空间机器人动力学与控制课程教学改革与创新实践.pdf

2023年第17期总第593期No.17,2023Sum No.593Journal of Science and Education研究生教育肩负着高层次人才培养和创新创造的重要使命，是国家发展、社会进步的重要基石。随着中国特色社会主义进入新时代，各行各业对人才创新能力的需求日益迫切，研究生教育作为高层次创新人才培养主阵地的地位更加凸显1。2020年7月，习近平总书记在全国研究生教育会议上强调：“各级党委和政府要高度重视研究生教育，推动研究生教育适应党和国家事业发展需要，坚持 四为 方针，瞄准科技前沿和关键领域，深入推进学科专业调整，提升导师队伍水平，完善人才培养体系，加快培养国家急需的高层次人才，为坚持和发展中国特色社会主义、实现中华民族伟大复兴的中国梦作出贡献。”2为适应新时代发展对高层次人才的需求，推动研究生教育教学改革、提升研究生培养质量的呼声日益高涨。为贯彻落实全国研究生教育会议精神，2020年9月，教育部、国家发展改革委与财政部联合发布 关于加快新时代研究生教育改革发展的意见（教研 2020 9号），明确了通过完善科教与产教融合育人机制和加强课程教材建设等方式推动研究生课程教学改革，提升研究生培养质量。2020年11月，笔者所在单位中南大学提出“传承、创新、发展的54321研究生教育体系”，继续深化学校研究生教育改革。在此背景下，笔者以承担的空间机器人动力学与控制课程为例，介绍课程教学过程中的创新举措，为研究生课程教学改革做出有意义的探索与实践。空间机器人动力学与控制课程是面向控制科学与工程和航空宇航科学与技术等学科高年级本科生与研究生开设的一门专业选修课，主要包括空间机器人飞行动力学基础知识、多自由度运动建空间机器人动力学与控制课程教学改革与创新实践魏才盛1 卞延竹2 廖宇新1 殷泽阳1（1.中南大学自动化学院 湖南 长沙 410083；2.中南大学文学与新闻传播学院 湖南 长沙 410083）摘要：为适应国家航天强国战略对动力学控制领域专业一流高层次人才的需求，以提升学生知识与技术创新创造能力为目标，结合空间机器人动力学与控制课程的特点，提出依托“以赛促学、第二课堂、数字孪生”等教学手段的课程教学改革与创新实践方法，从设计课程知识点考核方式、开阔学生前沿技术视野、丰富课程教学内容等维度进行教学设计。实践结果表明，所提出的教学方法能够增强学生对前沿技术的认知度与敏感度，提升学生参与课程学习的效率和激情，促进学生在学术与学科竞赛等领域的创新成果产出。关键词：创新能力；数字孪生；航天强国；教学成果中图分类号：G643 文献标识码：A DOI：10.16871/ki.kjwh.2023.17.026基金项目：教育部产学合作协同育人项目（2102063010、20601398274756）；中南大学研究生教育教学改革项目（2021JGB054）；中南大学创新创业教育教学改革研究项目（2021CG041、2021CG042）。作者简介：魏才盛（1990），男，工学博士，教授，主要从事飞行器动力学与控制教学与研究；卞延竹（1991），女，教育学硕士，助理研究员，主要从事研究生教学管理；廖宇新（1989），男，工学博士，副教授，主要从事飞行器动力学与控制教学与研究；殷泽阳（1993），男，本文通信作者，工学博士，讲师，主要从事飞行器动力学与控制教学与研究，E-mail：。99模、多约束运动轨迹规划、鲁棒协调控制等方面的教学内容。通过本课程的理论学习与实践，学生可熟悉空间机器人发展的技术现状与趋势，掌握基本的机器人多自由度建模、规划与控制的基本概念和理论方法，并为后续独立从事航天器总体设计、控制分系统技术攻关等研究工作打下一定的基础。因此，本课程对于提升控制科学与工程和航空宇航科学与技术等学科学生的专业素养、增强其学科知识交叉和创新创造能力具有重要的意义。然而，空间机器人动力学与控制课程内容知识点繁杂且关联程度高，数学符号和公式推导复杂；同时，不同学科背景的研究生对力学、控制、数学等先修课程基础知识的掌握水平参差不齐。这使得传统的知识传授式教学方法难以激发学生的学习热情和积极性，导致教学过程枯燥乏味，相应的教学效果大打折扣。为此，笔者面向现有教学方法存在的问题和局限，提出“创新优加，多源产出”的教学方式，借助学科竞赛、第二课堂、数字孪生等方式和技术，改变传统“PPT+黑板板书”的单向知识点传授模式，为研究生课程教学改革和创新做出有意义的探索。1 空间机器人动力学与控制课程教学存在的问题空间机器人动力学与控制课程内容由于涉及运动建模、运动规划与协同控制等多个维度和领域，使得课程知识点包含大量复杂的运动坐标系转化、符号和定义以及理论公式推导。现有基于“PPT+黑板板书”的单向知识传授的教学方法存在如下三点局限：1.1 大量概念、符号定义与理论推导导致不同专业背景的研究生学习热情和效率不高由于课程教学内容之间关联度高，教师通常采用“PPT+黑板板书”的知识传授教学方法来保障紧凑的教学任务如期完成3。然而，课程涉及的众多理论知识点不仅需要学生有较强的先修课程基础，还要求学生能够将已学习的课程知识融会贯通，这给不同专业背景的研究生学习带来挑战。同时，在有限的教学课时约束下，采用基于“PPT+黑板板书”的教学方式，难以覆盖所有知识点，使得基础知识薄弱的研究生出现跟不上、听不懂的现象，这在很大程度上削弱了其课程学习的热情和效率。