1. 引言
信息物理系统(CPS, Cyber-Physical Systems)，作为计算进程和物理进程的统一体，是集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统，是先进的控制理念。CPS的提出受到了各国的广泛关注，尤其是在科研方面。CPS集合了信息与物理组件，提高了对信息处理与通信的能力，实现了信息资源的动态组织与协调分配，CPS具有安全性较高、可靠性强、可验证的特点，实现了系统的动态管理以及自主协同[1]。
智能机器人创新与开发实践课程主要是加强学生对机器人和人工智能的认识与应用[2]，经过本门课程的探索发现在实际教学中教育得到的效果并不明显，需要相关的教育工作人员找出其中的原因，及时地进行改正，提高教育教学质量。本课题围绕智能机器人创新与开发实践课程的立体化建设，基于CPS作为理论基础，引入国家级竞赛场景为实践方式，以教学资源的开发及共享为辅助手段，有效地提高教学质量，展开教学改革。
2. 实现智能机器人创新与开发实践课程改革
智能机器人创新与开发实践课程是一项技术性较强的课程，需要理论与实践的结合[3]，机器人导论中体现了电子信息工程、通信系统信息、自动化等多方面专业的知识[4] [5]，而这门课程主要培养掌握机器人控制的理论基础——信息物理系统，并通过理论进行系统的开发与技术的提升，提高学生应用智能机器人的实践能力，为社会培养高水平应用型人才。
2.1. 以CPS为理论基础的课程教学改革
1) CPS方法实践课程教学改革的原则
信息物理系统是一个跨学科的研究领域，涉及计算、网络和物理过程的深度集成，核心在于将物理世界中的设备和计算机系统紧密结合。例如，传感器和执行器在物理系统中收集数据并执行控制策略，而计算系统则对这些数据进行分析和决策。CPS允许多个物理实体和计算单元协同工作，通过网络实现信息共享和任务分配，以提高系统的整体性能和效率。
CPS具有分段解决问题的特征，实现了问题的开放形式，CPS是一种集成了各项先进的技术与信息集合成的一种智能机器人系统，以对周围环境的感知为基础，通过对计算、信息、控制能力的拓展，形成的网络化智能设备，具有及时、高效、准确、反馈等功能特点，实现了现实物理信息世界与虚拟世界的协同智能发展。
CPS与人类的生活和社会的发展息息相关，涵盖了小到纳米级生物机器人，大到全球能源协调与管理系统等涉及人类基础设施建设的复杂大系统。CPS的典型应用包括智能交通领域的自主导航汽车、无人飞行机；生物医疗领域的远程精准手术系统、自主计算与感控的植入式生命设备；以及智能电网、家庭机器人、智能建筑等，是构建人类未来智慧城市的基础[6]。
2) CPS方法实践课程内容的改革
CPS理论的深化不仅仅是技术层面的提升，更需要在系统设计、优化、验证等多个方面进行全面的考虑，以推动智能机器人及其他领域的应用发展。在对该课程进行改革时，需要遵循基本理论、知识与技能共同提高的原则，提高课堂改革制度的科学性、先进性、实用性、思想性等，增加对机器人系统的理论以及技术的开发与使用，在课程教学中结合智能小车寻径与泊车等教学案例，在案例中渗透知识，调动学生的学习兴趣，提高学生的专业技能。
通过对教学内容进行分析，增加对嵌入式系统流程的开发，便于学生对嵌入式CPS方法的认识，掌握解决问题的能力。在课程教学中，也需要适当地进行教学内容的删减，一些过时的知识信息以及不必要的信息需要进行删减，一些知识理论性很强，但是在实际中却很少应用[7]，这样的知识会占据课堂的大部分时间，给学生的学习造成压力，为课堂教学增加难度，造成时间与精力的浪费[8]。
2.2. 面向拔尖人才培养的课程改革
围绕智能机器人创新与开发实践课程进行立体化建设，基于最新的控制理论信息物理系统作为理论基础，引入国家级竞赛场景为实践方式，以教学资源的开发及共享为辅助手段，有效地提高教学质量，展开教学改革。
国际先进机器人及仿真技术大赛是目前唯一一个由中国高校发起创立并有国际高校(包括美国、澳大利亚、英国、韩国、荷兰、德国、挪威等)参加的具有影响力的学科竞赛，参赛学校数量超过三百余所，参加队伍最多，竞争异常激烈，赛事水平高。大赛以全面推动机器人专业人才培养，促进仿真技术在机器人设计、开发、实验等领域的应用为目标，着力建设成为世界各国展示机器人研发、制作和应用成果的重要舞台，搭建起相互学习、交流友谊的桥梁[9]。国际先进机器人及仿真技术大赛涵盖广泛，其中智能制造赛道的人工智能物流机器人组贴合物流分拣场景(比赛现场如图1所示)，涉及上桥、过门、识别与抓取物体、路径规划以及标识识别等多处考评内容，技术集成要求高，各类机器人竞相展示着各自的功能与特点，从精准的操作到智能的决策，充分展示了机器人及仿真技术方面的专业能力和创新精神。
