智能機器人實踐課程自主創新能力培養研究

馮士剛　齊倩蕊　張俊　劉洪波　魯明羽

摘要：針對智能科學與技術專業學生的知識特點和被動式教學模式，基于智能機器人實驗課程的教學實踐，通過分析課程教學目標、教學實驗平臺構建、實驗題目設計、課程評價體系等方面，探討如何在實踐教學中加強學生對智能機器人設計和搭建以及進行自主創新實驗的能力，為學生進入智能機器人這個炙手可熱的職業領域打好基礎。

關鍵詞：智能機器人；實踐課程；自主創新；教學模式

1背景

隨著社會生產技術飛速發展，機器人的應用領域不斷擴展。當前機器人的研究正處于第3代智能機器人階段，即機器人可把各類傳感器收集的信息展開融合，能較好地適應不斷變化的工作環境，有非常強的學習、自洽和適應能力?？梢哉f，智能機器人技術已經隨著智能科學與技術的迅猛發展而成為現代信息技術和先進制造技術的典型代表，代表著一個國家高新技術發展的綜合水平。對于智能科學技術系的學生來說，智能機器人是一個極有發展前途的就業領域，然而當前智能專業設置的課程與智能機器人技術的關聯性尚顯不足。智能科學與技術專業屬于計算機科學與技術學科，學生有軟件編程知識背景的優勢，而自動化控制、機電、電子和腦認知科學方面的知識較為薄弱。多年以來，我國的高等教育模式都是以傳授模式為主，學生在學習過程中處于被動接受狀態，導致學生學習沒有主動性和興趣，缺乏實際動手能力的培養，對所學的知識不能活學活用，畢業后缺乏實際工作所需的創新技能和動手能力，因此學校必須開展實踐創新教育，改革實踐教學模式，合理建設智能機器人實驗教學體系，培養學生的自主創新能力。

2智能機器人實踐課程建設體系

2.1合理地建設實驗平臺

在智能機器人實踐教學中，我們重點關注學生的個體特點和興趣愛好，給學生更大的自主學習空間。教師從原來以課堂講授為中心的“講解者”角色，轉化為學生自主學習的引導者和學生自主實驗的服務者；學生則由原來單純聽講、接受灌輸的被動地位，轉變為能自主參與、自主探究和自我發現的主體地位。這樣能充分發揮學生的主體作用，使他們不僅能快樂自由地主動學會知識，還能體驗自己的學習方法，實踐自我發現的過程。針對智能專業學生智能機器人硬件知識薄弱的特點，本著易用性、開源性和擴展性原則，我們構建4個分層次的實驗平臺，具體包括以下幾方面。

（1）智能移動機器人實驗平臺。該實驗平臺具備智能移動機器人30套，能滿足2個自然班（30人，下同）2人1組的需求，如圖1所示。智能移動機器人是面向創新教育的新型教學平臺，有一個功能強大的微處理系統和傳感器系統并且還能擴展聽覺、視覺和觸覺，成為真正意義上的智能機器人。此外，它還具有基于流程圖的編程語言和交互式C語言，為學生創新開發智能機器人項目、程序與算法等提供簡單又功能強大的平臺。

（2）設計性實驗平臺。該實驗平臺具備20套教學機器人搭建套件，能滿足2個自然班3人1組的需求，如圖2所示。教學機器人搭建套件具備多種組件，包括伺服電機、伺服電機搖臂、板條形連接件、x形支架、電機架、斜U形搖臂、移動基座、直u形搖臂、控制卡等，該設備采用基于總線的運動模塊，位置、速度、溫度和力矩均可反饋，學生可運用C或VC++進行全方位開發。

（3）教學自主創新綜合性實驗平臺。該實驗平臺具備智能機器人綜合創新套件20套，能滿足2個自然班3人1組的需求，如圖3所示。智能機器人綜合創新套件以“六面搭建、創意無限”為核心設計理念，以立方體為基礎點結構件、以梁為基礎線結構件和以平板為基礎面結構件，融入現實生活的點、線、面幾何原理，配合結構、機械、傳動、電子、傳感器、控制等教學項目，讓學生在實驗過程中對技術產生親近感，培養學生的動手和創新能力，充分體現技術教育的獨特魅力。

