面向智能专业教学的仿真实验平台建设

周 璐1，2，许 林1，2，刘忠信1，2，刘景泰1，2

（1．南开大学计算机与控制工程学院，天津300071；2．天津市智能机器人技术重点实验室，天津300071）

摘要：智能专业作为具有工科特色的新兴专业，实验教学是必不可少的环节。文章阐述如何依托科研项目带动教学实验，建设仿真实验平台。举例介绍实验平台中的几个具体实验项目，说明通过科研与实验教学的互动，可以丰富智能专业的教学资源，提升教学方法，使科研成果和科研难题有新的“用武之地”。

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关键词 ：智能科学与技术；实验教学；仿真实验平台

基金项目：南开大学2014年本科重点教学改革项目；中国科协高校科普创作与传播试点项目( 2012KPZP183)；国家自然科学基金项目( 61375087)；2015年南开大学研究生创新计划项目。

第一作者简介：周璐，女，中级实验师，研究方向为智能机器人技术、虚拟仿真技术、机器人科普教育，zhoulu@nankai.edu.cn。

0 引 言

南开大学智能专业建设依托机器人与信息自动化研究所，至今已走过十个年头，坚持科研带动教学是我们专业建设的特色思路。通过几年的认真研究和发掘，一批面向智能专业教学的仿真实验平台应运而生。

1 仿真实验平台建设背景

众所周知，智能科学技术是一个融合计算机、人工智能、模式识别等研究领域的交叉性学科，这些前沿技术也是当前智能科学发展的动力和源泉。我们尝试将科研成果与智能专业教学相结合，用高水平的学术研究反哺课程教学，使科研项目作为优秀的教学资源，传承到课程改革实践中。

很多高校智能专业的教师团队大部分需要从事教学、科研双重工作。教师将自己或团队中的科研成果开发成适合学生的教学实例，既能让科研资源发挥作用，又能将自己的研究理念传授给学生，使课程的开展更加得心应手。

绝大部分智能专业学生毕业后继续从事相关领域的深造和技术工作，因此教师的工作更加贴近前沿的科研技术、贴近实际的实验教学，能使学生的科研素养和实践能力得到更大的提高。

2 在智能专业教学实践中的作用

首先，仿真平台应用于教学实验具有很多好处：该平台相对于枯燥的公式推导和计算，起到丰富教学内容、优化演示效果、提升教学能力等作用；相对于实体机器操作，有节约成本、拓展实验领域、降低安全风险等作用。

其次，我们建设的仿真实验平台由多个仿真系统组成，这些仿真系统均来自机器人所承担的重大课题和实际科研项目。以智能科学与技术专业的教学内容为大纲，我们在充分发掘这些仿真系统功能的基础上，设置了对应的实验项目。这些实验项目相对于传统实验，更关注技术的前瞻性，更有利于培养学生的综合设计和创新能力。

最后，这种教学方法除了传授给学生前沿的知识以外，还能逐渐提高学生对研究性学习的兴趣，更有利于培养具有实践本领和创新精神的高素质人才。

3 平台建设情况

3.1 将实验项目分类设计

南开大学组织学位委员会专家和一线教师，根据智能科学与技术专业的培养方案，制定了实验教学大纲。根据实验教学大纲，教师们经过多次研讨，选定恰当的实验项目，并将实验项目分为基础型、综合型、创新型3类。

(1)基础型：主要培养学生的基本实验技能，使之了解知识原理，巩固和加深基本理论，在此基础上重点培养学生掌握基本实验工具、基本实验方法、计算机辅助工具、科学仿真与计算软件的使用方法，培养学生的实验技能，为以后学生进行更综合的实验打下基础。

(2)综合型：以提高学生的设计能力和综合能力为主，实验内容侧重于综合应用本课程的知识及相关课程知识，设计并完成有一定难度的实验。学生要分析实验中的现象，最后通过数据整理实验结果，完成全过程实践。

(3)创新型：安排学生参与兼具研究性和探索性的大型实验。该类实验题目往往是从科学研究、实际科研项目、大型工程实践等项目中提炼出来的子课题或子系统。教师应该指导学生通过分析实际问题，提出创新解决方案，并进行优化比选。

在安排实验项目内容时，要求任课教师注重增加综合型和创新型实验项目，并及时更新实验项目的内容，使实验项目既能反映本学科理论的最新发展，又能将教师的科研成果引入实验教学。

