李一錦，王晶

（中國礦業(yè)大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083）

隨著近些年科技的發(fā)展和產業(yè)的變革，智能機器人受到越來越多的關注。各個行業(yè)對智能機器人及其相關技術的需求非常迫切，因此培養(yǎng)滿足市場需求的機器人領域高級人才是高校人才培養(yǎng)的一個重要任務。為響應國家創(chuàng)新驅動發(fā)展、《中國制造2025》、“互聯網+”等一系列重大戰(zhàn)略需求，新工科專業(yè)建設應運而生[1]。新工科建設對人才培養(yǎng)質量提出更高的要求[2]。機器人工程專業(yè)就是在新工科背景下建立的，以培養(yǎng)機器人產業(yè)、 智能制造等領域創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才為目標的多學科綜合專業(yè)[3]。該專業(yè)涉及控制工程、計算機、人工智能、微電子、傳感器、新材料、仿生技術等多個學科，具有典型的交叉學科性質[4]。2016年，東南大學首先開設了機器人工程本科專業(yè)。至2020年，全國已有200 多所高校開設了機器人工程本科專業(yè)。機器人工程專業(yè)的培養(yǎng)方案和教學方法已經逐漸系統(tǒng)化和專業(yè)化，但仍需要進一步探索。

智能機器人技術主要包括感知、控制、驅動和交互四大技術特征。其中，機器人感知與人機交互技術是其實現自主智能行為的關鍵。通過感知技術，機器人將環(huán)境中各種有用信息及時采集并反饋給控制系統(tǒng)。通過交互技術，人與機器人之間可以實現雙向通信。機器人感知與交互技術能夠融合多種傳感器技術以有效地適應環(huán)境變化，充分發(fā)揮人類的高級規(guī)劃智能和機器人執(zhí)行智能，實現人機優(yōu)勢互補，對于提高機器人復雜環(huán)境適應性和操作便捷性具有重要意義[5-7]。因此，機器人感知與交互技術是機器人工程專業(yè)學生從事相關科研、工程設計和開發(fā)必須掌握的核心技能之一，該課程成為機器人工程專業(yè)培養(yǎng)方案中非常重要的一門課程。本文以《機器人感知與交互技術》課程為例，分析該課程的內容和特點，并探索該課程的教學方法。

1 課程介紹

中國礦業(yè)大學（北京）于2019年開設機器人工程本科專業(yè)并開始招生?！稒C器人感知與交互技術》是機器人工程專業(yè)本科生的一門專業(yè)核心課，于第5 學期開設。該課程總計48 學時，其中理論課40 學時，實驗課8 學時。機器人感知與交互技術課程的體系框架如圖1所示。本課程按內容可以分為感知和交互兩大部分。

感知系統(tǒng)依賴多種傳感器，如視覺、力覺、觸覺、姿態(tài)覺等，實現相關信息的獲取、融合、理解及控制。本課程著重介紹力覺傳感器、 觸覺傳感器以及傳感器解耦方法，要求學生掌握傳感器的基本原理和應用。當傳感器技術應用于機器人領域時，需要考慮其與機器人其他模塊的集成。因此，感知部分也介紹機器人交互技術涉及的感知和認知基礎相關內容，如人的感知基礎、知覺特性、認知過程等。

交互系統(tǒng)主要實現人與計算機之間的信息交換。人們可以通過鍵盤、鼠標、操縱桿、位置跟蹤器等設備，用手、腳、聲音、姿勢等向計算機傳遞信息。本課程的交互部分主要包括三個方面。首先總體介紹人機交互框架，交互模式和模型以及三維圖形交互。第二部分介紹物理性人機交互，包含基于鍵盤、鼠標、手柄、數據手套的機器人交互，以及物理性人機交互的交互傷害分析和交互安全策略。第三部分介紹認知性人機交互，包括基于手勢視覺識別的機器人交互。

本課程的實驗部分共8 學時，安排兩次實驗，如圖1所示。感知技術部分，安排機器人力覺傳感器解耦方法實驗，指導學生采用多種方法，如最小二乘法、BP 神經網絡、支持向量機等，完成傳感器輸出數據的解耦。該實驗能夠加深學生對傳感信息的精確獲取、 多傳感器信息融合等內容的理解。交互技術部分，安排機器人三維圖形交互實驗，基于Open Inventor 建立精確逼真的機器人模型及工作環(huán)境，實現機器人運動的模擬仿真。該實驗對機器人任務離線模擬與驗證、實時在線操作和控制等方面的應用具有重要指導意義。

圖1 機器人感知與交互技術課程體系框架

2 課程特點分析

機器人工程是在新工科背景下建立的一個多學科的綜合性專業(yè)。機器人感知與交互技術正是面向機器人工程專業(yè)新開設的一門課程。準確把握課程特點對制定課程教學方法具有重要意義。該課程的特點主要包括以下幾個方面：

（1）理論性強。作為一門專業(yè)核心課程，本課程內容涵蓋很多基礎理論，如感知系統(tǒng)的設計原則和方法、傳感器的原理、交互的設計原則和框架、交互的原理和設計方法等。這些理論將在機器人感知與交互系統(tǒng)分析和設計過程中起到重要指導作用，是構建完整感知與交互知識體系的基石。重視課程的理論基礎，將有助于學生后續(xù)課程的學習，更好地推動相關實踐及創(chuàng)新環(huán)節(jié)的開展。

（2）不同章節(jié)的內容之間關聯性強。本課程雖然按照內容可以分為感知和交互兩個部分，但兩部分之間具有很強的相關性，綜合起來構成機器人的感知與交互系統(tǒng)。感知部分不同于傳統(tǒng)的傳感器技術，本課程充分結合機器人背景，內容圍繞機器人感知展開，同時考慮機器人交互所涉及的感知和認知基礎。交互部分，無論是物理性交互或認知性交互，都融入了信息感知和傳感器的部分。因此本課程不同章節(jié)的內容之間關聯性強，需要從系統(tǒng)角度、整體角度把握課程內容。