（4）競賽研究性實驗平臺。該實驗平臺的智能機器人能夠實現智能滅火、智能循跡、智能探測、智能定位等功能，融合機器人視覺、語音、智能人機交互、虛擬現實、網絡技術、實時系統、傳感器檢測、控制技術、系統集成等核心技術。學生通過學習和使用競賽研究性智能機器人，可熟悉國內外機器人競賽形式，著重鍛煉對策略程序的設計并逐漸增加難度，體現由淺入深、層層深入的原則。開展校內機器人設計競賽在提高課程學習興趣的同時使學生對所學知識進行綜合應用，鍛煉學生解決實際問題的能力；同時組織學生參加國內外的機器人競賽，通過與其他學校師生的交流，達到取長補短和共同提高的目的。

2.2循序漸進地設計實驗題目

智能機器人實踐課程能滿足學生課內學習和課外活動的需要，以多層次、模塊化及開放型的模式，讓學生經歷從方案設計、選取材料、實物搭建到運行任務這樣一個智能機器人設計與制作的基本過程，提高學生的自主創新能力、動手實踐能力和問題解決能力。針對學生的知識特點，我們基于3個教學性實驗平臺設計初級、中級和高級3套必做實驗題目，以滿足基本的教學要求，同時還基于競賽研究性實驗平臺設置一部分拓寬與提高的選做實驗項目，為學生的自主研究與發揮留有足夠的空間，以滿足部分學生發揮興趣特長和個性發展的需求?；颈刈鲰椖吭谡n內完成，選做實驗項目可在課外完成。初級實驗題目見表1。

2.3開展自主創新性教學

智能機器人實踐課程以學生實踐操作、自主創新發揮為特色，采用分階段、分層次及課內外結合的開放式教學模式，按照工程系統方法論的思路進行，由相關學科的教師進行多學科聯合指導。實驗進程包括以下4個階段。

（1）智能機器人認識階段。該階段要求學生了解智能機器人的硬件結構、編程軟件及相關技術，認識智能機器人工作的基本過程以及設計或搭建過程中所涉及的技術和方法。該階段內容要求學生在課前預習和課后答疑期間完成，教師給予簡單指導。

（2）實驗題目方案設計階段。該階段側重于培養學生對方案的構思、比較、權衡、選擇、優化及交流能力，注重對學生創新性思維及能力的培養。此階段由學生按照自己的興趣及能力在必做的3套實驗項目中任選2個實驗任務（同一小組成員不能選擇相同的題目），采用自主研究的方式，以項目組為單位，成員分工合作，進行方案構思、比較、權衡、選擇及交流。為提高學生的創新意識，在設計過程中，教師應鼓勵學生提出多種設計方案。

（3）機器人設計或搭建階段。該階段主要要求學生根據自己提出的設計方案，以小組為單位，分工合作，設計實驗程序，搭建并運行智能機器人，完成實驗題目中的實驗任務。在機器人執行實驗任務時，要求學生錄制視頻并搭配解說。

（4）實驗總結（實驗報告撰寫）階段。該階段以小組為單位開展討論并以實驗報告的形式對前3個階段的工作進行展現和總結，要求每位學生各提交一份實驗報告，報告中要明確指出其他小組成員在實驗中的輔助工作內容?？偨Y階段的另一任務是機器人執行實驗任務視頻的制作，視頻要求配備解說，以說明實驗任務；還要總結設計方案優缺點，重點說明機器人設計和搭建中的自主創新性部分。

2.4構建嚴格合理的考核評價體系

實驗成績的考核評定以發展性評價為根本理念，既關注學生實驗的結果，又重視學生在實驗活動中的參與程度、操作水平、合作精神等狀況；側重考查學生對基本技能的掌握和運用能力、創造性思維能力等。評分標準主要依據以下幾點。

