劉艷，張偉，李艷君，王雪潔，陳琢，潘樹文

（1.浙大城市學(xué)院 信息與電氣工程學(xué)院，浙江杭州 310015；2.浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)字信息技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 310018）

在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革下，新興行業(yè)的出現(xiàn)需要多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，即新工科人才[1-2]。這就要求高等院校培養(yǎng)類似自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生時(shí)，除了要求他們?cè)谀骋粚W(xué)科專業(yè)領(lǐng)域理論扎實(shí)、學(xué)業(yè)精深之外，還要具有學(xué)科交叉融合、實(shí)踐操作和科技創(chuàng)新的能力。同時(shí)，自從學(xué)校轉(zhuǎn)設(shè)公辦普通本科后，實(shí)施了面向全國范圍內(nèi)招生的政策，當(dāng)期教學(xué)中出現(xiàn)了一些問題。

以移動(dòng)機(jī)器人為代表的人工智能設(shè)備是未來智能裝備發(fā)展的方向，涉及傳感器、信息處理、自動(dòng)控制、導(dǎo)航等基本技術(shù)。另外隨著移動(dòng)機(jī)器人的市場(chǎng)需求以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，其涉及的研究內(nèi)容變得更寬泛，研究技術(shù)和方法變得更多，具有鮮明的多學(xué)科交叉融合特征，特別適合培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新、跨界和開發(fā)的核心競(jìng)爭(zhēng)力[3]。本文提出了構(gòu)建以移動(dòng)機(jī)器人為核心的自動(dòng)化專業(yè)機(jī)器人方向教育體系和實(shí)踐平臺(tái)，并制定措施保障教學(xué)體系的順利實(shí)施，提高了自動(dòng)化類專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，取得了階段性成果。

1 以移動(dòng)機(jī)器人為核心的教學(xué)體系

以移動(dòng)機(jī)器人為主線的機(jī)器人方向課程教學(xué)體系將科學(xué)知識(shí)掌握和應(yīng)用能力培養(yǎng)并重，該體系不依賴于學(xué)科知識(shí)分類和課程性質(zhì)等要求，而體現(xiàn)在基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的學(xué)科知識(shí)的“跨界”上。

1.1 培養(yǎng)方案的修訂

我校在新修訂的自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)方案中，設(shè)置了關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的三門必修課和三門選修課，分別是《智能機(jī)器人設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)》《智慧物流技術(shù)應(yīng)用》《智能機(jī)器開發(fā)實(shí)踐》《機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)踐》《機(jī)器人創(chuàng)意設(shè)計(jì)與實(shí)踐》《智能電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)》。以上六門課程構(gòu)建了移動(dòng)機(jī)器人課程體系，將學(xué)科知識(shí)和素質(zhì)融于能力培養(yǎng)之中，以能力培養(yǎng)為核心，以學(xué)科知識(shí)為支撐。這些融合既可以發(fā)生在課程內(nèi)，也可以發(fā)生在課程間，課程不再是相對(duì)獨(dú)立的知識(shí)單元，課程之間存在必然有機(jī)的連接關(guān)系，形成了課程之間有機(jī)連接的網(wǎng)形結(jié)構(gòu)。

課程設(shè)計(jì)在時(shí)序上按照完成移動(dòng)機(jī)器人實(shí)際任務(wù)所需要的知識(shí)學(xué)習(xí)時(shí)序、能力訓(xùn)練時(shí)序、工作流程時(shí)序和產(chǎn)品流程時(shí)序進(jìn)行安排。

