交叉学科背景下机器人校企协同育人平台建设

马宏斌 王英丽

收稿日期：2023-05-21                                                          修回日期：2023-06-20

作者简介：马宏斌，男，副教授，研究方向为保密通信、特征工程、物联网人工智能；王英丽，女，副教授，研究方向为网络安全、图像处理。

基金项目：黑龙江大学高等教育教学改革工程“交叉学科背景下机器人校企协同育人平台建设研究与实践”（2020C15）、

“‘课项赛一体化’背景下‘数字孪生’式创业实践金课程建设”（2020C17）

摘    要：在交叉学科背景下，传统行业跨界融合与转型升级成为新的发展模式，新一代信息产业也需要跨学科强交叉的专业人才。高等教育学科设置专业性较强、较深，影响专业人才培养向多学科融合转型。学科交叉不能一蹴而就，需要与创新创业教育相结合，才能培养具备创业基本素质的开创型人才。黑龙江大学“机器人技术”课程教学内容与课程体系改革项目，依托黑龙江大学与深圳市大疆创新科技有限公司合作的教育部产学合作协同育人项目（以下简称“大疆产学合作协同育人项目”），预期建立完善的机器人技术创新创业课程与平台，借助深圳市大疆创新科技有限公司在机器人技术方面的产业与技术优势，发挥产教融合协同育人作用，为不同专业学生提供参与创新创业项目与竞赛的技术支撑平台。

关键词：机器人技术；交叉学科；校企协同育人

中图分类号：G640      文献标识码：A      文章编号：1002-4107（2024）02-0051-03

一、引言

交叉学科需要具有明确的研究对象，以及通过多学科理论和方法交叉融合解决的新科学问题和现象，具有形成相对独立的理论、知识和方法体系的发展潜力。科技市场与社会需求对交叉学科人才有规模性、持续性的迫切需求，这对专业人才培养提出更高的挑战。在成果积累扎实、教师队伍结构合理、人才培养条件优良的前提下，设计体现交叉学科强融合力和适应市场需求的课程群是解决上述问题的一种方法。

二、跨学科建设引进校企产学合作协同育人

高校新兴交叉学科是经济社会发展的现实需求，但是不同学科由于研究对象、研究角度、研究方法及研究载体不同，且各自形成了相对独立封闭的学科壁垒，导致交叉学科建设面临着挑战[1]。新一代电子技术的科技革命和产业变革，需要产业系统打破专业隔阂，推动传统教育系统放开学科边界，培养跨学科融合的复合型人才[2]。高校应依托科技与经济社会需求和国家重大发展战略，跟踪科技创新与学生就业发展，制定新兴交叉学科建设方案与创新人才培养目标。

教育部数据显示，产学合作协同育人项目无论是在数量上还是质量上都实现了快速发展，打造了多主体协同育人的长效机制，构建了产教融合、校企合作的良好生态。依托校企协同育人平台，高校可以将高等工程教育与产业发展紧密关联，而产业技术突破也有利于高校推进新兴交叉学科建设，明确学科专业人才培养目标，培养科学基础厚、工程能力强、综合素质高的工程科技人才[3]。

三、产学合作黏合跨学科专业推动课程建设

课程建设是学科发展之本。高校只有规划核心课程体系、融合关键学科理论知识、强化强交叉的专业知识技能，才能应对新一代IT（Information Technology，信息技术）建设发展的产业要求，实现跨学科专业融合的创新创业人才培养。交叉学科课程体系建设，可以提炼核心专业知识点，构建关键知识链，形成重要专业知识网，还可以设置关联课程关系、培养专业技能的课程群，进一步形成强耦合的课程体系[4]。理论结合实践的专业课程，不仅有核心知识点和知识链，而且能培养重要的专业技能。

以学科理论为基础，自下而上地开展教学活动，并不适合开展交叉学科建设。如何发挥产业优势，通过产教融合，寻找跨学科自上而下的融合模式、合作方式、人才培养模式，是高校创新创业人才培养的重点[5]。尤其是GPT（Generative Pre-trained Transformer，生成式预训练模型）

技术逐步完善与上线服务，对学科专业技能产生巨大冲击，影响专业人才目标的设定，对交叉学科专业提出了更高更新的技术能力要求，也为跨学科专业课程建设提出新的挑战。

大疆产学合作协同育人项目，主要是为了推动Robo-

Master机甲大师系列竞赛在高校落地生根，与高校合作建设机器人教學竞赛平台，设置机器人技术理论与实验教学内容，规划机器人实践活动。机甲大师系列竞赛需要电子信息、机械机电、计算机、新闻传播、信息管理等不同专业学生参与完成，项目融合不同学科的竞赛特性，对于设置跨学科机器人专业课程，具有重要的借鉴价值[6]。在工程应用层面，机器人技术包含电子信息、计算机、机械机电等学科的研究、设计、开发、应用、展示技术能力，可以面向不同的行业和产业提供专业服务，以支撑地方经济发展需求[7]。在理论层面，机器人技术综合了多学科技术，且多个学科专业都有机器人相关技术科研攻关方向。因此，“机器人技术”是跨学科专业的融合点，可以作为交叉学科承上启下、横向关联的专业课程。

