“機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)”項(xiàng)目制教學(xué)改革實(shí)踐

李慶鵬 張振軍 梁橋康 李智勇 黎福海

(湖南大學(xué) 機(jī)器人學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410082)

本文針對(duì)我校機(jī)器人工程新工科專業(yè)的“機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)”專業(yè)核心課程的教學(xué)改革，介紹了該課程項(xiàng)目制教學(xué)新模式：從掌握機(jī)器人視覺、聽覺、力覺、融合感知、以及機(jī)器學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)知識(shí)，到開展團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目制課程實(shí)踐環(huán)節(jié)，都進(jìn)行了改革，既培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的自主學(xué)習(xí)能力，又鍛煉他們分工合作、溝通協(xié)調(diào)的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新能力[1-2]。

1 “機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)”課程教學(xué)要求

機(jī)器人被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”。近年來(lái)，智能機(jī)器人已成為最具活力的多學(xué)科交叉領(lǐng)域之一[3]，而感知與學(xué)習(xí)能力是衡量一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的智能化程度的核心標(biāo)志。機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)通常應(yīng)用在一些智能設(shè)備和技術(shù)上，這些設(shè)備和技術(shù)通常對(duì)環(huán)境感知和機(jī)器學(xué)習(xí)的能力要求很高，并往往要求較高的實(shí)時(shí)性和較低的硬件占用資源。隨著新一代人工智能技術(shù)在智慧城市、智慧醫(yī)療、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的快速應(yīng)用發(fā)展，機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)技術(shù)的重要性日益突顯。例如，在工業(yè)機(jī)器人、無(wú)人車與智能駕駛技術(shù)、醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人、餐飲服務(wù)機(jī)器人等智能機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)都是決定機(jī)器人整體性能的核心環(huán)節(jié)。目前，智能機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展前景廣、研究人才缺口大，并且學(xué)生在校期間的學(xué)習(xí)往往“重理論而輕實(shí)踐、重個(gè)人而輕團(tuán)隊(duì)”，因此，可考慮學(xué)生以項(xiàng)目制學(xué)習(xí)方式參加到“機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)”課程中，并對(duì)該課程學(xué)生提出如下要求：①對(duì)“Python語(yǔ)言”“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”“計(jì)算與人工智能概論”“計(jì)算機(jī)原理”等課程有較好的理論基礎(chǔ)；②熟悉機(jī)器人系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)工作原理；③了解機(jī)器人多源感知、機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的基本概念、基本原理和前沿應(yīng)用，掌握一定的機(jī)器人感知算法及其嵌入式開發(fā)能力。

2 “機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)”課程的特點(diǎn)

“機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)”的課程教學(xué)有如下特點(diǎn)[4]。

交叉性-“機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)”涉及多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，如圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、語(yǔ)音信號(hào)處理、力學(xué)傳感器檢測(cè)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、嵌入式系統(tǒng)等。本課程將多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)相互集成、相互補(bǔ)充，在智能機(jī)器人系統(tǒng)中交叉實(shí)踐。因此，“機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)”課程需要學(xué)生有著較強(qiáng)的跨學(xué)科知識(shí)背景。

系統(tǒng)性-“機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)”旨在使學(xué)生掌握智能機(jī)器人的主要感知方式、感知原理、以及機(jī)器人如何學(xué)習(xí)感知信息、如何利用感知信息進(jìn)行工作等知識(shí)，各部分內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立又相互聯(lián)系。因此，本課程要求學(xué)生能夠從系統(tǒng)科學(xué)的角度對(duì)各部分知識(shí)進(jìn)行宏觀把握，增強(qiáng)對(duì)各部分知識(shí)的理解。

應(yīng)用性-“機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)”面向智能機(jī)器人系統(tǒng)，用于解決機(jī)器人在實(shí)際工作環(huán)境中面臨的環(huán)境感知、信息融合與機(jī)器學(xué)習(xí)問題，有著具體的應(yīng)用場(chǎng)景和鮮明的應(yīng)用導(dǎo)向。因此，“機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)”課程在教學(xué)過(guò)程中，可以無(wú)人車、無(wú)人機(jī)等智能機(jī)器人實(shí)例為教具，以機(jī)器人在多個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用實(shí)例為教材，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)理論聯(lián)系實(shí)際的必要性。

創(chuàng)新性-“機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)”是新一代人工智能技術(shù)在機(jī)器人系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的快速發(fā)展，“機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)”課程的專業(yè)知識(shí)迭代更新也很快。因此，本課程為學(xué)生提供了深度學(xué)習(xí)算法基礎(chǔ)開發(fā)平臺(tái)、設(shè)置差異化項(xiàng)目課題，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3 “機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)”教學(xué)改革思路

