摘 要：聚焦復(fù)雜工程問題，以各類大學(xué)生智能機(jī)器人比賽為指引，針對機(jī)器人智能感知與運(yùn)動控制兩個方向的內(nèi)容及特點(diǎn)，整合實(shí)驗室資源，將相關(guān)主干課程的知識點(diǎn)“串”起來，建立了較為完整的智能機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系。通過建設(shè)智能機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系，在培養(yǎng)了學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的同時，提高了學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用中解決復(fù)雜工程問題能力。

關(guān)鍵詞：工程實(shí)踐；智能機(jī)器人；實(shí)驗室建設(shè)；創(chuàng)新競賽；工程認(rèn)證；實(shí)踐教學(xué)體系

中圖分類號：TP249 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-0-04

0 引 言

智能機(jī)器人作為一個極具代表性的系統(tǒng)工程控制對象，融合了電氣設(shè)計、控制理論、通信工程、系統(tǒng)架構(gòu)等多個現(xiàn)代工程學(xué)科。從實(shí)踐教學(xué)的角度，智能機(jī)器人深度融合了電氣自動化專業(yè)的基礎(chǔ)知識，形成了一套專屬智能機(jī)器人的交叉學(xué)科體系。作為實(shí)踐教學(xué)的載體，智能機(jī)器人又是一個將傳感檢測、片上處理器、軟件設(shè)計、智能控制算法、非線性控制理論等融合在一起的復(fù)雜光機(jī)電集成系統(tǒng)[1]，它是復(fù)雜工程問題的一個濃縮實(shí)體。

目前，工程教育專業(yè)認(rèn)證是確保工程教育質(zhì)量的一項重要制度，它作為實(shí)現(xiàn)工程師資格國際互認(rèn)的重要途徑之一，在國際上得到了廣泛認(rèn)可[2-3]。工程教育專業(yè)認(rèn)證以促進(jìn)我國工程教育教學(xué)體系高質(zhì)量發(fā)展為核心，以提升高校工程教育質(zhì)量水平為目標(biāo)，為我國培養(yǎng)了眾多國際級別高級工程師。2019年11月大連海事大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)通過了中國工程教育專業(yè)認(rèn)證，并于2022年6月順利通過中期審核。但在評審過程中，評委指出畢業(yè)生應(yīng)達(dá)到具有“解決復(fù)雜工程問題”能力的要求，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，仍需加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)體系的建設(shè)。其中，“復(fù)雜工程問題”指的是具有復(fù)雜性的工程問題，而非復(fù)雜工程本身的問題。

智能機(jī)器人是理想的綜合性、創(chuàng)新性實(shí)踐教學(xué)載體，建立智能機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系有利于推動實(shí)踐教學(xué)高質(zhì)量發(fā)展。因此，本文聚焦復(fù)雜工程問題，以智能機(jī)器人作為實(shí)踐教學(xué)載體，突出實(shí)驗主體作用，提高實(shí)踐教學(xué)效果，注重開設(shè)綜合性、設(shè)計性和創(chuàng)新性的實(shí)驗項目，其目標(biāo)是提升畢業(yè)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

1 智能機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

針對工程認(rèn)證的要求，各大高校的智能機(jī)器人相關(guān)專業(yè)正積極進(jìn)行教學(xué)改革。以實(shí)際項目中對工程師的職業(yè)要求為引導(dǎo)，提升學(xué)生在求職中的核心競爭力，重視綜合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，設(shè)置小學(xué)期，大幅增加課程設(shè)計環(huán)節(jié)的學(xué)時，也帶來了相應(yīng)的問題，在各類機(jī)器人相關(guān)課程的數(shù)量并未減少的前提下，僅減少了理論課的授課學(xué)時，這樣很容易導(dǎo)致理論與實(shí)踐脫節(jié)，出現(xiàn)快餐式、觀光式實(shí)踐教學(xué)的問題，學(xué)生們學(xué)過的知識很多，但會應(yīng)用的卻很少，或是學(xué)到的課程知識不是系統(tǒng)性的，“見木不見林” 的現(xiàn)象時有發(fā)生[4]。這就要求教師充分利用好實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，設(shè)置綜合性較強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)項目，幫助學(xué)生把各門主干課的專業(yè)知識串聯(lián)起來。

