智能科学与技术专业实践教学体系探索

摘要:根据西安邮电学院的现状和智能科学与技术专业的特点,总结自动化学院的办学经验,结合专业特点及专业培养目标,提出以机器人系统为主要实验对象的综合实践教学体系,并对该体系的结构、特点及实施效果进行分析。

关键词:智能科学与技术;机器人;实践教学

1建立突出实践能力的独立实践教学体系

西安邮电学院是以本科教育为主的地方院校,以培养工程应用型人才为其主要责任。工程应用型人才的培养,实践教学尤其重要,实践才能出真知。合理的实践教学体系,对我们能否实现教学目标至关重要。我院的人才培养指导思想是,保证学生掌握基本的理论基础,充分发挥实践教学的作用,丰富实践教学的手段,把教学与实际应用相结合,教学与学科竞赛相结合,教学与教师科研方向相结合,以此带动促进教学。实践教学应尽量与实际应用相一致,通过实践训练强化学生的工程实践意识,培养其综合运用专业知识分析问题、解决问题的能力。

我院实践教学体系打破了依附于理论教学的传统模式,更加重视实践教学的系统性,在内容上统筹设计。该体系理顺了各个实践教学环节,以机器人技术为核心,把课内实验、课程设计、开放实验、业余科技活动、科研训练等教学环节的内容统一规划、合理设置,形成主线清晰、层次分明、内容丰富、难度适当的有机体系。

总的来说,我院实践教学体系分为课内实践教学、课余实践活动两大部分。

1) 课内实践教学。首先,我们在课内实践教学的实验内容上作出了很多调整,通过调整,使不同课程分散的实验内容尽量体现在同样的对象上,进而将不同课程的内容更好地串联起来。其次,对课程设计的题目,我们尽量做到针对性、统一性更强。我院智能科学与技术专业开设了4门专业课程设计,分别是单片机课程设计、机器人竞技、虚拟现实课程设计、专业方向课程设计。专业方向课程设计对应专业的两个方向:机器人技术和智能信息处理。机器人技术方向4门课程设计的内容既相互独立,又相互联系,对应着小型移动机器人的4个组成部分:基本驱动和传感、行为模式控制、图像采集及识别、智能控制及优化。当学生到大学4年级时,就可以制作出一台简单的小型移动机器人。最后是开设实验选修课,即开放实验,我们要求学生在大学3年级必须选择其中1门课程设计,但不限于3年级,也不限1门。实际上开放实验是一种介于课内与课余之间的教学组织形式。

2) 课余实践教学的安排,以引导鼓励学生多学习、多研究、多实践为主要目的,以期形成良好的学习风气。课余实践教学内容上,以学科竞赛作为导向,目的明确,学生的积极性也高。在组织形式上,主要是学生成立业余的科技兴趣小组,由专门的教师以“导师”身份辅导。学生之间形成高年级学生指导低

年级学生的传帮带队伍。目前我院成立的小组有智能车设计小组、机器人擂台赛小组、无线传感器设计小组、电子竞赛兴趣组、网站设计联盟等。我院参加的各项学科竞赛队员基本都从这些业余科技小组选拔。往届参加这些兴趣小组的学生,毕业时就业都很受企业欢迎,工作待遇相对也好一些,充分说明了实践教学环节的重要作用。

2实践教学环节的内容设置

实践教学内容可分为演示性内容、基础技能、原理验证性内容、简单应用性内容、综合设计性内容。具体的教学环节有认识实习、课内实验、上机操作、课程设计、开放实验(实验选修课)、生产实习、毕业设计以及课余科技活动。

演示性内容主要是专业认识实习以及部分生产实习内容。专业认识实习的内容主要有参观专业实验室,演示一些典型实验,例如倒立摆、机器人踢球、机器人擂台赛表演等;观看本专业所从事工作的教学录像,加深对专业的认识,录像内容主要播放专家对智能科学与技术专业的介绍、展望,相关智能产品的展示等。生产实习中的演示内容,主要是指实际生产过程(实际工作内容)的观察认识,是更高层次的一种认识。

基础技能是指通用工具的使用能力学习。它包括计算机基本操作、基本电子仪器仪表的使用、电子元器件的选型及基本检测方法、手工焊接及制版的操作等,学生主要在硬件基础实习中完成这些学习,并在后续实验教学中逐渐加深。

原理验证性内容和简单应用性内容,基本上在课内安排,随理论课同步进行,实验内容是以机器人技术为导向。例如,传感器原理课程,我们在众多种类的传感器中,选择红外传感器、超声波传感器、光电编码器等作为重点,而工业上常用的压力传感器、流量传感器、温度传感器不作为重点。

综合设计性实验内容在课内实验中比较少,主要在课程设计、开放实验、毕业设计以及课余科技活动中进行。4门专业课程设计的内容,对应着小型移动机器人的4个组成部分,既相互独立,又相互联系。学生在一套模板上不断累加,到4年级时,就可以制作出一台简单的小型移动机器人。

开放实验和课余科技活动围绕两个主题开展,一是学科竞赛,二是科研项目,以前者为主。近年来,大学生机器人竞赛的影响越来越大,对智能科学与技术专业实践教学的内容、目标、性质和定位有良好的引导作用。其他相关的竞赛项目,如“全国大学生电子设计大赛”、“挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛”等,同样可以鼓励学生参加。

