盧惠民， 呂云霄， 徐曉紅， 肖軍浩， 吳美平

(國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院， 湖南 長沙 410073)

0 引言

我國正在大力實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，隨著“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“人工智能2.0”等重大戰(zhàn)略的推進(jìn)實(shí)施，迫切需要培養(yǎng)大批新興工程科技人才。這就要求高等院校培養(yǎng)的以自動(dòng)化專業(yè)為代表的控制類專業(yè)學(xué)生應(yīng)具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、更強(qiáng)的創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題的能力。

以機(jī)器人為代表的智能無人系統(tǒng)是未來智能裝備發(fā)展的方向，涉及技術(shù)領(lǐng)域?qū)挿骸⒀芯績?nèi)容眾多，具有鮮明的多學(xué)科交叉融合特征，特別適合作為培養(yǎng)提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的載體[1～2]。本文提出了構(gòu)建以機(jī)器人技術(shù)為主線的課堂教學(xué)與創(chuàng)新實(shí)踐相融合的控制類專業(yè)教學(xué)體系，并制定措施保障教學(xué)體系的順利實(shí)施，提高了控制類專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，取得了明顯的階段性成效。

1 以機(jī)器人貫通專業(yè)教學(xué)體系

以機(jī)器人技術(shù)為主線貫通我校自動(dòng)化、控制科學(xué)與工程等控制類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)和專業(yè)課程的相關(guān)理論與實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)體系，解決了課程體系和教學(xué)內(nèi)容緊跟人才培養(yǎng)需求與時(shí)俱進(jìn)的問題。

1.1 培養(yǎng)方案的修訂

我校在新修訂的自動(dòng)化專業(yè)、控制科學(xué)與工程(我校新增設(shè))專業(yè)人才培養(yǎng)方案中，新增了“智能機(jī)器人系統(tǒng)”、“控制理論與工程概論”、“嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“機(jī)器人技術(shù)專題研討”等課程。這些新增課程教學(xué)內(nèi)容都是以機(jī)器人為關(guān)鍵技術(shù)，有的大量地使用各種最新的機(jī)器人研究進(jìn)展作為教學(xué)案例，有的以移動(dòng)機(jī)器人作為明確的實(shí)驗(yàn)對象。此外，還加大了專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的比例，將10學(xué)時(shí)以上的實(shí)驗(yàn)單獨(dú)設(shè)課。

1.2 培養(yǎng)方案的執(zhí)行

在新修訂的人才培養(yǎng)方案執(zhí)行過程中優(yōu)化和深化了課程體系和課程內(nèi)容。對“自動(dòng)化系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”、“高級語言程序設(shè)計(jì)”、“控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)”等課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了大量的改革，如將機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS(Robot Operating System)引入“自動(dòng)化系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”，將樂高機(jī)器人的編程實(shí)踐并開展機(jī)器人競賽作為“高級語言程序設(shè)計(jì)”的實(shí)踐環(huán)節(jié)，將全向移動(dòng)機(jī)器人的建模與運(yùn)動(dòng)控制作為“控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)”的大作業(yè)等[3]；邀請國內(nèi)外機(jī)器人研究領(lǐng)域的知名專家學(xué)者來校給學(xué)生開設(shè)專題講座，安排本校機(jī)器人技術(shù)專家每學(xué)期均面向本科學(xué)生開設(shè)第二課堂講座。

1.3 機(jī)器人技術(shù)貫通的專業(yè)教學(xué)體系

圖1所示的是以機(jī)器人技術(shù)作為主線貫穿的新修訂的教學(xué)體系，其中學(xué)生在低年級時(shí)主要學(xué)習(xí)與機(jī)器人技術(shù)密切相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，包括“控制器件”、“自動(dòng)控制原理”、“現(xiàn)代控制理論”等為代表的控制系列技術(shù)基礎(chǔ)課程，“高級語言程序設(shè)計(jì)”、“微機(jī)原理與接口”、“嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等為代表的電工電子與計(jì)算機(jī)系列技術(shù)基礎(chǔ)課程，以此可掌握機(jī)器人學(xué)科的典型控制系統(tǒng)建模、分析、設(shè)計(jì)、軟件編程、硬件實(shí)現(xiàn)等方面的基礎(chǔ)知識；然后學(xué)生開始學(xué)習(xí)“智能機(jī)器人系統(tǒng)”、“數(shù)字圖像處理”、“機(jī)器人技術(shù)專題研討”、“無人作戰(zhàn)系統(tǒng)技術(shù)專題研討”等專業(yè)課程，深入系統(tǒng)地學(xué)習(xí)機(jī)器人學(xué)相關(guān)的包括機(jī)械結(jié)構(gòu)與平臺(tái)、傳感與信息處理、運(yùn)動(dòng)控制與規(guī)劃、協(xié)同與人機(jī)交互等基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)知識，為將來綜合運(yùn)用知識開展機(jī)器人技術(shù)研究、解決實(shí)際工程問題打好基礎(chǔ)；此外，通過開設(shè)專家專題講座、第二課堂等，使學(xué)生拓展在機(jī)器人技術(shù)方面的視野和知識面，了解前沿研究方向與研究進(jìn)展；最后學(xué)生通過以機(jī)器人為載體的“自動(dòng)化系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”和團(tuán)隊(duì)式/對抗式畢業(yè)設(shè)計(jì)，機(jī)器人學(xué)科/學(xué)術(shù)競賽等綜合應(yīng)用所學(xué)知識，開展機(jī)器人技術(shù)的研究與開發(fā)，全方位地提高創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題的能力。