課程體系中課程內(nèi)容由課程目標(biāo)決定，是《教學(xué)大綱》負(fù)責(zé)解釋的范疇?；趶呐囵B(yǎng)目標(biāo)到課程內(nèi)容的銜接關(guān)系，即a培養(yǎng)目標(biāo)-b畢業(yè)要求-c畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)-d課程體系-e課程目標(biāo)-f教學(xué)內(nèi)容。進(jìn)行從a到f是反向設(shè)計(jì)，從f到a是正向?qū)嵤?。課程內(nèi)容取決于課程結(jié)構(gòu)，課程結(jié)構(gòu)決定課程內(nèi)容。結(jié)構(gòu)是內(nèi)容的框架，內(nèi)容是結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。采用文獻(xiàn)中筆者認(rèn)為的系統(tǒng)、完整、有效的教育部職業(yè)技術(shù)教育中心研究所研究員、應(yīng)用型課程建設(shè)聯(lián)盟主席姜大源教授的“工作過程系統(tǒng)化”的方法[4]，使得教學(xué)有效性大大提升，最終實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)可以更加有效地達(dá)成。

1.2 培養(yǎng)方案執(zhí)行

在新修訂的人才培養(yǎng)方案的執(zhí)行過程中優(yōu)化了網(wǎng)狀課程體系結(jié)構(gòu)，深化了各門課程內(nèi)容的層層遞進(jìn)關(guān)系。對(duì)《智能機(jī)器人設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)》《智能機(jī)器人開發(fā)實(shí)踐》和《機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)踐》的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了改革，如將機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS引入了《機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)踐》課程中，將樹莓派用作《智能機(jī)器人開發(fā)實(shí)踐》的上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)高級(jí)控制技術(shù)，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到了《智慧物流技術(shù)應(yīng)用》課程中。

該培養(yǎng)方案行之有效的關(guān)鍵在于將課堂教學(xué)、設(shè)計(jì)實(shí)踐和科研創(chuàng)新融會(huì)貫通，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)的興趣和熱情，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的理解和掌握，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)和技術(shù)創(chuàng)新、獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，為畢業(yè)設(shè)計(jì)、認(rèn)知實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)或繼續(xù)深造打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 以移動(dòng)機(jī)器人為核心的實(shí)踐平臺(tái)

2.1 移動(dòng)機(jī)器人競(jìng)賽平臺(tái)

以移動(dòng)機(jī)器人為核心的課外實(shí)踐主要是大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽[5]和大學(xué)生科研[6]。目前所涉及的競(jìng)賽有RoboCup、中國機(jī)器人大賽、中國服務(wù)機(jī)器人專項(xiàng)賽、浙江省大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽、中國高校智能機(jī)器人創(chuàng)意大賽（浙江省大學(xué)生智能機(jī)器人創(chuàng)意競(jìng)賽）、全國大學(xué)生機(jī)器人大賽-RoboMaster、全國大學(xué)生機(jī)器人大賽-RoboTac、全國大學(xué)生機(jī)器人大賽-RoboCon等。

2.2 大學(xué)生科研及創(chuàng)客平臺(tái)

與移動(dòng)機(jī)器人相關(guān)的大學(xué)生科研項(xiàng)目主要有校級(jí)大學(xué)生科研、省新苗、創(chuàng)客項(xiàng)目以及國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。該平臺(tái)學(xué)生參與科研團(tuán)隊(duì)的橫向或縱向關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究課題，產(chǎn)出成果包括發(fā)明專利、實(shí)用新型專利、科技論文、軟件著作權(quán)等。

2.3 校內(nèi)外實(shí)踐基地平臺(tái)

強(qiáng)化實(shí)踐，構(gòu)建校內(nèi)、校外實(shí)踐基地相結(jié)合的應(yīng)用型人才培養(yǎng)實(shí)踐體系。以服務(wù)學(xué)生為宗旨，優(yōu)化管理資源配置，與企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)學(xué)生，進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研合作，建立相對(duì)穩(wěn)定的專業(yè)學(xué)士學(xué)位校外培養(yǎng)基地，為學(xué)生認(rèn)知實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)和深度實(shí)習(xí)構(gòu)建良好的基地平臺(tái)。目前建設(shè)有浙江大華智慧物流實(shí)踐基地、蘇州才炬機(jī)器視覺實(shí)踐基地、杭州納茵特機(jī)器人競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)基地。