2 聚焦復(fù)雜工程問題的智能機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建

2.1 實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)的總體思路

針對復(fù)雜工程問題的特點(diǎn)，大連海事大學(xué)智能機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)的主攻方向為智能感知與機(jī)器人運(yùn)動控制兩個專業(yè)特色方向。其中，智能感知方向旨在培養(yǎng)學(xué)生對智能機(jī)器人傳感器和多傳感器信息融合等技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用能力。機(jī)器人運(yùn)動控制方向注重培養(yǎng)學(xué)生的控制算法設(shè)計和實(shí)現(xiàn)能力，不僅涵蓋經(jīng)典的PID控制方法，還會深入探索神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)、路徑規(guī)劃、決策樹等先進(jìn)智能算法的應(yīng)用，使機(jī)器人能夠通過語義識別和圖像識別，做出相應(yīng)的運(yùn)動控制決策。

機(jī)器人智能感知與運(yùn)動控制方向涵蓋了大量的專業(yè)知識，與工程教育專業(yè)認(rèn)證對于復(fù)雜工程問題的特征定義相一致，它對于培養(yǎng)學(xué)生對知識的整合與挖掘的能力，提高學(xué)生的工程實(shí)踐素質(zhì)與價值意識具有重要作用[5]。因此，構(gòu)建層次遞進(jìn)的智能機(jī)器人運(yùn)動控制與智能感知實(shí)踐教學(xué)知識體系，可以幫助學(xué)生提高處理實(shí)際工程中復(fù)雜工程問題的能力，鍛煉學(xué)生整體知識結(jié)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)用能力，以培養(yǎng)更為突出的應(yīng)用型人才。

2.2 智能機(jī)器人教學(xué)在專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐中的拓展

“傳感器應(yīng)用技術(shù)”“機(jī)器人控制技術(shù)”“人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)”“自動檢測技術(shù)”“STM32原理與應(yīng)用”“數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)”“自動控制原理”是大連海事大學(xué)自動化相關(guān)專業(yè)開設(shè)的機(jī)器人方向主干課程，各課程都設(shè)置與理論課相對應(yīng)的實(shí)驗課，但實(shí)踐內(nèi)容相對獨(dú)立。由于課程間的橫向開發(fā)協(xié)同性和縱向研發(fā)延展性沒有做到無縫對接，導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)過程中未充分發(fā)掘?qū)W生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力[6-7]，教學(xué)效果不盡人意。

為解決各門專業(yè)課局部知識結(jié)構(gòu)問題，提高學(xué)生應(yīng)對復(fù)雜工程問題的能力，機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)以智能機(jī)器人的智能感知與運(yùn)動控制方向作為切入點(diǎn)，結(jié)合機(jī)器人相關(guān)專業(yè)主干課的特點(diǎn)循序漸進(jìn)地開展相關(guān)訓(xùn)練。在低年級學(xué)生的程序語言設(shè)計與編程實(shí)踐中融入機(jī)器人基礎(chǔ)工程訓(xùn)練，提升學(xué)生針對機(jī)器人運(yùn)動控制方向的算法設(shè)計與分析能力；在中年級學(xué)生的傳感器課程實(shí)驗和課程設(shè)計中，幫助學(xué)生從機(jī)器人系統(tǒng)的整體角度來觀察、分析和解決問題，從而與自動控制原理、機(jī)器人運(yùn)動控制技術(shù)、微機(jī)原理與接口技術(shù)等專業(yè)知識結(jié)合起來；在高年級學(xué)生的綜合性課程設(shè)計、自主創(chuàng)新設(shè)計、理論與技術(shù)研究中，將前沿的人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)學(xué)科知識與深度學(xué)習(xí)、圖像處理、機(jī)器人自主導(dǎo)航、語音識別[8]、傳感器信息融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等多方面知識相結(jié)合，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

這樣，在專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐課的建設(shè)中，智能機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系能夠分層次地貫穿到各年級的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗中，將“自動控制原理”“微機(jī)原理與單片機(jī)接口技術(shù)”“STM32原理與應(yīng)用”等運(yùn)動控制的理論知識點(diǎn)引入到“數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)”“傳感器原理與技術(shù)”等智能感知的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗課中形成有機(jī)整體。機(jī)器人主要功能模塊與專業(yè)課程的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