机器人技术在行业产业中应用广泛。不同学科的专业侧重亦有不同，规划课程教学活动是后续关键问题。机器人技术由于融合算法与软硬件技术，因此，专业人才培养目标的技能要求不仅需要依托多平台连接模块实现系统设计，而且要求学生掌握依托AI（Artificial Intelligence，人工智能）算法提高算力改善系统性能的能力。在教学活动中，“机器人技术”不仅可以展示知识技能新旧技术演变、交替、融合过程，而且可以组合、融合其他课程，成为跨学科知识网重要结点课程。电子工程学院相关专业都有机器人科研需求与课程支持，是“机器人技术”课程落地生根的土壤。

在新版人才培养方案中，物联网工程专业设置了“机器人技术”课程，与“计算机组成原理”“微机原理”“嵌入式操作系统”“数字图像处理”等课程组成机器人课程群，将机器人技术融入本科教学，丰富了物联网专业感知智能课程模块的教学活动，也为专业学生指引了就业方向。

四、产学合作项目深度融入教学活动

机器人技术包含跨学科的专业知识点，因此，教学设计的首要问题是定位电子信息类专业，结合学科特征规划教学活动和专业内容。根据大疆产学合作协同育人项目和机甲大师系列竞赛，建设大疆标准通用设备、专业研发设备硬件平台，并据此设计“机器人技术”课程教学活动与实验实践教学内容。次要问题是在为各专业学生提供学习内容和服务支持方面，发挥机器人技术融合交叉学科的特点，基于融合交叉学科和创新创业的社会需求，设计课程的教学模式和方法。最终问题是聚焦大疆产学合作协同育人项目及机甲大师系列竞赛，制定与课程群耦合的基础应用、专业设计、创新融合3个教学单元和活动内容，并据此整合课程平台和教学评价标准。

（一）基础应用教学单元

在大疆入门级设备硬件平台基础上，设计机器人基础应用教学单元。通过大疆EP项目教育机器人S1和入门级Tello飞行器，学生学习掌握机器人运动、抓取、放置、目标识别、飞行状态控制等基本功能和控制方法。教学单元包括编制麦轮机器人与飞行器演示型教学内容；编制电机控制、智能语音、目标图像识别基本验证型教学内容；编制采用Python编程基本设计型教学内容。基础应用教学单元以专业学生为主，同时兼顾其他专业学生。

（二）专业设计教学单元

在大疆专业开发硬件平台基础上，针对专业学生设计机器人专业平台研发教学单元。课程教学通过 Arduino 和大疆 RoboMaster 开发平台（STM32），学习掌握使用通用平台采集信号与处理、图像处理、C/C++编程技术，设计制定组装麦轮小车，编程实现小车自主行进、循迹、目标识别的设计型教学内容，指导学生掌握控制机器人的专业平台技术和编程设计方法，培养学生使用现代化工具解决机器人复杂工程问题的能力。在实验项目内容中，制定检测识别速度、循迹复杂标记、路面坡度、识别计算路径、视频处理等不同类型的工程项目指标，并参考指标考核教学活动达成情况和设置教学评价标准。在教学活动中，引入机甲大师校内赛成果作为课程考核评价指标，学生不仅可以培养创新创业意识与能力，而且可以依此获得创新创业学分，同时也可以积累就业发展的经验与技能。

（三）创新融合教学单元

在前期平台基础上，引入英伟达GPU（Graphics Pro-

cessing Unit，图形处理器）开发板、树莓派（Raspberry Pi）等通用专业硬件平台，在掌握通用平台与研发方法的基础上，指导学生将专业知识应用于项目与竞赛中，在工程应用中掌握机器人专业知识和技能，并拓展延伸至创新创业中。参考机甲大师系列竞赛要求，课程教学综合多媒体信号处理、电机、通信传输、智能算法、机械设计等实验内容，分组设计不同功能机器人，遵照竞赛标准考评课程实现成果。在创新创业、专业竞赛、社会实践活动中，培养学生组织管理和团队协作的领导能力[5] 。创新融合教学单元注重设计自主创新实验内容，突出专业知识的应用创新，与基础应用和专业设计教学单元组成阶梯式教学活动，各单元关联互补，组成全面和完善的课程体系。

