吴巧云，曹 翔，周云虎

（安徽大学 人工智能学院，合肥 230601）

机器人工程与国家基础性战略密切相关，是国家重要的发展方向之一。近年来，政府高度重视机器人工程的发展，将其列为“中国制造2025”“新一代人工智能发展规划”等国家战略的重要组成部分，持续加大对机器人工程的投入和支持，推动机器人技术的创新和应用，培育机器人产业集群，加快机器人产业的发展。安徽省也出台了一系列政策来促进机器人产业的发展，在《安徽省新一代人工智能产业发展规划（2018—2030 年）》（以下简称《规划》）中，明确提出要发展智能制造和服务机器人，推动制造业向智能化、高端化、绿色化转型升级；《规划》中还提出，要加快推进人工智能与制造业深度融合，推动机器人技术的应用和发展。为了跟上国家战略的发展要求，满足安徽省机器人相关产业发展的迫切人才需求，安徽大学于2020 年12 月30 日成立了人工智能学院，设立人工智能、机器人工程两个专业，作为实施安徽大学“双一流”建设背景下创新人才培养与“新工科”建设模式的前沿交叉平台。

机器人工程在制造业、服务业、医疗卫生和教育等领域都有着广泛的应用，可以提高生产效率、降低劳动强度、改善生产环境、提高产品质量和服务水平等。因此，机器人工程被视为推动国家经济发展和社会进步的重要手段。机器人工程专业旨在培养具备机器人系统设计与开发、机器人控制与运动规划、机器人传感与感知及机器人系统集成与测试等能力的创新型人才[1-2]。机器人工程技术涉及机械学、电子信息学、计算机科学和控制科学等相关领域的深度融合，是一个跨学科和领域的交叉学科[3]。行业对机器人工程人才的要求不仅需要具备丰富的理论知识，还需要具备更强的工程能力。机器人工程导论作为机器人工程专业的一门核心课程，对培养具有机器人工程实践经验和跨学科综合能力的优秀人才具有关键作用，具有高度抽象性、严密逻辑性、广泛应用性等特点。其内容、思想、方法和语言已渗入自然科学和社会科学，已成为现代化文化的重要组成部分。通过该课程的学习，可以帮助学生在使用高等数学、程序设计基本知识的同时，培养抽象思维能力、逻辑推理与判断能力、空间想象能力、综合应用能力和编程语言及符号的表达能力。

一 机器人工程导论课程教学现状

面向新工科背景下机器人工程专业复合型、工程型人才培养的实际需求[4-5]，针对机器人工程专业的机器人工程导论课程教学的研究尤为迫切。然而，目前机器人工程专业的机器人工程导论课程教学仍然存在一些问题。

（一）课程教学与行业需求脱节

机器人工程导论课程是机器人专业的基础课程，其教学内容涉及机器人的概述、结构与运动学、感知与控制、应用案例及未来发展等方面。然而，在实际教学中，机器人工程导论课程与行业需求之间存在一定的脱节现象。这种脱节主要表现在两个方面。首先，机器人工程导论课程缺乏实践操作和行业应用案例等内容。由于机器人工程导论课程主要以理论知识为主，因此很难让学生真正了解机器人的应用场景和市场需求。这导致一些毕业生在就业市场上难以适应行业需求，从而出现了“学术派”与“实用派”之间的矛盾。其次，机器人工程导论课程教师缺乏对行业需求的深入了解。由于机器人领域的技术更新速度较快，因此教师需要不断更新自己的知识储备，以便更好地服务于学生和行业。然而，在实际教学中，一些教师缺乏对行业需求的深入了解，导致他们无法把理论知识与实际应用相结合，从而使机器人工程导论课程与行业需求之间产生了脱节现象。