3 保障教學(xué)體系實(shí)施的措施

3.1 建設(shè)機(jī)器人社團(tuán)平臺(tái)

以興趣為導(dǎo)向，機(jī)器人社團(tuán)平臺(tái)的面向?qū)ο鬄榇笠槐究粕?，該平臺(tái)包含機(jī)器人、智能制造、無人機(jī)等新技術(shù)元素，學(xué)生通過該平臺(tái)能夠理解相關(guān)對(duì)象的組成、工作原理、應(yīng)用等方面的內(nèi)容，降低學(xué)生參與科技活動(dòng)的門檻，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

該平臺(tái)使用簡單控制器，以使學(xué)生經(jīng)過簡單的學(xué)習(xí)，就可以利用該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)簡單的任務(wù)功能，以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)器人的基本認(rèn)識(shí)、編程邏輯、分析問題、解決問題的能力。

3.2 建設(shè)移動(dòng)機(jī)器人長學(xué)期和短學(xué)期實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

該平臺(tái)的服務(wù)對(duì)象為二、三年級(jí)本科生，建設(shè)目的是學(xué)生可以利用長學(xué)期和短學(xué)期機(jī)器人創(chuàng)新開發(fā)平臺(tái)提供的軟件模塊、硬件模塊和調(diào)試模塊，快速地組建驗(yàn)證驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行創(chuàng)新思想驗(yàn)證，降低學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)的難度，加速創(chuàng)新周期，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)的開展。創(chuàng)新平臺(tái)包括無人機(jī)系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)的整套軟硬件模塊，以及軟硬件模塊的學(xué)習(xí)培訓(xùn)資料。

3.3 建設(shè)移動(dòng)學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽平臺(tái)

該平臺(tái)的服務(wù)對(duì)象為參與機(jī)器人類科技競(jìng)賽和無人機(jī)類科技競(jìng)賽的本科生。包括無人機(jī)類競(jìng)賽和機(jī)器人類競(jìng)賽需要的成熟的硬件模塊、軟件模塊和調(diào)試模塊，有一定基礎(chǔ)的科技競(jìng)賽學(xué)生，利用該平臺(tái)經(jīng)過短時(shí)間培訓(xùn)，可以達(dá)到基本競(jìng)賽要求，而且利用該平臺(tái)可以根據(jù)不同的競(jìng)賽要求開發(fā)出競(jìng)賽作品。建設(shè)該平臺(tái)的目的是：降低學(xué)生參加機(jī)器人類競(jìng)賽的難度，培養(yǎng)學(xué)生參加科技競(jìng)賽的興趣，為科技競(jìng)賽培訓(xùn)活動(dòng)提供物質(zhì)基礎(chǔ)，提高信電學(xué)院在機(jī)器人類科技競(jìng)賽中的成績，促進(jìn)學(xué)生科技競(jìng)賽的發(fā)展。

3.4 建設(shè)移動(dòng)機(jī)器人科研平臺(tái)

該科研平臺(tái)主要是以平臺(tái)設(shè)備為基礎(chǔ)申報(bào)國家級(jí)、省級(jí)、校級(jí)大學(xué)生科研項(xiàng)目和學(xué)校創(chuàng)客項(xiàng)目。通過科研訓(xùn)練培養(yǎng)大學(xué)生綜合能力。一是學(xué)會(huì)通過各種信息檢索工具，查詢國內(nèi)外文獻(xiàn)，提高文獻(xiàn)查詢、分析、綜述能力。二是在科研項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)習(xí)科研支撐知識(shí)和技能，全面和深入拓展獲取和吸收新知識(shí)的能力。三是對(duì)科研項(xiàng)目實(shí)施過程中的成果和結(jié)論，學(xué)習(xí)以文檔資料形式總結(jié)和撰寫，提高文字表達(dá)和歸納整理問題的能力。四是在科研項(xiàng)目的成果展示階段，提高PPT制作和口頭表達(dá)能力。

3.5 建設(shè)移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)