五、机器人课程优化推进协同育人

本科教学应以学生为中心，以产出为导向，规划课程的教学内容与活动，提高学生学习的达成度。“机器人技术”课程依托多学科理论知识和多学科专业技能，理论知识和实践活动具有明显的跨学科特点。设置课程时需要考虑跨学科因素，参考课程知识链和知识网，制定与专业培养目标一致的课程目标。教学内容需要关注以下几个方面的问题。

第一，课程专业性、学术性较强，教学内容与专业知识不可能顾及所有学科和专业，规划好电子信息类教学内容是充分利用平台的基础。

第二，课程研发测试环境千差万别，通用平台兼容性强却无法胜任专业研发需求，需要创建切实可行的课程平台，以避免专业平台建设的跟风投入和盲目扩张。

第三，课程涵盖广泛的跨学科知识，受限于有限的教学课时，需要设置合理的理论和实践教学比重，解决学习达成度理论化、形式化的问题，着重强化专业技能的培养质量。

第四，课程基础知识和实现技术内容繁杂，工程应用内涵外延丰富，需要有针对性设置实验实践教学内容，提高学生学习兴趣，明确的学习目标是提高达成度的前提。

信息通信與信号处理是电子信息类学科的研究对象。专业课程中信号采集控制、信息通信传输、信息处理存储、软硬件系统研发不仅形成知识链，而且也是“机器人技术”课程的重要技术。该课程结合学科知识，凝练专业相关的理论方法，优化提炼平台的3个主要课程内容。设置机器人多媒体信号采集、传输控制、接口编程的实验内容，作为基础应用教学单元的教学内容；参考国内一流公司3个级别竞赛项目作为学习内容和考核目标；基于STM32、树莓派、GPU等嵌入式平台，设置图像处理、控制算法的实验内容，作为专业设计教学单元的教学内容；依托机器人创新创业竞赛与项目，设置专业创新创业实验内容，作为创新融合教学单元的教学内容。明确通识型演示验证实验、专业型综合设计实验、专创融合型创新设计实验3个级别的教学内容，确立专业课程体系建设内容和教学活动，进而确定平台建设方向和具体实施路线。

六、协同育人平台创新特色

校企协同育人平台提供了专业与产业的接口，理论研究与工程应用相结合的接口，而“机器人技术”课程平台体现了这个接口的实效与创新。课程建设是高等教育学科发展的基石，融合产学研追踪科技市场需求，优化改进教学模式和教学内容，是保持专业知识先进性和体现专业价值的基本任务。

首先，课程平台服务物联网工程专业教学，提供完善的“机器人技术”课程理论与实验教学资料，既可以服务实验教学活动，又可以服务校级选修课、学生科技活动。依托大疆产学合作协同育人项目，规划设计实验实践教学活动，在黑龙江大学智能机器人社团、电子工程学院开放实验室、机器人夏令营活动中，为非工科专业学生学习机器人技术提供了机器人演示内容。非工科专业学生直观接触了通用机器人的操作、控制、编程等教学内容，不仅开拓了视野，而且了解了机器人对不同专业的影响和重要作用。课程平台建设了系统课程资源，方便不同学科学生认识机器人，了解机器人的功能特性，学习掌握控制机器人的方式方法，丰富了校园创新创业活动。

其次，通过“以赛促教”，以OBE（Outcome Based Edu-

cation，成果导向）模式提高人才培养达成度。课程基于机甲大师校内赛、夏令营等竞赛制定考评内容，在竞赛目标驱动下，引导学生完成比赛项目，掌握运用专业技能解决复杂工程问题的能力。课程以竞赛内容作为教学评价依据，以竞赛完成效果作为教学评价指标，并将竞赛完成效果作为选拔参加 RoboMaster机甲大师系列竞赛国赛和分区赛队员的条件，精确分解知识点评分标准，量化了课程目标达成度。

最后，课程平台融入大疆产学合作协同育人项目工程实践内容，将多学科理论、技术与方法应用于社会实践，培养学生勇于突破创新的能力。深化拓展校企产教合作协同育人领域，建立机器人教学平台与创新实践实验室，参照竞赛要求设计教学内容，提高学生专业技术能力。在此基础上，指导学生参加国家级、省级、校级创新创业项目，指导学生参加与其他学科融合的各种级别竞赛与创新创业活动，实现“以赛促创”。

七、结束语

学科发展依托互联网、物联网、人工智能科技市场需求，也要适应高等学校创新创业教育的发展需求。大疆产学合作协同育人项目研究机器人技术产教研的深度融合，在推进产学合作协同育人项目中，规划建设了课程体系、实践基地、课程教材、创新创业项目等教学活动和教学内容。在新一代信息技术变革的背景下，提高了理论实践教学水平，明确了特色创新人才培养目标，并且在学校开展的夏令营、校级机器人竞赛活动中，通过教学活动检验了项目的成效。

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■ 编辑∕王力