圖1 以機(jī)器人技術(shù)貫通的控制類專業(yè)教學(xué)體系

該教學(xué)體系以機(jī)器人技術(shù)為主線將基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識、前沿技術(shù)和創(chuàng)新實(shí)踐有機(jī)貫通，打通了課堂教學(xué)和創(chuàng)新實(shí)踐過程，極大地吸引了學(xué)生們學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)的興趣和熱情，促進(jìn)了學(xué)生對機(jī)器人技術(shù)的理解和掌握，提高了學(xué)生獨(dú)立地分析和解決實(shí)際問題的能力，為在畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)科/學(xué)術(shù)競賽等課外創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)中綜合應(yīng)用所學(xué)知識，提高創(chuàng)新實(shí)踐能力奠定了良好的基礎(chǔ)。

2 保障教學(xué)體系實(shí)施的措施

作為保障教學(xué)體系健康實(shí)施的具體措施，依托我?？刂瓶茖W(xué)與工程國家一級重點(diǎn)學(xué)科的科研優(yōu)勢，統(tǒng)籌建設(shè)了控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、無人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室、機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐基地，建設(shè)了各具特色的先進(jìn)機(jī)器人設(shè)備群及其應(yīng)用環(huán)境，構(gòu)建了面向廣大學(xué)生的“創(chuàng)客空間”，有效地支撐了學(xué)生不同層次的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)[4]。

2.1 控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備群建設(shè)

按照“平臺(tái)模塊化、功能多樣化”的思路，建設(shè)了控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人設(shè)備群(如圖2所示)，支撐專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的實(shí)踐教學(xué)，為學(xué)生夯實(shí)學(xué)科基礎(chǔ)知識、提高動(dòng)手能力提供平臺(tái)環(huán)境。以全向移動(dòng)機(jī)器人開放式綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為例，該平臺(tái)由全向移動(dòng)底盤、控制組件、執(zhí)行組件和傳感器組件組成，可方便增減/更換各型組件，既能完成單一器件的性能實(shí)驗(yàn)，又能支撐復(fù)雜控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，適合不同教學(xué)對象、不同復(fù)雜度、不同難度的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，為學(xué)生深入學(xué)習(xí)“自動(dòng)控制原理”、“自動(dòng)化系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”、“嵌入式控制系統(tǒng)”等課程，提供多層次、全方位的實(shí)踐訓(xùn)練平臺(tái)[5]。該平臺(tái)從2012年開始，支撐了“數(shù)字化裝備接口課程設(shè)計(jì)”、“計(jì)算機(jī)接口與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)”、“嵌入式控制系統(tǒng)原理與應(yīng)用”、“計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“自動(dòng)化系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”等6門(22次)課程，覆蓋學(xué)生近千人次。

圖2 控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人設(shè)備群

2.2 無人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備群建設(shè)

按照“虛擬與實(shí)際結(jié)合、技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)結(jié)合”的思路，建設(shè)了無人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人設(shè)備群及應(yīng)用環(huán)境(如圖3所示)，既支撐學(xué)生深入系統(tǒng)地學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)知識，又為學(xué)生開展對抗式/團(tuán)隊(duì)式畢業(yè)設(shè)計(jì)提供環(huán)境。建設(shè)了大腳攀爬地面無人平臺(tái)、空中四旋翼無人平臺(tái)及其相應(yīng)的仿真平臺(tái)，并考慮無人系統(tǒng)在未來作戰(zhàn)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)場沙盤模型、局部定位系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在沙盤模擬戰(zhàn)場環(huán)境中的無人作戰(zhàn)對抗演練；開發(fā)了三維虛擬對抗平臺(tái)，可進(jìn)行無人系統(tǒng)虛擬對抗作戰(zhàn)；也可將三維虛擬對抗平臺(tái)、空地?zé)o人平臺(tái)實(shí)物、以及局部定位系統(tǒng)結(jié)合，完成虛實(shí)結(jié)合的對抗演練。學(xué)生既可以深入學(xué)習(xí)實(shí)踐機(jī)器人技術(shù)，又可以探討未來無人作戰(zhàn)的應(yīng)用技術(shù)/戰(zhàn)術(shù)，為培養(yǎng)復(fù)合新型軍事人才奠定基礎(chǔ)。