（3）強調實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。本課程是一門應用性極強的課程。感知與交互技術的應用范圍非常廣泛，所有機器人都必須配備相應的感知與交互系統(tǒng)，才能正常發(fā)揮其功能。同時，根據機器人的功能不同，其感知與交互系統(tǒng)的設計與實現也千差萬別。通過本門課程的學習，要求學生具有實踐能力和創(chuàng)新能力，能夠針對復雜工程問題的提出滿足特定需求的解決方案。

（4）課程內容更新快。機器人技術不斷朝著自動化、智能化、微型化的方向發(fā)展，發(fā)展速度極快。課程內容需要不斷更新，以適應社會需求和行業(yè)需求。

3 課程教學方法探索

近年來，教學方法不斷改革創(chuàng)新，但“以學生為中心，以產出為導向，持續(xù)改進”的理念和原則始終不變。通過改革教學方法、創(chuàng)新教學形式、強化實踐環(huán)節(jié)等，激發(fā)學生的學習興趣和潛能，發(fā)揮學生的主觀能動性，鼓勵學生積極參與到課堂中，加深學生對知識的理解，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。機器人感知與交互技術課程是一門兼具理論性和應用性的課程，由于機器人工程專業(yè)開設不久，可借鑒的針對本門課程的教學方法和體系仍不完善，因此本門課程教學方法的制定要尤為謹慎，提出以下幾點思考。

（1）強調理論教學的重要性?；纠碚撌菢嫿ㄍ暾R體系的重要基石，也是本課程的教學重點和難點之一。學生只有掌握了基本理論和基本方法，才能在此基礎上進行應用和創(chuàng)新研究。例如感知模塊，課堂教學要求學生掌握傳感檢測的基本原則、 基本原理和評價準則。以此為理論基礎，當遇到新的感知模塊時，學生能夠進行類推，快速掌握要點，提高學生學習新知識的能力。

（2）鼓勵動手實踐，加強實踐能力的培養(yǎng)。本門課程安排了8 個實驗學時，利用機器人專業(yè)實驗室，通過完成實驗來培養(yǎng)學生的動手能力和實踐能力，但這對工科學生來說遠遠不夠。由于課程具有很強的應用性，可以通過與相關企業(yè)達成合作意向或者實訓意向，為學生提供接觸工業(yè)現場的機會。通過現場的參觀、交流以及見習等，加深學生對理論知識的理解，培養(yǎng)學生的實踐能力，及時了解工業(yè)現場以及市場需求，引導學生有針對性地進行能力提升，適應行業(yè)需求。

（3）創(chuàng)新項目輔助。中國礦業(yè)大學（北京）的大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（大創(chuàng)項目）開設在第4-6 學期。機器人感知與交互技術課程開設在第5 學期，正是“大創(chuàng)”項目開展的關鍵階段。本專業(yè)的“大創(chuàng)”項目一般圍繞機器人相關技術展開，通過本課程的學習，鼓勵學生將所學知識運用于“大創(chuàng)”項目，為機器人增加或者完善感知與交互模塊，在研究中積累實踐經驗，通過發(fā)現問題、討論、提出解決方案、調試、解決問題的一系列過程，加深學生對知識的理解，鍛煉學生的實踐能力。

（4）競賽引導。機器人領域的學科競賽活動非常豐富，如北京市大學生機器人大賽、華北五?。ㄊ?、自治區(qū)）大學生機器人大賽、中國機器人大賽暨RoboCup 大賽等。校內的團學組織也組織了相關的科技競賽，如智能小車循跡大賽等。通過鼓勵學生積極參加機器人領域的學科競賽，以解決問題為導向，引導學生綜合運用所學知識，設計機器人系統(tǒng)，進一步加強創(chuàng)新能力和實踐能力的培養(yǎng)。

（5）前沿追蹤，開闊學生的視野。近年來，機器人技術正飛速發(fā)展，機器人感知與交互技術作為機器人技術的重要部分，也不斷經歷更新與迭代。僅依靠教材的更新是不夠的。因此，通過合理利用開放教學資源，補充了解學習國內外教學網站的學習資料，將有助于加強學生對課程內容的理解。同時，鼓勵學生查閱機器人感知與交互領域的相關文獻，了解行業(yè)前沿，緊跟科研及產業(yè)發(fā)展動態(tài)，不斷更新開闊自己的認知和視野，將有利于學生未來的研究生學習及相關領域就業(yè)。

（6）設置持續(xù)改進措施，提高教學效果。教學要堅持以學生為中心，學生“學得好”才是教學的目標。本課程是機器人工程專業(yè)的新開課程，教學經驗積累較少。通過設置學生反饋、隨堂測驗等環(huán)節(jié)，進行教學過程跟蹤，加強與學生的溝通，及時把握學生的學習動態(tài)，深入了解學生的學習難點，了解學生需求，有針對性地調整教學方法和教學內容，逐漸實現學生“學得好”的目標。

4 結語

機器人感知與交互技術是機器人工程專業(yè)的一門專業(yè)核心課。本文介紹了課程內容體系，分析了課程特點，提出了對課程教學方法的幾點思考。機器人感知與交互技術課程具有理論性、交叉性、實踐性、前沿性等特點，因此在教學中應重視理論基礎，加強實踐能力的培養(yǎng)，結合大學生創(chuàng)新項目和學科競賽等培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，追蹤前沿發(fā)展動態(tài)，開闊學生視野。同時，設置持續(xù)改進機制，不斷完善教學效果。