1.2 以平时作业和笔试为主的考核方法课程创新产出低在课程授课过程中，通常以平时大作业的形式来考查学生对阶段性所授知识的理解和掌握情况。在课程内容结束后，多以开卷或者闭卷考试的形式来考核学生对整个课程内容的学习情况4-5。然而，无论是平时课程作业还是考试，都难以激发学生对机器人技术领域的创新创造灵感，更无法考核学生将所学知识应用于实践的能力。1.3 重理论知识传授、轻实践的教学方法难以培养学生解决实际问题的能力在现有课程教学过程中，教师将更多的教学课时用于讲解机器人运动建模、轨迹规划以及协调控制的理论与方法，鲜有结合实际的机器人控制任务需求来设计相应的课程教学内容。这使得理论教学与实际工程任务需求脱节，学生仅获得对具体知识的理解，未能与实际工程问题结合，同时也难以发掘出实际工程中现实存在的待解决技术难点，导致解决实际工程问题的能力不足。2 空间机器人动力学与控制课程教学改革和创新举措为克服现有课程教学的局限性，笔者提出“创新优加，多源产出”的教学方式，借助学科竞赛、第二课堂、数字孪生等方式和技术，改变传统“PPT+黑板板书”的单向知识点传授模式，对课程教学进行改革，以提升学生的创新实践能力。具体的教学创新举措包括：2.1 以赛促学，拓展课程学习考核方式，促进课程教学产出空间机器人动力学与控制课程是一门融合力学、控制、人工智能等多个领域知识的专业选修课。为充分提升学生在课程学习过程中的动手实践能力，笔者将课程平时作业和期末考核方式分为两类：一是学生可选择基于理论知识点学习的考核方式，如以每节课课后习题理论推导、程序设计与仿真以及最终的笔试考试等内容来考核；二是学生可选择基于知识应用实践的考核方式，如参加与课程相关的学科竞赛或创新创业大赛，依托提交的参赛作品和申报书等内容来考核。在具体教学实践过程中，在本课程教学开始前，笔者会梳理本年度与机器人相关的学科竞赛和创新创业大赛等活动（包括中国“互联网+”大学生创新创业大赛、中国研究生未来飞行器创新大赛等），并在绪论课中向学生介绍。同时，笔者会给学生详细讲解本课程考核的两种方式以及不同考核方式的要求，学生可根据自己的个人兴趣爱好和特长来选择不同的考核方式。教改教法100基于上述两种课程学习考核方式的组织，学生基于课程知识点的学习和实践，可掌握空间机器人相关的基础理论，并在学术论文、专利、学科竞赛、创新创业竞赛等多个维度和领域有所产出，这不仅有利于提升课堂教学质量和学生的综合能力，而且能够丰富教学成果。2.2 依托校企合作平台，创设第二课堂，开阔学生眼界课程依托中南大学与中国航天科工、中国航天科技等联合建立的空天智能控制研究中心、智能飞行器协同创新中心等校企合作平台以及中南大学名师名家学术论坛，在教学过程中邀请国家空天领域型号总师与航天技术专家开展机器人等相关前沿技术研讨和学术报告，通过与名师名家的技术交流和研讨，打造课程第二课堂，丰富学生对机器人领域前沿技术的认知，使学生了解所学知识如何被运用到实践中，激发其学习热情和创新的潜力。此外，课程还依托校企合作平台建立的无人系统控制实验室开展实践教学，将所讲授的运动建模、轨迹规划以及控制等理论内容与机器人硬件平台结合，使学生对机器人硬件系统有更为直观的认识，并熟练掌握机器人操控规范。同时，依托校企合作平台创设的第二课堂，学生可围绕企业亟待解决的技术难题开展创新创业活动的实践，通过综合运用交叉学科知识拓展研究新理论或新技术，提升自身创新创造和服务国家重大战略与工程的能力。2.3 依托数字孪生技术，丰富课堂教学手段与内容传统教学中所采用的“PPT+黑板板书”教学手段主要通过面授将课程理论知识点教授给学生，但学生普遍难以直接建立机器人硬件运转与理论知识之间的关联。此外，由于空间微重力环境下的机器人硬件系统构造成本高、调试复杂，笔者所在单位现有实验室难以在短时间内建立课程实践环节。为此，借助笔者项目团队在航天领域的项目研发基础，通过融合Unity 3D、ROS、AutoCAD、C+/C#等平台，采用相关插件集成开发的模式进行空间机器人运动与控制场景动态设计，搭建数字孪生空间机器人实验系统，为学生课程学习提供逼真的空间机器人运动三维视景，直观展现机器人在完成既定抓取目标过程中所用到的三维建模、轨迹规划以及鲁棒控制等课程知识点，使学生能够更加清晰地了解本课程各部分知识点之间的联系以及在实际工程硬件中的应用。课程依托数字孪生技术搭建的空间机器人教学实验系统如图1所示。图1 基于Unity 3D开发的空间机器人数字孪生教学系统3 空间机器人动力学与控制课程教学改革效果通过以上三个创新举措的实施，空间机器人动力学与控制课程的教学在学生学术创新、学科竞赛、创新创业竞赛等领域取得了丰硕的成果，具体教学效果如下：3.1 学生的学习和创新激情更高，课程选修人数维持在高位空间机器人动力学与控制课程是航空宇航科学与技术学科开设的 6 门专业选修课之一，其20202022三个年度的选课人数在应选课研究生中的比例分别为68%、73%、78%，位列6门专业选修课之首（每位研究生只须任选2门）。通过对研究生课程选课的调研发现，课程考核方式以及较为创新的课程内容是学生选修课程的重要动机。