外可供參觀調(diào)研的有吉林大學(xué)與長春市政府合作共建的中關(guān)村雨林空間創(chuàng)業(yè)孵化基地和朝陽訊飛人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化基地，還有吉林大學(xué)與企業(yè)共建的萬和集團(tuán)、林田遠(yuǎn)達(dá)科技有限公司、尼普洛嘉恒藥業(yè)包裝有限公司、卓卡諾智能科技有限公司、大疆科技有限公司長春分公司、光機(jī)所芯憶科技有限公司。這些校企合作場地為學(xué)生的企業(yè)需求、市場痛點(diǎn)調(diào)查提供了足夠的調(diào)研環(huán)境。

4 課程考核與評價(jià)

由于智能機(jī)器人的兩學(xué)期課程考察內(nèi)容的差異，分別為其制定了有側(cè)重點(diǎn)的考核方式。

4.1 “智能機(jī)器人基礎(chǔ)與實(shí)踐”課程的考核

該課程由平時(shí)成績和實(shí)踐成績兩部分組成，各占總成績的50%。平時(shí)成績由線上課程觀看時(shí)長、作業(yè)完成情況及小組討論情況組成，權(quán)重比為1∶2∶2。實(shí)踐成績的評定標(biāo)準(zhǔn)通過動(dòng)手操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)報(bào)告評價(jià)等方式進(jìn)行考核，可按照實(shí)驗(yàn)操作、儀器使用掌握、實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告四項(xiàng)考核內(nèi)容的完成情況進(jìn)行評價(jià)，權(quán)重可按照2∶1∶1∶1分配。

4.2 “互聯(lián)網(wǎng)+智能機(jī)器創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐”課程的考核

該課程主要為過程性考核，考核內(nèi)容包括平時(shí)表現(xiàn)、實(shí)踐作品和項(xiàng)目跟進(jìn)情況。平時(shí)表現(xiàn)主要考察學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度及出勤率，這部分占總成績的20%；實(shí)踐作品主要以設(shè)計(jì)成果的創(chuàng)新性、完成度、實(shí)用性作為指標(biāo)，占總成績的60%；項(xiàng)目跟進(jìn)要以小組形式進(jìn)行主題匯報(bào)，并對作品完成時(shí)的進(jìn)度記錄、協(xié)同工具使用、BOM表分析、團(tuán)隊(duì)合作情況進(jìn)行考察，占總成績的20%。

5 課程評價(jià)與改革成效

系統(tǒng)化閉環(huán)的智能機(jī)器人課程體系使文、理、工、管多學(xué)科交叉合作模式走進(jìn)課堂，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)成效明顯，學(xué)生專業(yè)認(rèn)同和社會責(zé)任感上升。在教學(xué)過程中，組織了有興趣參與比賽的同學(xué)參加機(jī)器人等相關(guān)競賽，圍繞相關(guān)內(nèi)容和方向組建了學(xué)生團(tuán)隊(duì)，開展相關(guān)活動(dòng)，如參加了“互聯(lián)網(wǎng)+”“創(chuàng)青春”等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽。近三年參與課程的學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練或?qū)W科競賽的比例達(dá)到85%，在校生調(diào)研的企業(yè)近百家，參與企業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究6項(xiàng)，開發(fā)新產(chǎn)品10余項(xiàng)，鍛煉了學(xué)生精益求精、持之以恒的意志品質(zhì)。自2016年起，積累了720°虛擬現(xiàn)實(shí)合成設(shè)備、基于機(jī)器視覺的藥瓶缺陷檢測系統(tǒng)、安防機(jī)器人、自動(dòng)巡邏機(jī)器人等學(xué)生自制的優(yōu)秀作品。

課程實(shí)施教學(xué)后，學(xué)生、同行專家和社會企業(yè)都對其進(jìn)行了追蹤評價(jià)，對教學(xué)效果都給予了認(rèn)可。其中，在校生和畢業(yè)生跟蹤反饋的滿意率均達(dá)到95%以上。華中科技大學(xué)、哈工大等同行教師也認(rèn)為該課程的內(nèi)容科學(xué)、組織嚴(yán)密、教學(xué)效果良好。吉林大學(xué)為大疆科技、百度、華為等30多家用人單位輸送了人才，企業(yè)反饋學(xué)生創(chuàng)新能力強(qiáng)，有社會責(zé)任擔(dān)當(dāng)。新華網(wǎng)、頭條等多家媒體報(bào)道了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐教學(xué)成果。長春工業(yè)大學(xué)、長春理工大學(xué)派教師參觀學(xué)習(xí)了該課程模式。

6 結(jié)語

智能機(jī)器人課程以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育模式開展教學(xué)，以閉環(huán)體系設(shè)計(jì)課程內(nèi)容，以落實(shí)立德樹人為根本目標(biāo)，將文理工管多學(xué)科交叉及產(chǎn)品技術(shù)孵化、生產(chǎn)經(jīng)營管理融入課程內(nèi)容，通過校企合作模式，建立起問題導(dǎo)向、學(xué)生自主研究、課內(nèi)外結(jié)合、學(xué)校與社會協(xié)同等全過程實(shí)踐教學(xué)模式，全面培養(yǎng)學(xué)生的工程和創(chuàng)新實(shí)踐能力和社會服務(wù)意識。