圖1所示的是本文提出的“機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)”項(xiàng)目制教學(xué)課程體系圖。

“機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)”課程教學(xué)改革方案主要是：團(tuán)隊(duì)協(xié)同，設(shè)立項(xiàng)目制教學(xué)環(huán)節(jié)多元化課題：改革課程結(jié)構(gòu)，突出多元化課題在教學(xué)環(huán)節(jié)中的核心地位，如圖2所示。

圖2 “機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)”課程教學(xué)改革方案

依托我院新成立的人工智能基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生組隊(duì)進(jìn)行課題研究提供深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練平臺(tái)和嵌入式開發(fā)平臺(tái)。通過(guò)“計(jì)算機(jī)視覺算法實(shí)踐”“深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)嵌入式開發(fā)實(shí)踐”[5]“力傳感器解耦實(shí)踐”“機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)踐”四項(xiàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，讓學(xué)生掌握智能機(jī)器人視覺、觸覺、學(xué)習(xí)的基本原理與功能實(shí)現(xiàn)。這四項(xiàng)實(shí)驗(yàn)課程的具體內(nèi)容是：①“計(jì)算機(jī)視覺算法實(shí)踐”教學(xué)課程：理解數(shù)字圖像處理、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、反向傳播算法、模型訓(xùn)練與測(cè)試的基本原理，學(xué)習(xí)Pytorch架構(gòu)知識(shí)，編程實(shí)現(xiàn)并訓(xùn)練測(cè)試MNIST手寫體數(shù)字識(shí)別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，提出并嘗試改善模型性能的策略，并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告；②“深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)嵌入式開發(fā)實(shí)踐”教學(xué)課程：學(xué)習(xí)NVIDIA Xavier AGX和華為昇騰310的Atlas 200兩種小型深度學(xué)習(xí)處理器的基本架構(gòu)和原理，了解基于CUDA + Pytorch架構(gòu)和CANN + MindSpore架構(gòu)的基本底層實(shí)現(xiàn)，選擇其中一種完成MNIST手寫體數(shù)字識(shí)別深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型的嵌入式系統(tǒng)部署，并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告；③“力傳感器解耦實(shí)踐”教學(xué)課程：理解基于最小二乘法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、ELM等方法的解耦算法原理，編程實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的解耦算法，對(duì)比分析解耦性能和傳感器的綜合性能，并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告；④“機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)踐”教學(xué)課程：理解K-NN算法的思想，編程實(shí)現(xiàn)K-NN算法并應(yīng)用于圖像目標(biāo)分類識(shí)別，完成實(shí)驗(yàn)并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

激發(fā)個(gè)性，鼓勵(lì)學(xué)生“自主選題、自我規(guī)劃”。改革作業(yè)模式，使學(xué)生可以根據(jù)興趣選擇課題作業(yè)。課題作業(yè)共分為視覺、力覺、機(jī)器學(xué)習(xí)三個(gè)專題，每個(gè)專題分別布置2-3個(gè)課題供學(xué)生選擇。學(xué)生4-6人自行組隊(duì)并以小組為單位，在每個(gè)專題中選擇一個(gè)課題進(jìn)行研討式學(xué)習(xí)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)自行解決課題作業(yè)中布置的問題，完成各組的作業(yè)報(bào)告，在有限課時(shí)的情況下培養(yǎng)學(xué)生在團(tuán)隊(duì)中自由探索、自主學(xué)習(xí)的能力：①視覺專題課題作業(yè)(三選一)：a.面向服務(wù)機(jī)器人智能人機(jī)交互場(chǎng)景與應(yīng)用需求，編程實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)與識(shí)別視覺感知算法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證算法的有效性；b.面向無(wú)人機(jī)智能交通監(jiān)控場(chǎng)景，編程實(shí)現(xiàn)多類車輛目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別與計(jì)數(shù)算法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證算法的有效性；c.面向無(wú)人機(jī)對(duì)地觀測(cè)目標(biāo)鎖定場(chǎng)景，編程實(shí)現(xiàn)自然目標(biāo)跟蹤算法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證算法的有效性。②力覺專題課題作業(yè)(二選一)：a. 結(jié)合協(xié)作機(jī)器人底座力傳感器應(yīng)用場(chǎng)景、以及協(xié)作機(jī)器人的需求，設(shè)計(jì)一款多維力傳感器，并進(jìn)行對(duì)應(yīng)的仿真設(shè)計(jì)、測(cè)量方案的確定、優(yōu)化、解耦，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析傳感器的有效性；b. 結(jié)合三指靈巧手機(jī)器人傳感器應(yīng)用場(chǎng)景、以及三指靈巧手機(jī)器人的需求，設(shè)計(jì)一款多維力傳感器，并進(jìn)行對(duì)應(yīng)的仿真設(shè)計(jì)、測(cè)量方案的確定、優(yōu)化、解耦，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析傳感器的有效性。③機(jī)器學(xué)習(xí)專題課題作業(yè)(二選一)：a. 理解C均值聚類算法思想，分析初始化對(duì)C均值聚類的影響，并編程實(shí)現(xiàn)C均值聚類算法；b.理解判別域代數(shù)介面方程方法的思想，理解權(quán)空間的數(shù)理含義，分析訓(xùn)練樣本對(duì)權(quán)矢量求解的影響，并編程實(shí)現(xiàn)一種基于介面方程方法的分類算法。