3.2 学生的学术与学科竞赛创新能力提升，成果突出在课程开设的三个学期里，依托课程教学内容和课程作业为背景发表期刊文章2篇，申请国家发明和实用新型专利5件，参加中国研究生未来飞行器创新大赛、“月球旅店”新概念设计大赛等赛事15人次，获得省部级以上学科竞赛奖励3项。学生在掌握空间机器人基本理论方法的基础上，在学术与创新创造方面提升了综合实践能力。图2展示了部分高年级保研本科生与研究生依托课程学习参赛的获奖证书。3.3 教学创新方法得到关注和推广，并获得多项教改项目支持空间机器人动力学与控制课程虽开课时间不长，但得到了学校研究生院教学督导的一致肯定，教改教法101相关教学经验被推荐至学院的运动控制系统、电机与电力拖动、远程火箭飞行动力学等课程中进行拓展实践。基于项目课程教学方法与成果，先后获批2项教育部产学合作协同育人项目、3项中南大学创新创业与研究生教改项目。这些教改成果也进一步支撑了本课程在未来教学过程中的改革创新。4 结语本文针对航空宇航科学与技术、控制科学与工程等学科专业选修课空间机器人动力学与控制，通过“以赛促学、第二课堂、数字孪生”等教学手段对课程教学进行改革实践，取得了良好的教学效果。教学实践表明，相较于传统“PPT+黑板板书”的教学方式，本文提出的教学方法更能调动研究生对交叉学科前沿知识主动学习的积极性，加深学生对课程知识体系的认知与理解，提升学生参与技术创新创造的意识与激情。参考文献1 王战军,于妍,王晴.研究生教育创新发展要深刻识辨五大变化J.学位与研究生教育,2021(2):1-7.2 杨卫,杨斌,王顶明,等.学习贯彻全国研究生教育会议精神(笔谈)J.学位与研究生教育,2020(9):1-9.3 廖宇新,魏才盛,杏建军,等.远程火箭飞行动力学课程教学实践探索J.教育教学论坛,2021(4):78-81.4 刘霞,贺鹏飞,朱楠新.工科背景下“竞赛+项目”驱动的物联网工程专业教学模式探究:以“Java程序设计”课程为例J.科教文汇,2022(23):88-91.5 殷春平,董一巍,尤延铖,等.航空工程创新人才“学-赛-研-创”培养模式的探究与实践:以厦门大学航空航天学院为例J.高等教育研究学报,2020,43(2):12-17.Teaching Reform and Innovation Practices of the Space Robot Dynamics and Control CourseWEI Caisheng,BIAN Yanzhu,LIAO Yuxin,YIN ZeyangAbstract:To adapt to the requirement of the national strategy of strengthening the country by aerospace industry for professional high-level talents of dynamics and control field,aiming at promoting students ability of innovation and creativity for knowledge and technologies,and combining with the characteristics of the Space Robot Dynamics and Control course,a novel method of teaching reform and innovation practices is proposed based on the teaching strategies as“learning promoted by competition,opening up the second classroom,learning by digital twin”.The teaching design is constructed by several dimensions such as designing the evaluation mode of course knowledge,broadening students horizons of advanced technologies,and enriching the teaching content of the course.The practice results indicate that the proposed teaching method can raise students awareness and sensitivity for advanced technologies,improve their efficiency and passion to participate in the course learning,and increase their innovative achievements in academic and discipline competitions.Key words:innovation ability;digital twin;strengthening the country by aerospace industry;teaching achievements编辑：顾 杰图2 部分高年级保研本科生与研究生依托课程学习参赛的获奖证书教改教法102