按照“硬件平臺(tái)模塊化、軟件平臺(tái)結(jié)構(gòu)化、機(jī)器人功能多樣化”的思路，建設(shè)了移動(dòng)機(jī)器人設(shè)備群，支撐自動(dòng)化專業(yè)移動(dòng)機(jī)器人專業(yè)方向課和選修課的實(shí)踐教學(xué)，為學(xué)生搭建了適合于不同年級(jí)、興趣以及能力的機(jī)器人平臺(tái)，包括積木編程機(jī)器平臺(tái)、ROS移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)、AI移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)、樹莓派控制移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)、基于STM32的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)、基于Arduino的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)等。

3.6 建設(shè)移動(dòng)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

基于“條件不具備”“實(shí)際運(yùn)行困難”“高危、高成本、高消耗、不可逆、大型綜合”的標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)了移動(dòng)機(jī)器人及關(guān)鍵技術(shù)環(huán)境的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。如機(jī)械臂視覺控制系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和智慧物流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這兩個(gè)項(xiàng)目分別就機(jī)械臂視覺控制過程中二維空間到三維空間轉(zhuǎn)換過程的可視化以及智慧物流系統(tǒng)綜合性路徑規(guī)劃做了虛擬實(shí)現(xiàn)。以上兩個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是從科研成果轉(zhuǎn)化而來，先進(jìn)的科研和行業(yè)成果為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供了豐富的素材，成為資源建設(shè)的重要內(nèi)容，豐富了學(xué)生學(xué)科知識(shí)內(nèi)涵。

4 以移動(dòng)機(jī)器人為核心的教育體系的階段性成效

4.1 參加學(xué)科競(jìng)賽成績優(yōu)異

2015年以來，學(xué)生參加國家級(jí)和省級(jí)各類學(xué)科競(jìng)賽分別有48人次和308人次。關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)目的代表性成績包括中國智能機(jī)器人格斗及競(jìng)技大賽一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、中國高校智能機(jī)器人創(chuàng)意賽國家級(jí)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、小型足球機(jī)器人競(jìng)賽省級(jí)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)。

2021年學(xué)校智能機(jī)器人實(shí)踐團(tuán)隊(duì)僅機(jī)器人類學(xué)科競(jìng)賽獲15項(xiàng)，其中國家一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、國家二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、國家三等獎(jiǎng)4項(xiàng)、華東賽區(qū)的三等獎(jiǎng)3項(xiàng)、浙江省二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、浙江省三等獎(jiǎng)4項(xiàng)。

4.2 畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量顯著提高

依托競(jìng)賽平臺(tái)、大學(xué)上科研項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量較高，每年都有多項(xiàng)作品參與畢業(yè)設(shè)計(jì)作品展；優(yōu)秀設(shè)計(jì)（論文）獲得優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）稱號(hào)，此類論文多數(shù)有大學(xué)生科研過程中獲得的實(shí)用新型專利、科技論文以及軟件著作權(quán)的支撐。

5 結(jié)語

目前學(xué)院經(jīng)歷了學(xué)校轉(zhuǎn)設(shè)公辦、培養(yǎng)方案的修訂，逐漸明確了機(jī)器人方向的建設(shè)路線和人才培養(yǎng)目標(biāo)。以“智能移動(dòng)機(jī)器人”為載體，以開發(fā)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、環(huán)境感知以及任務(wù)實(shí)現(xiàn)等智能化功能為基礎(chǔ)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人思維智能的設(shè)計(jì)與開發(fā)。經(jīng)過多年探索，信息與電氣工程學(xué)院機(jī)器人方向在智能機(jī)器人的人才培養(yǎng)方面已經(jīng)摸索出一套行之有效的模式，這種“以做促學(xué)、以賽促學(xué)，以研促學(xué)”和創(chuàng)新項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的培養(yǎng)模式極大地激發(fā)了學(xué)生的潛力，無論在學(xué)生就業(yè)還是在深造方面都有很好的效果。