圖3 虛實(shí)結(jié)合的無人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人設(shè)備及應(yīng)用環(huán)境

2.3 機(jī)器人創(chuàng)新基地設(shè)備群建設(shè)

按照“學(xué)科競賽牽引、自主創(chuàng)新研制”的思路，建設(shè)了機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐基地機(jī)器人設(shè)備群[6](如圖4所示)，構(gòu)建綜合創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，為學(xué)生參加高水平機(jī)器人學(xué)科/學(xué)術(shù)競賽取得優(yōu)異成績奠定了基礎(chǔ)。針對RoboCup機(jī)器人世界杯中型組比賽和救援機(jī)器人組比賽，自主研制了全向運(yùn)動(dòng)/全向視覺多自主足球機(jī)器人系統(tǒng)和小型化履帶式救援機(jī)器人系統(tǒng)；針對地面無人系統(tǒng)創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽(UGVC)，自主研制了升降平臺(tái)機(jī)器人和輪履結(jié)合式移動(dòng)機(jī)器人；針對亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽(Robocon)，研制了組合機(jī)器人系統(tǒng)。

圖4 機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐基地機(jī)器人設(shè)備群

2.4 在教學(xué)全過程培育創(chuàng)新文化

培育創(chuàng)新文化要從課堂教學(xué)抓起。以“高級語言程序設(shè)計(jì)”課程為例，設(shè)置機(jī)器人擂臺(tái)賽作為該課程的考核內(nèi)容之一，以興趣激發(fā)學(xué)習(xí)，以問題引導(dǎo)學(xué)習(xí)，組織學(xué)生采用樂高模塊搭建機(jī)器人平臺(tái)，設(shè)計(jì)功能軟件，進(jìn)行對抗比賽。這種學(xué)習(xí)方式啟蒙了學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高了學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，使學(xué)生初步嘗試了應(yīng)用所學(xué)知識分析和解決實(shí)際問題的全過程。又比如“智能機(jī)器人系統(tǒng)”課程，該課程教學(xué)采取綜合使用競賽式的隨堂作業(yè)、綜合性的課后作業(yè)、增大實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)在考核總分中所占比例等手段，讓學(xué)生體驗(yàn)機(jī)器人系統(tǒng)論證、設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試的全過程，增強(qiáng)了學(xué)生的知識綜合運(yùn)用能力。

打造我校機(jī)器人文化節(jié)品牌，營造濃厚的科技創(chuàng)新文化氛圍。經(jīng)過多年的建設(shè)和積淀，文化展廳、名家講座、科技文化節(jié)、學(xué)科競賽、國際學(xué)生科技周等活動(dòng)成為學(xué)校靚麗的風(fēng)景。通過組織學(xué)生科技創(chuàng)新成果展示和觀摩、學(xué)術(shù)講座、系列創(chuàng)新大賽等活動(dòng)，使學(xué)生體驗(yàn)創(chuàng)新帶來的快樂，激發(fā)其探求科學(xué)奧秘的動(dòng)力。學(xué)生從機(jī)器人文化節(jié)中深受鼓舞和啟迪，從而催生了以“蛇形機(jī)器人”、“球形偵察機(jī)器人”、“履帶式救援機(jī)器人” “兩輪直立平衡車”等機(jī)器人為代表的一大批創(chuàng)意奇妙的學(xué)生課外科技創(chuàng)新實(shí)踐作品。

依托對抗式畢業(yè)設(shè)計(jì)和高水平學(xué)科/學(xué)術(shù)競賽，培育升華創(chuàng)新文化。在無人作戰(zhàn)綜合演練對抗式畢業(yè)設(shè)計(jì)中，20余名學(xué)生既要合作攻克機(jī)器人各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，技術(shù)集成后，還要開展背靠背的對抗演練，實(shí)現(xiàn)“技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)的有機(jī)統(tǒng)一”。值得一提的是，依托參加國際級和國家級高水平機(jī)器人學(xué)科競賽的契機(jī)(如圖5所示)，將機(jī)器人世界杯(RoboCup)、亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽(Robocon)、國際地面無人系統(tǒng)創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽(UGVC)比賽中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行有機(jī)分解，作為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，開展團(tuán)隊(duì)式畢業(yè)設(shè)計(jì)，營造合作學(xué)習(xí)、協(xié)同攻關(guān)的創(chuàng)新文化氛圍[7]。

