以新工科人才培养为导向的“智能机器人技术”创新教学方法探索

［摘 要］ 智能机器人是我国《“十四五”智能制造发展规划》的重点发展方向，也是我国新工科高等教育发展背景下的重要培养方向。“智能机器人技术”课程作为机器人专业的本科必修课程，融合了多门课程的知识，内容多、难度大，传统的教学方法与新工科人才培养要求相脱节。通过从教学理念、教学内容、教学策略三方面对该课程进行深刻剖析，提出了以新工科人才培养为导向的教学方法，力求提高学生学习兴趣，激发学生对机器人领域研究的积极性。

［关键词］ 智能机器人；新工科；教学改革；人才培养

［基金项目］ 2023年中山大学教学质量与教学改革工程项目“智能机器人线下课程建设”（教务〔2023〕96号）

［作者简介］ 李孟棠（1991—），男，四川成都人，博士，中山大学智能工程学院助理教授，副研究员，硕士生导师，主要从事智能机器人控制研究；谭 佳（1991—），女，陕西西安人，硕士，深圳市大疆创新科技有限公司高级人力资源专家，主要从事科技人才培养研究。

［中图分类号］ G420 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）46-0009-04 ［收稿日期］ 2023-08-29

引言

目前，数字经济以空前的速度迅猛发展，覆盖范围广泛且影响深远，为全球经济注入了新的动力和活力。习近平总书记指出，发展数字经济是把握新一轮科技革命和产业变革新机遇的战略选择［1］。作为数字经济时代最显著的工具，机器人正在深刻地改变着人类的生产方式和生活方式，智能工具的“机器人化”已无处不在，各种形态的机器人构建了一个让人类与机器共融的精彩世界，创造出了全新的数字化生产和生活图景。机器人在推进科技创新、推动产业升级、维护国家安全和保护人民健康等方面的作用越发关键，已经成为评估国家创新能力和产业竞争力的重要指标［2］。因此，为适应新时代对机器人领域人才的需求，许多高校开设了机器人相关专业课程，并不断积极改革，从发展定位、人才培养到教学体系等方面全面提升教育教学水平［3］。同时，为主动适应新兴技术创新和产业变革的挑战，教育部于2016年首次提出了新工科的概念，以培养适应新时代背景下需求的专业技术人才。随后，教育部于2018年进一步探索了新工科建设的新模式和新理念，并认可了首批新工科研究和实践项目，于2019年成立了全国新工科教育创新中心［4］，也有诸多高校针对新工科背景下本科机器人教学开展了教育教学探索［5-7］。

一、新工科背景下“智能机器人技术”课程特点

机器人相关专业课程的教学质量直接影响到我国先进制造产业和未来人工智能产业的人才水平，因此，准确把握课程特点和改革趋势是提升教学质量的关键所在。笔者根据多年从事国内外高等学校机器人课程的教学经验，总结了“智能机器人技术”的课程特点，分析了改革的必要性。

（一）多学科交叉的特点

“智能机器人技术”课程作为机器人专业的本科必修课程，融合了“高等数学”“线性代数”“理论力学”“自动控制原理”“传感器原理”“人工智能”等多门课程的知识，旨在为机器人专业的本科生普及机器人系统整体概念，同时夯实基础知识，使学生能够对机器人系统进行数学建模、运动规划及控制系统设计，课程内容繁多且难度较大。这一多学科交叉的特点使得很多本科生在初学阶段容易迷失方向，无法站在全局高度理解智能机器人整体系统，或无法联系各类相关课程知识。因此，必须充分认识到课程多学科交叉的特点，才能深入改革教学理念。

（二）理论与实际相结合的特点

由于本科阶段的学生刚修完“高等数学”“线性代数”等理论性较强、抽象性较高的课程，心态还停留在应试解题的阶段，无法理解“智能机器人技术”课程中诸多概念及方法的本质目的，导致学生容易停留在公式的具体细节而无法透彻理解公式背后的意义，往往仅能死记硬背公式并解答套路固定的问题。同时，传统的教学内容易拘泥于对数学基础知识的讲授，使学生在面对实际的机器人时无从下手，无法准确应用所学知识解决实际问题。因此，准确认识到课程理论与实际相结合的特点，才能有效改进教学内容。