2.3 以智能機(jī)器人競賽促進(jìn)綜合性實(shí)踐教學(xué)的建設(shè)

智能機(jī)器人系統(tǒng)是真實(shí)智能測控系統(tǒng)的一個濃縮實(shí)體。為了實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人在動態(tài)且不確定的環(huán)境中自主移動，就需要運(yùn)用一系列核心技術(shù)，包括環(huán)境感知、地圖構(gòu)建、自主定位、運(yùn)動規(guī)劃等[9]。圍繞機(jī)器人智能感知與運(yùn)動控制，構(gòu)建了一套與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合的實(shí)踐性教學(xué)體系，以此培養(yǎng)學(xué)生將理論知識應(yīng)用于實(shí)際問題的能力，同時提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和解決復(fù)雜工程問題的能力。

當(dāng)前，各類智能機(jī)器人的軟硬件技術(shù)日益成熟且豐富多樣[10]。針對全國大學(xué)生舉辦的各類智能機(jī)器人創(chuàng)新競賽，如中國機(jī)器人及人工智能大賽、RoboCup機(jī)器人世界杯中國賽、中國機(jī)器人大賽、國際水中機(jī)器人大賽、RoboMaster機(jī)甲大師賽以及Robocom機(jī)器人開發(fā)者大賽等，在經(jīng)過十多年的發(fā)展后，已經(jīng)趨于成熟，并在國內(nèi)眾多高校中產(chǎn)生了廣泛而深遠(yuǎn)的影響。參與這些競賽的過程，能夠有效鍛煉學(xué)生的獨(dú)立思考能力和解決實(shí)際問題的能力。

大連海事大學(xué)在構(gòu)建智能機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系時，充分結(jié)合了智能機(jī)器人競賽的內(nèi)容與特點(diǎn)，對機(jī)器人比賽的原則和機(jī)制進(jìn)行了提煉與簡化。體系內(nèi)設(shè)計了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、陀螺儀運(yùn)動檢測等基礎(chǔ)接口，實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)轉(zhuǎn)速和舵機(jī)擺角的精確讀取。同時，將智能機(jī)器人系統(tǒng)中的關(guān)鍵實(shí)驗?zāi)K，如舵機(jī)（伺服電機(jī)）、直流電機(jī)、光電編碼器、CMOS攝像頭等，融入到相關(guān)的課程設(shè)計中，并建立了多個綜合性強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)項目，有效地將專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)與科技創(chuàng)新競賽活動緊密結(jié)合。

3 智能機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系的實(shí)踐

3.1 軟硬件教學(xué)資源的建設(shè)

針對智能機(jī)器人領(lǐng)域的行業(yè)熱點(diǎn)，大連海事大學(xué)為機(jī)器人與人工智能實(shí)驗室配備了全面的數(shù)字化軟硬件教學(xué)系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)主要包括：MATLAB系統(tǒng)模擬仿真軟件、Python及C++等高級編程語言環(huán)境、Scratch及Arduino等圖形化及嵌入式編程平臺，以及專門的智能機(jī)器人設(shè)計系統(tǒng)和一系列模式識別工具箱。硬件系統(tǒng)主要包括：基于英偉達(dá)開發(fā)平臺的深度學(xué)習(xí)AI智能車、配備多自由度機(jī)械臂的坦克機(jī)器人、機(jī)甲大師機(jī)器人S1系列、無人駕駛智能車實(shí)驗?zāi)Ｐ?、專為船舶智能感知與控制設(shè)計的實(shí)驗平臺、集成機(jī)械手的水下機(jī)器人、機(jī)器仿生魚以及四旋翼無人機(jī)控制實(shí)驗系統(tǒng)等。部分機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)設(shè)備如圖2所示。