圖5 學(xué)生參加高水平機(jī)器人學(xué)科/學(xué)術(shù)競賽

3 教學(xué)體系實(shí)施階段性成效

3.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量顯著提高

依托該教學(xué)體系，組織實(shí)施了攻防對抗式和團(tuán)隊(duì)式本科畢業(yè)設(shè)計(jì)。以攻防對抗式畢業(yè)設(shè)計(jì)為例，學(xué)生深入學(xué)習(xí)了無人作戰(zhàn)涉及的關(guān)鍵技術(shù)，樹立了無人作戰(zhàn)體系對抗的觀念，培養(yǎng)了解決實(shí)際問題的能力和團(tuán)隊(duì)精神，為學(xué)生畢業(yè)后從事無人作戰(zhàn)相關(guān)技術(shù)研究、無人裝備操作使用和維護(hù)管理等工作打下堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。2012、2013級控制科學(xué)與工程專業(yè)試點(diǎn)表明，對抗任務(wù)設(shè)定激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)高科技的主動(dòng)性，技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)相結(jié)合驅(qū)動(dòng)了能力素質(zhì)的培養(yǎng)，對抗演練提升了學(xué)生對無人作戰(zhàn)內(nèi)涵的理解和技術(shù)裝備的運(yùn)用能力，畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量得到了明顯提高。

依托高水平學(xué)科/學(xué)術(shù)競賽組織實(shí)施的團(tuán)隊(duì)式畢業(yè)設(shè)計(jì)完成質(zhì)量普遍較高，為我校培養(yǎng)了大批的拔尖人才，大部分學(xué)生進(jìn)入碩士和博士階段的學(xué)習(xí)，成為各科研團(tuán)隊(duì)中的研究生骨干；由于創(chuàng)新能力突出，相當(dāng)部分學(xué)生還獲得國家留學(xué)基金委的資助進(jìn)入國外高水平大學(xué)攻讀博士學(xué)位。

3.2 參加學(xué)科競賽成績優(yōu)異

2012年以來，學(xué)生參加各類學(xué)科競賽分別有52人次、407人次、301人次在國際級、國家級、省級競賽中獲獎(jiǎng)。代表性成績包括：在國際賽上，參加RoboCup機(jī)器人世界杯，獲中型組4強(qiáng)2次、6強(qiáng)2次、8強(qiáng)1次，技術(shù)挑戰(zhàn)賽亞軍1次、季軍4次，救援機(jī)器人組比賽第5名，最佳運(yùn)動(dòng)能力單項(xiàng)冠軍；2016年度參加首屆國際地面無人系統(tǒng)創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽(UGVC 2016)，包攬遙控組冠軍和亞軍、自主組冠軍；在國內(nèi)賽場上，獲救援機(jī)器人組冠軍4次、亞軍2次，中型組季軍4次、技術(shù)挑戰(zhàn)賽冠軍3次，標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)組亞軍1次；2012-2013年，連續(xù)兩年獲得Robocon國內(nèi)選拔賽亞軍，分獲最佳技術(shù)獎(jiǎng)、最佳策略獎(jiǎng)。

此外，學(xué)生還獲批國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目12項(xiàng)，獲發(fā)明、實(shí)用新型專利17項(xiàng)。

4 結(jié)語

本文提出并建設(shè)了以機(jī)器人技術(shù)為主線貫通基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的理論與實(shí)踐教學(xué)全過程的控制類專業(yè)教學(xué)體系，按照基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識和前沿技術(shù)三個(gè)層次構(gòu)建學(xué)生全方位的知識體系，以課堂教學(xué)為基石、團(tuán)隊(duì)合作為手段、對抗競技為平臺(tái)，多維度地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新機(jī)器人技術(shù)、解決實(shí)際問題的能力。以機(jī)器人技術(shù)為主線貫通的教學(xué)體系，有效彌補(bǔ)了課堂教學(xué)中動(dòng)手實(shí)踐不足、課程內(nèi)容銜接不足，解決了控制類課程體系和教學(xué)內(nèi)容適應(yīng)人才培養(yǎng)新要求、與時(shí)俱進(jìn)的問題。