（1）是否課前預習。依據學生對智能機器人設備的認識程度，實驗前要求學生提交預習報告，認真預習者得滿分，預習不充分者得一半分，不預習者不得分。

（2）實驗操作的規范性和熟練性。依據學生課堂現場操作機器人的狀況，操作規范熟練者得滿分，規范性或熟練性不夠者得一半分，操作不規范、不熟練者不得分。

（3）實驗的完成情況。依據課堂演示和機器人運行視頻，完成實驗任務者得滿分，基本完成者得一半分，沒有完成實驗任務的學生不得分。

（4）實驗報告的科學性和規范性。依據學生提交的實驗報告，實驗報告完整翔實者得滿分，實驗報告不完整、內容膚淺的學生得一半分，實驗報告內容缺失嚴重或者大部分抄襲他人的學生不得分。

（5）實驗自主創新性。依據學生提交的機器人運行視頻，在完成實驗任務的基礎上還有自主創新內容的學生得滿分，實驗無自主創新但能較清楚地敘述實驗過程中遇到的問題和解決方法的學生得一半分，無任何自主創新者不得分。

3教學成果

依據智能機器人實踐課程建設體系，我們在2014年和2015年秋季學期針對智能科學與技術專業開設智能機器人實驗課程，取得了良好的教學效果。

3.1學生的自主創新意識得到加強

開展智能機器人實驗的意義在于重體驗、求過程、嘗試中經歷，做中學、學中做、實踐中提高。在課程開展過程中，我們強調學生是實驗課程的主體，學生自行選題，自主進行實驗題目的設計與實施，鼓勵學生自主探究解決問題的方法并得出結論；教師只在實驗題目設計、機器人運行原理和操作、編程方法論證方面為學生提供咨詢和指導，不過多介入實驗過程。在實驗考核方面，我們特別注重對自主創新內容的評價。我們在實驗的過程中實現學生技術學習方式的多元化，培養學生動手、動腦特別是手腦結合的能力，極大地加強學生的自主創新意識，如學生在完成智能機器人軌跡運動實驗任務的基礎上，給機器人搭建手臂，使機器人在運行過程中會揮動手臂，成為檢閱機器人；學生在完成紅綠燈、傳送帶和自動小車3個實驗任務的基礎上，能夠綜合運用3個實驗任務的功能，形成一個貨物運輸系統，如圖4所示。

3.2學生的自主學習意識得到加強

科學家和教育學家研究發現，如果學生置身于自己喜歡的活動中，需要解決問題的難度又正好合適，符合他們目前的知識水平，那么學習就會像呼吸一樣自然。我們在選擇課程實驗平臺和設計實驗題目時，充分考慮學生的知識特點，使構建的實驗平臺易學易用且具有良好的擴展性和開源性，同時配備簡單易學的基于流程圖的交互式c語言編程平臺；將題目設計得難易結合，令學生可自主選擇題目。課程教學進行時，教師根據學生的學習狀況及時給予鼓勵和引導，避免學生因對一些硬件和軟件技術產生疑問卻得不到解決而失去實驗興趣。在我們精心設計的實驗題目的指引下，學生在完成實驗的過程中能夠主動擴展工科知識學習范圍，并且極大地加強了電子、自動化、機械、材料、計算機硬件、軟件設計等知識儲備。

3.3學生的團隊合作意識得到加強

智能機器人實驗課程是分組進行的，每組2～3人，實驗小組由學生自由組建。實驗采用小組分工合作的方式，一人為主，兩人為輔，采用小組討論的方式解決實驗中遇到的問題。我們除了設計3套必做實驗題目外，還設計選做的競賽性實驗題目。每次課程結束后我們都開展一次“智航杯”智能設計競賽，讓學生親身參與比賽，既提高他們的動手能力和解決實際問題能力，又加強其團隊合作意識和集體榮譽感，讓學生沒有走出校門就“高人一籌”，畢業后能更好地勝任所擔任的社會角色。

4結語

針對智能專業學生的知識特點和被動式的教育模式，我們設計了能夠激發學生自主創新意識的智能機器人實踐課程體系。2014年和2015年兩個學期的教學實踐表明，該課程體系取得了良好的效果。學生在完成實驗課程后，自主創新意識、自動學習意識和團隊合作意識都得到很大程度的加強。今后的教學實踐中，如何更好地選擇實驗平臺、更合理地設計實驗題目以及更有效地改善教學模式，以達到教學相長，提高學生自主創新、科學實踐和自主建構知識的能力，還要進一步探討。

（編輯：宋文婷）