（二）课堂教学内容及方式安常守故

机器人工程导论教学内容涉及机器人的概述、结构与运动学、感知与控制、应用案例及未来发展等方面。然而，在实际教学中，机器人工程导论课堂教学内容及方式却往往安常守故，缺乏创新和多样性[6]。首先，机器人工程导论课程的教学内容往往比较死板，缺乏新颖和前沿的知识。由于机器人技术的更新速度很快，因此教师需要不断更新自己的知识储备，以便更好地服务于学生和行业。但是，在实际教学中，一些教师仍然沿用老旧的教材和教学大纲，忽视了新兴技术和热点领域的涉及。其次，机器人工程导论课堂的教学方式也比较单一，缺乏多样性和灵活性。由于机器人工程导论课程主要以理论知识为主，因此很难让学生真正理解和掌握机器人的实际应用和操作技能。在实际教学中，一些教师仍然采用传统的讲授方式，缺少互动和实践环节，使得学生的学习兴趣和动力不足。

（三）课程教学资源和平台不足

在实际教学中，机器人工程导论课程教学资源和平台往往不足，这给学生的学习和发展带来了一定的影响[7]。首先，机器人工程导论课程教学资源不足。在实际教学中，一些教师缺乏教学资源，无法提供足够的教材、案例和实验设备等资源，这给学生的学习和发展带来了一定的困难。因此，在机器人工程导论课程的教学中，应该加强对教学资源的投入和管理，提供更多的教材、案例和实验设备等资源，以更好地支持学生的学习和发展。其次，机器人工程导论课程教学平台不足。在实际教学中，一些教师缺乏教学平台，无法提供足够的实验平台和交流平台等资源，这给学生的学习和发展带来了一定的障碍。因此，在机器人工程导论课程的教学中，应该加强对教学平台的投入和管理，提供更多的课程、实验平台、交流平台等资源，以更好地支持学生的发展和学习。此外，可以加强与行业的合作，利用行业资源和平台来支持机器人工程导论课程的教学和发展。

（四）课程考核方式不全面

机器人工程导论课程考核方式对于学生的学习和发展至关重要。然而，在实际教学中，机器人工程导论课程的考核方式往往不够全面，缺乏实际操作和综合能力的考核，这给学生的综合素质提高带来了一定的影响。首先，机器人工程导论课程的考核方式往往只注重学生对理论知识的掌握程度，缺乏对实际操作能力和综合素质的考核。在实际工作中，机器人专业的从业人员需要具备一定的实际操作能力和综合素质，而这些能力和素质往往无法通过传统的笔试和口试来考核。因此，在机器人工程导论课程的考核方式中，应该加入更多的实际操作和综合素质考核内容，以更好地评估学生的能力和素质。其次，机器人工程导论课程的考核方式往往缺乏多样性和灵活性。在实际教学中，一些教师仍然采用传统笔试和口试的方式来考核学生，忽略了其他考核方式的重要性。然而，随着信息技术的不断发展，现代教育已经越来越注重多样性和灵活性，因此在机器人工程导论课程的考核方式中，应该加入更多的多样化和灵活化的考核方式，如实验报告、项目作业、小组讨论等，以更好地评估学生的能力和素质。

本文对原有的机器人工程导论课程教学资源优化整合，更新理论教学方法，以期实现机器人工程导论课程与机器人工程专业课的衔接；并开展与课程配套的创新实践项目研究，编制相关的机器人实验，以期构建适合机器人工程专业的机器人工程导论课程的教学新体系，培养学生抽象思维能力、逻辑推理与判断能力、空间想象能力和编程语言及符号的表达能力。此外，在教学过程中注意引导学生形成负责任的人生态度，至诚至坚；对人和事考虑周到，积极应对人生的困难，承担起社会责任[8]，博学笃行。