為了豐富智能機(jī)器人類課程的綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)，進(jìn)而提升學(xué)生的專業(yè)能力和培養(yǎng)開放性思維，智能機(jī)器人實(shí)驗室搭建了相對完善的專業(yè)機(jī)器人實(shí)驗平臺。該實(shí)驗室所開設(shè)的機(jī)器人相關(guān)課程大致可以分為以下四個核心領(lǐng)域：嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計、智能傳感器應(yīng)用與開發(fā)、模式識別與圖像處理技術(shù)，以及機(jī)器人運(yùn)動控制技術(shù)。實(shí)踐課程與機(jī)器人實(shí)驗設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系見表1。

3.2 智能機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系的實(shí)施

智能機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系以智能機(jī)器人為載體，貫穿基礎(chǔ)實(shí)驗、專業(yè)實(shí)驗、畢業(yè)設(shè)計以及創(chuàng)新競賽等多種實(shí)踐教學(xué)活動。為幫助高、中、低不同年級的學(xué)生分階段地融入到智能機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計中，各階段的具體機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容如下：

第一階段：將典型的Arduino輪式機(jī)器人、RoboMaster S1機(jī)器人作為授課對象，首先讓學(xué)生能夠自主完成基本編程，對電機(jī)的控制方法有一定了解，在此基礎(chǔ)上，學(xué)會簡單機(jī)器人系統(tǒng)的組裝、調(diào)試方法。最后通過讓機(jī)器人跟蹤如矩形、橢圓形等經(jīng)典軌跡的運(yùn)動控制課題，讓學(xué)生對智能機(jī)器人機(jī)構(gòu)原理、編程設(shè)計等有初步的認(rèn)識。

第二階段：學(xué)生能夠通過自主設(shè)計運(yùn)動控制邏輯，初步具備整合各類電子器件以及獨(dú)立開發(fā)智能機(jī)器人控制程序的能力。同時，通過學(xué)習(xí)紅外傳感器、光電編碼器等標(biāo)準(zhǔn)傳感器的相關(guān)知識，學(xué)生能夠完成機(jī)器人跟隨、避障等相關(guān)實(shí)驗。在此基礎(chǔ)上，他們將深入理解和掌握智能機(jī)器人控制系統(tǒng)程序編寫的邏輯，為今后完成更加復(fù)雜的功能打下堅實(shí)基礎(chǔ)。

第三階段：在前兩個階段的基礎(chǔ)上，學(xué)生為了擴(kuò)展智能機(jī)器人的功能，通過更新設(shè)計方案、調(diào)整試驗環(huán)境，并增加傳感器、創(chuàng)新模塊套件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以熟練應(yīng)用各類傳感器來實(shí)現(xiàn)多樣化的功能，如語音控制機(jī)器人小車等實(shí)驗。這一環(huán)節(jié)旨在讓學(xué)生對各種傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理及應(yīng)用方法有更深層次的理解，從而提升學(xué)生的實(shí)際工程問題解決能力[11]。

通過參加比賽或研究課題，學(xué)生得以自主設(shè)計機(jī)器人。這一過程不僅培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，還鍛煉了他們的實(shí)踐能力。在這個階段，學(xué)生能夠深入探索并驗證目標(biāo)識別、路徑規(guī)劃、運(yùn)動控制等處于學(xué)科前沿的算法。例如，他們可以參與到無人車自動駕駛、水中機(jī)器人自主目標(biāo)識別與抓取等實(shí)踐項目中，通過實(shí)際操作來深化理解和應(yīng)用所學(xué)知識。

4 結(jié) 語

通過智能機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系的建設(shè)，大連海事大學(xué)構(gòu)建了層次遞進(jìn)的智能機(jī)器人運(yùn)動控制與智能感知實(shí)踐教學(xué)知識體系，將工程教育專業(yè)認(rèn)證中“復(fù)雜工程問題”的概念具體化。根據(jù)智能機(jī)器人競賽的內(nèi)容及特點(diǎn)，對比賽的規(guī)則和機(jī)理進(jìn)行了簡化，并改造了相關(guān)的機(jī)器人實(shí)驗設(shè)備，以便將其應(yīng)用于專業(yè)課程實(shí)驗與綜合課程設(shè)計中，幫助高、中、低不同年級的學(xué)生有效融入到智能機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計中，從而將智能機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系打造成為一個相對具有開放性的平臺，為學(xué)生的發(fā)展提供良好的實(shí)踐環(huán)境，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、科研素質(zhì)以及實(shí)踐能力。

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