目前，在仿真实验平台建设方面，我们将科研成果应用于本科教学中，初步建立了两个创新型仿真平台和两个综合型仿真平台。

3.2 具体实验项目举例

1)虚拟机器人仿真开发实验（创新型）。

学生可以在图形化界面下进行机器人设计、搭建，并通过系统的MATLAB接口实现虚拟运行，从而驱动自己搭建的机器人。

机械设计对于智能专业学生的培训并非重点，应该更多地关注在建立三维模型后，对机器人和工作任务的控制环节。本套仿真系统的三维建模功能可以让学生轻松上手，简单快速地搭建机器人，类似拼搭乐高积木。同时，虚拟机器人可以与轨迹规划相结合，在虚拟场景中让机器人运动起来。图1为学生搭建的虚拟移动机器人以及它在Simulink环境中的轨迹规划和运动仿真。离线编程模块可以让学生用简单的编程语言控制机器人运动。本实验可以应用于机器人学／机器人学导论等课程的实验教学，训练学生的设计能力和建模能力。

项目来源：中国科协高校科普创作与传播试点项目( 2012KPZP183)。

2)可配置多机器人仿真开发实验平台（综合型）。

图2为可配置多机器人仿真开发实验平台，通过双工业机器人仿真平台，学生可以在图形化界面下学习机器人的相关知识，巩固机器人学中正逆运动学、雅克比矩阵、轨迹规划等重要概念，也可以通过算法设计，完成关节限位、避碰检测、路径跟踪等任务级作业，从而更好地理解工业级机器人的各项控制方法。该实验可以应用于机器人学／机器人学导论、机器智能基础等课程。

机器人工作空间和奇异点问题需要较为复杂的计算和推导，理解起来有些抽象，但通过仿真系统进行演示非常直观。学生可以将自己规划的算法或关节空间下控制序列输入系统，验证自己的实验效果。

项目来源：竞争型机器人遥操作机理的研究( 60575048)，国家自然科学基金；双臂机器人协调集成技术及其复杂作业的研究，国家863项目。

3)多机器人视觉仿真系统（综合型）。

图3为多机器人视觉仿真系统，使用了MATLAB编程环境将机器人的各个关节参数实时地显示出来，学生可以在熟悉的MATLAB界面下，在系统中实现视觉伺服相关理论、核心算法。该仿真平台可以让学生综合锻炼视觉伺服参数标定、算法验证、误差分析等能力，能够应用于机器智能基础等课程。

机器视觉作为智能专业的主干课程，在本科教学中非常重要，然而学生通过操作摄像机进行视觉标定实验需要的硬件设备较多，对环境光线、空间等要求较高。为了让学生更快地理解各种算法和标定方法，可以让学生借助这套仿真系统进行锻炼，同时引入噪声等变量模仿环境干扰，进行误差分析、视觉伺服补偿、算法优化等作业。

项目来源：基于远程网开放的机器人实验平台( 2001AA422290)，十五863计划。

4)航天工程机械臂仿真实验（创新型）。

图4为航天工程机械臂仿真实验系统，学生可以在逼真的三维空间环境下，学习虚拟仿真技术、虚拟现实技术。在课程中，教师可以让学生尝试将多维力、声、触、视等反馈设备加入系统，锻炼数据分析、系统集成能力。该实验可以应用于机器视觉基础、智能专业实践等课程。

项目来源：基于网络遥观测机器人的野外生态观测技术研究( 61375087)，国家自然科学基金。

4 结语

南开大学智能科学与技术专业根据本学科的积累和建设特色，将“科研项目带动教学”作为一种全新思路进行尝试，取得了一定效果。通过挖掘和延伸设计实际科研项目中的仿真系统，目前已经初步建设完成了一些较好的实验项目。智能专业的机器人学课程对实验平台的应用最为深入，通过实验项目提高了学生对机器人动力学、运动学、轨迹规划等知识的学习效果。我们将在今后的教学过程中，继续丰富和优化实验项目，使实验平台越来越完善。

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参考文献：

[1]方勇纯，刘景秦．南开大学“智能科学与技术”专业教学体系与实验环境建设[J]计算机教育，2009(11): 21-25．

[2]卢桂章，无处不在的智能技术[J]．计算机教育，2009(11): 68-72．

[3]方勇纯．智能科学与技术专业毕业生情况分析与专业建设[J]．计算机教育，2010(19): 51-54．

[4]许林．智能科学与技术专业本科实践课程的建设[J]计算机教育，2011(15): 120-123.

[5]许林．机器人课程在智能专业本科教学中的探索[J]计算机教育，2012(18): 78-81.

（编辑：孙怡铭）