二 教学改革内容和主要措施

本文是以机器人工程本科专业的机器人工程导论课程的教学改革为主要研究内容，通过运用理论教学、机器人实验和应用案例相结合的教学方式，让机器人实体与人工智能（AI）思想相融合，建立具有凸显机器人工程专业特色的机器人工程导论课程，实现机器人结构设计与运动控制思想的渗透及创新意识的培养，同时注意引导学生形成负责任的人生态度，对人和事考虑周到，积极应对人生的困难，承担起社会责任，从而培养具有良好机器人学基础和较强机器人工程能力的人工智能领域人才，具体研究内容如图1 所示。

图1 本项目研究内容示意图

（一）精准定位课程教学目标

结合《工程教育认证标准》和人工智能学院本科专业的特色，定位机器人工程导论课程的教学目标为“多元化”培养，强调对学生的机器人学相关知识的深度和广度及机器人控制思想的培养。因此，机器人工程导论课程的教学目标是培养学生：①理解机器人的基本概念和分类，帮助学生理解什么是机器人，机器人的分类、构成和工作原理等基本概念，为学生进一步学习和研究机器人奠定基础；②掌握机器人开发的基本流程，让学生深入了解机器人开发的基本流程，从而掌握机器人的开发流程、制作流程、测试流程等，给学生提供从微观到宏观的全面了解机器人开发过程的机会；③学会使用机器人软硬件开发工具，让学生掌握机器人软件和硬件的开发工具，包括机器人控制器、传感器、编程语言等，为学生开发机器人提供指导，这对有志于从事机器人开发的学生来说非常重要；④了解机器人应用的现状和未来趋势，了解机器人在各个领域中的应用现状和未来发展趋势，例如机器人在工业制造、医疗保健、家庭服务等领域中的应用现状，让学生对机器人技术的前景有更加深入的了解；⑤增强科技人文素养，让学生从机器人工程的角度思考科技与社会的关系，深入了解技术的本质和技术对社会、环境、人类文明的影响，引导学生形成负责任的人生态度，对人和事考虑周到，积极应对人生的困难，承担起社会责任，增强学生的科技素养和人文素养。通过以上教学目标的达成，学生将能全面了解机器人的基本概念和分类、机器人开发的基本流程、机器人软硬件开发工具的使用等知识，熟悉机器人在各个领域中的应用现状和未来发展趋势，并增强科技人文素养和对技术的认识，为其今后从事机器人研究和开发奠定坚实的基础。

（二）依据教学目标设计教学内容

根据机器人工程导论课程的教学目标，结合工科专业的侧重点，从以下三个方面进行教学内容的设计：①在不降低学生机器人学基础理论学习要求的同时重视机器人在工业场景中的应用，尤其是在大数据人工智能时代中的应用背景，在工科专业机器人相关教学内容的基础上，要求学生深入理解机器人的概念、发展历史、应用领域和未来趋势；机器人运动学原理和基本控制方法，包括轨迹规划、运动分析、控制算法等；机器人感知技术，包括机器视觉、声音识别、力传感器等；机器人操作系统的基本框架和编程语言，包括ROS、Python、C/C++等。②紧贴大数据人工智能时代的科技发展新成果，及时更新教学内容。现如今，大数据和人工智能已被提升到国家战略层面，无论是相关的理论研究还是在应用场景的产业落地都可以成为课堂教学的鲜活素材，丰富教学内容。因此，授课教师必须改变教学模式，掌握人工智能技术的最新动态和研究进展，对授课内容的更新跟上科技创新发展的速度。③创新教学形式。在每个模块的学习开始时，会有一个讲述这个模块内容的讲座，这个讲座将介绍机器人的基本知识，并解释机器人关键概念；本课程将提供大量案例研究以帮助学生理解机器人更广泛的应用，学生将需要分析和解释这些案例，探讨机器人如何应用在不同的领域中；实验室将提供机器人设计和控制的实践机会，学生将亲自实践机器人编程和控制，以加强对机器人课程的理解；研讨会将提供学生机器人规划和控制问题的机会，这些研讨会将扩展学生的思考，有助于他们更好地理解和把握机器人的设计和控制。