竞赛是对实践教学的一种综合考验,是对专业教学状况、实践操作能力、创新设计能力以及临场应变能力的全方位检测。相应地,竞赛同时又是促进教学的动力,在某种程度上模仿了某种实际应用,为实践教学指引方向。这是一种关联互动、互相促进的关系。竞争机制也刺激学生更加努力地学习。

3实验平台的建设

根据我院几年来的教学经验,以及本专业课程体系的设置,智能科学与技术专业形成了现在的实践教学体系,如图1所示。其中,第3学年专业方向一的内容包括4门课程的实验:机器人、智能控制、机器视觉、控制电机;专业方向二的内容也包括4门课程的实验:机器学习、数字视频技术、生物特征识别技术、计算智能。第4学年的选修课实验是专业任选课的实验内容,主要有嵌入式控制系统、语音识别技术、机器翻译、数据库设计、电脑围棋等。

根据此实践教学体系,我们决定建立以教学机器人为主要实验设备的实验平台。机器人是一种能够通过程序控制,自主完成某类任务的机器系统。它综合了机械、电子、控制、信息处理、人工智能等多个学科知识,是锻炼学生实践能力、创新思维的良好工具。教育机器人是指应用于教育领域的机器人,它具有良好的开放性和可扩展性,可以根据需要方便地增、减功能模块,进行自主创新,有友好的人机交互界面,便于教学实践[1]。机器人项目有很强的趣味性和挑战性,能有效地激发学生的学习兴趣,使大学的创新教育、实践教育以及专业技术教育拥有了全新的模式,激活和强化了学生的多元能力特长,训练了学生的创新能力、实践能力及自主建构知识的能力。教育机器人创新实践课程帮助学生对产品开发、项目管理等有了直观的认知,同时有助于教师掌握全新的教育理念,有助于学校决策层系统推动教育改革[2]。

机器人教学平台可分为模块化教学机器人和智能机器人系统两大部分,模块化教学机器人,是一种普及型机器人教学工具,它由一套散件组成,可以自由组合,形成多种结构形式,也能实现比较复杂的创意设计。模块化机器人套件主要为创作机器人而设计。它使用32位的处理器和总线式舵机,采用图形化和C语言两种软件开发手段,可处理视频、语音、大容量存储;接口丰富,连接方便。它可由浅入深地指引学生搭建机器人结构并学习传感、执行、控制原理和应用,学习机器人控制算法以及机器视觉、语音识别与合成等复杂处理。它能充分激发学生的创造力,构建出独特的机器人。模块化教学机器人作为机器人、嵌入式系统设计等课程的课内实验设备,还能进行课程设计以及部分开放实验、毕业设计等。利用模块化教学机器人套件,经过适当改造,就可以参加一些机器人竞赛项目。近年,我们使用该组件,参加过机器人武术擂台赛、机器人灭火比赛,取得了较好的成绩,学生得到了很好的锻炼。

智能机器人综合实验平台,是在中型移动机器人

的基础上,增加其他功能单元,组成了一套大型的模块化智能机器人系统。它在结构上包括中型机器人本体部分、多自由度机械手、二维激光测距系统、无线定位导航系统、双目立体视觉系统、语音识别系统等几个部分,它是一个开放式平台,可以根据需要扩展其他的子系统。该系统可进行图像处理方向的实验与研究,如全景图像采集及环境重构、多图像目标跟踪定位、图像压缩、模式识别;机器人运动的智能控制实验:系统分析、系统建模、模糊控制、神经网络控制、多自由度手臂路径规划;超声波、远红外等测量传感器技术实验、多传感器信息融合;网络控制技术、无线传感器网络技术。

智能机器人综合实验平台可实现的实验内容分为两个方向,第一个方向是软硬件相结合的嵌入式设计,内容为机器感知与行为控制,涵盖的课程包括传感器原理及应用、控制电机、机器人以及机器人技术课程设计;第二个是以软件为主的信息处理、智能决策,内容为语音处理与机器视觉、动作规划与决策,涵盖的课程包括智能控制、机器视觉、无线传感器、语音识别技术以及机器人技术课程设计。

4结语

我院以人才培养模式改革为核心,以创新实践为主线,以教学机器人为平台,对智能科学与技术专业的实践教学内容进行了大胆改革,重组了实验体系,带动了本专业的建设和发展,形成特色鲜明的专业人才培养模式。这个实践教学体系的特点体现在两方面:一是各个教学环节之间联系紧密;二是注重发挥课余教学实践的作用。希望通过实践教学,切实为国家、为社会培养高素质的工程应用型人才。

参考文献:

[1] 马志诚,陈敏. 教育机器人在创新实践教学中的应用[J]. 实验科学与技术,2008(12):96-98.

[2] 黄文恺,陈虹. 机器人创新性教学平台的实践与探索[J]. 今日科苑,2009(5):131.

Discussion on Practice System of Intelligent Science and Technology Specialty

WANG Shu-guang

(Automation School, Xi’an Institute of Post and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

Abstract: A practice system using robots as main object is discussed in this paper. This practice systen based on the actuality of Xi’an Institute of Post and Telecommunications and the characteristic of intelligent science and technology, specialty the teaching experience during this years, fits the goal of the specialty. At the same time, this article analysises the configuration, the characteristic and the effects of the practice system.

Key words: Intelligent Science and Technology; robot; practice system