（三）鼓励创新思维发展的特点

相较于诸如“高等数学”“线性代数”等基础课程每道题目都有固定的解题思路与正确答案，机器人作为复杂的智能系统，在解决同一问题时则有多种思路。例如，为使一辆平面移动机器人能够更加快速地避开障碍物到达终点，可通过添加传感器获得额外环境信息，或优化导航寻路算法，或重新设计机器人的移动关节，进而更加快速地驶向终点，这都是可行的策略。对此，课程要鼓励学生进行创新设计，大胆提出想法假设并小心论证实践。切实认识到课程鼓励创新思维发展的特点，才能有效改进教学策略。

二、新工科背景下“智能机器人技术”教学分析与改革

如上所述，新工科背景下“智能机器人技术”课程相较传统工科机器人课程存在诸多特点，因此传统的教学理念、教学内容、教学策略已然不再适用，“智能机器人技术”教学亟须改革。基于这些考虑，本文将从上述三个方面进行分析，研究新背景、新要求下的教学方法，并提出相应的改革措施，以提高课堂教学质量，更好地培养学生的理论学习和实践应用能力，为我国培育新工科人才。

（一）教学理念的改革与创新

1.面向新工科的教学架构转换。“智能机器人技术”是机器人相关专业学生的本科必修课程，也是后续机器人相关课程的重要基础课程。然而，传统的机器人课程始终将机器人系统的理论框架和知识体系作为授课的重点，力求从严谨的推导中构建完备的知识内容，对于课程习题也更讲究解题的逻辑性与技巧性。这就导致学生在面对难度较大的课程内容时，容易陷入消极被动的状态，放弃对知识内容的理解，最终将精力放在解题技巧的掌握上从而应付考试。

在新工科背景下需要转变思路，以解决实际问题为导向。首先向学生阐述问题背景及解决其的意义，然后从理论层面推导所需数学物理公式，最后辅以实际例题让学生理解并掌握方法。例如，在教授使用旋量理论求解串联机械臂的正向运动学时，如果拘泥于理论本身，学生极易失去兴趣或者陷入对数学公式的理解中。因此，可以先把基于旋量的正向运动学公式当作“黑盒”，让学生知道输入是机器人各关节角，输出便是所需求的机器人末端位形，由此让学生理解公式的意义及用途；然后再进一步推导公式，侧重解释数学概念；最后通过工业机械臂的实际例题，让学生充分理解。如此转变教学架构，在教授好课程理论基础的前提下提升学生应用课程知识解决处理工程问题的实际能力，实现提高学生理解课程知识、用好课程知识的目的。

2.立足多学科交叉的教学方案设计。“智能机器人技术”课程涉及了多门课程知识，涵盖了各领域相关概念，具有很强的学科交叉特点。传统教学方案通常在课程前半段统一进行关联学科的知识回顾，力求形成结构顺畅的教学方案。然而这种教学方案往往会让学生失去兴趣或者把握不住课程的主要内容，最终降低了课程整体学习兴趣与学习效率。

以新工科人才培养为导向的创新教学方法，需要以机器人知识为主要脉络串通整个教学方案，同时在涉及交叉关联学科时加以温习回顾，并且联系运用到所讲机器人知识体系中，使教学更加层次分明，突出重点，保证学生的学习兴趣与效率。以中山大学智能工程学院为例，学院致力于培养新工科人才，在智能科学与技术本科培养方案中有“高等数学”“线性代数”“理论力学”“自动控制原理”“传感器原理”“人工智能”“机器学习”等核心课程，其中一些课程是本门课程的基础，而“机器人导航与制导”“多智能体集群控制”等课程又是在本门课程基础上的延伸和对前沿的探讨。因此，笔者在设计“智能机器人技术”课程教学方案时，以机器人相关知识点为主线进行讲解，在讲授涉及其他学科的知识时，从背后的数学理论知识出发，带领学生从数学基础与所学机器人专业知识的内在联系入手，明确目标知识点，巩固基础理论，最后辅以案例分析，强化理解认知。例如，对刚体运动的建模，先利用常见的四旋翼飞行器为例引出刚体位置和姿态的意义，接着运用齐次变换矩阵表示位置和姿态，此时可适当回顾“线性代数”的相关知识点，便于学生理解数学推导的理论基础；对于以Chasles-Mozzi定理表述的刚体运动，涉及矩阵指数的泰勒展开，此时再适当回顾“高等数学”将事半功倍。

（二）教学内容的改革与创新

1.以实际应用为导向的教学内容。作为机器人专业本科核心课程，“智能机器人技术”的教学一直都以课程学习作为教学引入理由，这样的教学缺乏学习动机的介绍与相关理论知识的应用背景，学生难免对学习的目的产生困惑，从而失去兴趣，产生应付作业、应付考试的想法。