（三）打造机器人工程导论AI 的生动课堂

课堂的构建要从封闭性、被动性转向开放性、主动性。这种开放和主动要求老师有目的地引导学生积极主动地完成学习任务，从而更好地提高课堂教学质量。课堂教学可以凭借知识讲授+案例分析+成果展示的模式，形成具有特色的机器人学AI 课堂，通过融入人工智能发展的最新动态和研究成果，开拓学生视野，启发学生思维，再通过配套一定比例的机器人实验，让机器人学理论的知识更加生动有趣，使得学生对机器人学概念的理解更加深刻。比如一个实际案例：在计算机三维视觉中，基于激光雷达传感器的三维点云数据配准与移动机器人导航有着密切的关系。移动机器人导航是指机器人在未知环境中进行自主移动和定位的过程。在移动机器人导航过程中，需要获取环境中的三维点云数据，并进行配准、融合和建图，以便机器人能够准确地感知环境并进行自主导航。三维点云数据配准的问题描述如下。

值网络v（·）输出对当前策略的评估。图2 展示了三维点云配准结果，左图是输入的移动机器人在两个相邻时刻传感器获取到的三维点云数据，右图是用本案例的模型将这两个点云数据配准到同一坐标系下的结果。通过这个案例，学生在学习了机器人导航建图概念的基础上，可以更深刻地理解理论和公式的含义，也了解了相关技术的应用场景。

图2 三维点云数据配准结果

（四）丰富教学考核方式

机器人工程导论课程的教学考核方式应该丰富多样化，以满足不同学生的学习需求和能力水平。首先，传统的随堂测试和作业是必不可少的。随堂测试可以检验学生对知识点的理解和掌握程度，作业可以让学生在课堂外巩固所学知识。但是，单纯的随堂测试和作业往往难以全面评估学生的能力水平。其次，实践操作也是非常重要的。机器人工程导论课程中，学生需要亲自动手操作机器人，才能更好地理解机器人的原理和控制方法。因此，可以设置实践操作考核环节，让学生在实际操作中检验自己的能力。再次，小组讨论也是一种非常有效的教学考核方式。在小组讨论中，学生可以交流彼此的想法和看法，从而更好地理解机器人的原理和应用。此外，小组讨论还可以提高学生的团队合作能力。最后，项目设计也是一种非常重要的教学考核方式。在机器人工程导论课程中，可以设置项目设计任务，让学生在团队中设计、制作、控制机器人。通过项目设计，可以让学生在实践中掌握机器人的原理和应用，并提高学生的实际操作能力和团队合作能力。综上所述，除了传统的考试和作业外，可以结合实践操作、小组讨论、项目设计等形式，提高学生的实际操作能力和团队合作能力。只有这样，才能更好地培养出具备实际操作能力和团队合作能力的机器人专业人才。

三 结束语

本文针对目前传统机器人相关基础课程教学过程中过于注重理论教学的不足，结合安徽大学人工智能学院机器人工程本科专业设置的特点和人才培养的目标，对标机器人工程本科专业人才培养标准，积极对该课程的教学改革进行探索。尝试将创新实践应用引入到课堂教学，将理论教学与实践创新结合，提高学生解决问题的能力，使得机器人控制思想与人工智能思想互相渗透。此外，在机器人相关实战培训中，引导学生考虑各种可能情况和处理方法，积极应对困难，承担起社会责任，形成负责任的人生态度。本次课程教学改革研究主要特色和创新表现在以下几方面。

1）机器人工程导论课程教学目标凸显机器人工程专业特色，在传统课程教学沿用梳理专业以逻辑推演为主的基础上，使得人工智能与机器人学互相融合。

2）课程中应用案例与实验教学相结合，更新“新工科”和“大数据”背景下机器人在各领域中的应用案例，紧跟时代的步伐。

3）完善建立具有人工智能学院机器人工程专业课程特色的考核方式，充分反映和提高学生的综合素质。