面向?qū)嵺`，倡導(dǎo)學(xué)生“在做中學(xué)、在學(xué)中做”。改革授課方式，將原有的“重理論講解”改為“重實(shí)踐探索”。依托網(wǎng)絡(luò)資源和電子課件等方式，將部分理論知識(shí)的課上講解改為引導(dǎo)學(xué)生課后自學(xué)，將多余課時(shí)安排為對(duì)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)基礎(chǔ)知識(shí)與技能和典型問題的講解，在編程開發(fā)實(shí)踐中，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)和實(shí)踐技能的理解掌握，利用多元化開發(fā)平臺(tái)和深圳松山湖機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)基地科創(chuàng)訓(xùn)練營(yíng)，培養(yǎng)未來(lái)服務(wù)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的創(chuàng)新型、復(fù)合型、實(shí)踐型人才[6]。

積極動(dòng)手，引導(dǎo)學(xué)生參加大學(xué)生競(jìng)賽類項(xiàng)目[7]。以我院機(jī)器人機(jī)甲大師賽戰(zhàn)隊(duì)為依托，通過(guò)本課程招募選拔能力強(qiáng)、對(duì)此感興趣的學(xué)生加入戰(zhàn)隊(duì)。本課程還與機(jī)甲大師賽任務(wù)需求深度對(duì)接，在目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別、目標(biāo)跟蹤、力學(xué)傳感器解耦與應(yīng)用等方面設(shè)置競(jìng)賽類課題并提供相應(yīng)模擬環(huán)境，激發(fā)學(xué)生對(duì)機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)技術(shù)的興趣，為學(xué)生后續(xù)參加機(jī)甲大師賽和其他科創(chuàng)類競(jìng)賽項(xiàng)目打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)：①目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別競(jìng)賽類課題：基于目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別的RoboMaster機(jī)甲大師賽英雄機(jī)器人敵我識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。②目標(biāo)跟蹤競(jìng)賽類課題：基于目標(biāo)跟蹤的RoboMaster機(jī)甲大師賽步兵機(jī)器人發(fā)彈瞄準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。③力學(xué)傳感器解耦與應(yīng)用競(jìng)賽類課題：基于力學(xué)傳感器解耦的RoboMaster機(jī)甲大師賽工程機(jī)器人取礦機(jī)械手智能抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

創(chuàng)新激勵(lì)，建立完備的課程考核與評(píng)價(jià)體系。改革評(píng)價(jià)機(jī)制，從傳統(tǒng)單向驗(yàn)證型、灌輸型教學(xué)過(guò)渡到探索型、引導(dǎo)型教學(xué)，突出項(xiàng)目制教學(xué)對(duì)學(xué)生的綜合評(píng)價(jià)，將原有對(duì)學(xué)生知識(shí)的“節(jié)點(diǎn)式”考核轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)能力的“過(guò)程式”考核，提高課題評(píng)價(jià)在總成績(jī)的占比，降低知識(shí)考核占比。適當(dāng)增加探索性選題加分，強(qiáng)化對(duì)學(xué)生科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出并實(shí)踐了面向機(jī)器人工程這一新工科專業(yè)、并符合新一代人工智能和電子信息技術(shù)發(fā)展的“機(jī)器人感知與學(xué)習(xí)”課程項(xiàng)目制教學(xué)方法，根據(jù)本課程交叉性、系統(tǒng)性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性等特點(diǎn)，從課程結(jié)構(gòu)、作業(yè)模型、授課方式、學(xué)習(xí)周期、評(píng)價(jià)機(jī)制等方面，設(shè)計(jì)了課程教學(xué)改革方案，并依托湖南大學(xué)機(jī)器人學(xué)院人工智能基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室、機(jī)器人機(jī)甲大師賽戰(zhàn)隊(duì)等平臺(tái)和資源，為學(xué)生組隊(duì)進(jìn)行課題研究、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等知識(shí)實(shí)踐提供良好支撐，有利提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)科創(chuàng)熱情，為新時(shí)代高等教育電子信息類學(xué)科專業(yè)構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研用一體化育人模式、服務(wù)地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)發(fā)展提供良好探索經(jīng)驗(yàn)。