笔者认为，在安排教学内容时，应结合本专业培养目标与课程特点及自身科研经验，对授课内容进行适当补充，穿插一些实际应用案例作为例题及大作业习题，解决学生对学习的目的与意义方面的困惑。这样学生将有对课程内容理解上的过渡，更容易对教学内容产生兴趣，也可以带着问题学习，提高听课效率。例如，在讲解串联机械臂逆运动学时，笔者以Universal Robot UR5工业机械臂为案例，让学生为规划好的末端执行器位形求解逆运动学，并通过观察实际机器人运动，深刻理解逆运动学的目的及准确求解其的意义。

2.差异化定制的教学内容。由于本科阶段的学生刚修完“高等数学”“线性代数”等理论性较强、抽象性较高的课程，心态还停留在应试解题的阶段，对于理解“智能机器人技术”课程中诸多概念及方法的本质目的存在一定困难，学生容易停留在公式的具体细节而无法透彻理解公式背后的意义，往往仅能死记硬背公式并解答套路固定的问题。同时，学生本身的数理学科基础、对机器人方向的感兴趣程度、学习热情及效率等存在较大差异，如果以统一的教学内容，则难以平衡课堂教学难度及教学质量。

结合新工科人才培养导向，需要合理优化并定制差异化的教学内容。例如，笔者教授的“智能机器人技术”课程采用了哈尔滨工业大学出版社徐文福编著的《机器人学：基础理论与应用实践》及机械工业出版社于靖军译著的《现代机器人学：机构、规划与控制》。结合我院新工科人才培养的理念，笔者对教材内容进行了适当删减和优化。例如，在教授刚体姿态描述时，选择着重讲解螺旋变换，对于传统的欧拉角变换作为概念性介绍，避免了教学内容过分聚焦复杂的数学场景，侧重了知识点意义本身及应用场景。

（三）教学策略的创新

1.鼓励创新思维，调动学习兴趣。本科生刚修读完的“高等数学”“线性代数”等基础课程，针对每道题目都有固定的解题思路与正确答案，而机器人作为复杂的智能系统，在解决同一问题时有着千变万化的思路，如此时再要求学生都有固定的思路则可能扼杀学生的学习热情，降低学习效果，因此，需要鼓励学生创新思维，激发学习兴趣。例如，在讲授路径规划时，需要使一辆平面移动机器人能够更加快速地避开障碍物到达终点。笔者收到了学生多种多样的解决方案，有的学生通过额外添加更加先进的传感器获得额外环境信息进行导航，有的学生优化了导航寻路算法，有的学生重新设计了机器人的移动关节，这些都是可行的策略，教师应对每种方法表示肯定，同时讨论优化完善相应策略。如此鼓励学生进行创新设计，大胆提出想法假设并小心论证实践，才能充分调动学生的学习兴趣，提高教学质量。

2.打破常规授课，赋予学生主动。在“智能机器人技术”的教学中，通常会以课上教师授课、课下学生巩固练习的方式进行，而对于课下巩固练习则以课后作业为主。这就依赖于学生对于授课内容的自主学习。如果只是单纯上课听讲，课下不勤加练习的话，很难做到知识的完全掌握。同时，除了课上的讲解外，还可加强课堂互动。以常见的定理讲解来说，在教师完成理论推导的基础上，可请学生简单说明自己的见解，帮助厘清证明思路，也可站在学生的角度看学生是如何理解这些内容的，这样也能在后续的内容中更好地帮助学生理解。同时，笔者设计了以3人为小组的课程作业，给予多个开放性题目，让学生自行探索问题，提出创新解决方案，完成算法设计、仿真或实物验证，并在课堂上展示汇报，同时相互提问，挖掘项目未来可行之路。这样的设计能够极大提高学生的学习热情与兴趣，在完成课程作业的同时获得成就感。

三、教学改革成效分析

笔者担任中山大学智能工程学院本科生必修课程“智能机器人技术”的负责人已有3年，以学院2020级、2021级及2022级智能科学与技术专业本科生为例，笔者将本文提出的教学改革方法在课堂应用实践后，对学生的学习热情、学习成果等方面均产生了显著影响，期末成绩优秀学生占比分别为22%、25%、27%，不及格学生占比分别为5.5%、5.2%、4.8%。同时，上述新工科人才培养导向的“智能机器人技术”创新教学方法，使得本科生对机器人领域兴趣倍增，与机器人相关的大学生创新创业项目和毕业设计项目数量逐年增多。由此可得出结论，本文提出的新方法有效提高了学生的学习兴趣与学习成绩，激发了学生参与机器人相关领域研究的积极性与主动性。