Figure 1. International advanced robotics and simulation technology competition intelligent manufacturing track artificial intelligence logistics robot group competition Scene
图1. 国际先进机器人及仿真技术大赛智能制造赛道人工智能物流机器人组比赛现场
Figure 2. Course experiment site
图2. 课程实验场地
Figure 3. Intelligent car used in the course experiment
图3. 课程实验使用的智能小车
本课程以此赛项为中心，设计24学时实验课程，以赛事标准为考核要求，学生自主组队完成。从传感器驱动到测试验证，从数据采集到多模态数据融合，设计开发一套全新的实验内容(实验设计如表1所示)。将每个学生组别分为三个小组，每组选择并完成表1中一个子系统，分别对应底盘控制、图像识别与机械臂控制以及环境感知(实验场地如图2所示)。前五次实验各子系统独立完成，最后一次实验完成物流搬运机器人(如图3所示)的整体组装与调试。这样的实验安排充分考虑本科教学的难易性，学生的兴趣以及随堂能否完成等因素，经过三个批次的教学，目前已经趋于稳定。
Table 1. Course experiment design
表1. 课程实验设计
实验 |
子系统1 (底盘控制) |
子系统2 (图像识别与机械臂控制) |
子系统3 (环境感知) |
1 |
电机的闭环控制 |
通过串口的通讯方式控制摄像头 |
超声波传感器测量距离(电脑端调试) |
2 |
搭建四轮独立驱动小车 |
通过SPI的通讯方式控制摄像头 |
红外传感器测量距离(电脑端调试) |
3 |
控制移动平台的运动 |
利用摄像头识别物体与颜色 |
传感器组网 |
4 |
移动平台的自动路径规划 |
移动抓取机器人的控制 |
移动平台搭载超声波传感器进行避障 |
5 |
手机APP通过蓝牙控制移动平台 |
图像识别模块与主控板通信，实现控制决策 |
移动平台搭载红外传感器进行避障 |
6 |
完整物流搬运机器人组装与调试 |
实践教学中，教师主要起到总结并收敛学生发散思维的作用，讲评学生的思路是否正确，也需要通过收敛思考总结学生的核心问题。这些问题往往是教师讲解的重点和难点，例如利用传感器数据控制小车前进、基于小车方向和传感器数据施加反馈等，通过这种方式教师讲课重点将会更为明晰，学生听课则会更有针对性。
此外，适当对教学内容进行增减，例如在理论教学中合理的增加对机器人系统的设计、开发以及流程方面的实践内容，便于学生对智能机器人系统设计理论的认识，掌握解决问题的理论基础。在实验教学中加入Pixy摄像头、超声波传感器、红外传感器、减速电机以及多关节机械臂的使用，使嵌入式系统中的重点、难点直观的体现出来，便于学生的理解，加深对CPS理论的认识。
本门课程的开设推升了同学们的自信心和竞赛热情，暑假留校不间断开发调试。为了解决机器人自主寻迹抓取等任务，老师和队员们多次热烈讨论，在推翻与革新中寻找优化方案。2023年参赛队伍获得国际先进机器人及仿真技术大赛(高校计算机相关专业认定为国家级B类)一等奖1项，2024年获得一等奖1项(全国冠军)，二等奖1项。
3. 结语
智能机器人创新与开发实践课程的教学改革，创新点和主要特色如下：1) 提出采用基于CPS理论的方法构建智能机器人系统在课堂教学中的应用。CPS (信息–物理–系统)方法集合了信息与物理组件，实现了信息资源的动态组织与协调分配，提高对信息处理与通信的能力，具有安全性较高、可靠性强、可验证的特点；2) 引入国家级竞赛场景为实践内容，学生组队参加。通过小组讨论，从精准的操作到智能的决策，收敛总结出一套可行的解决思路，此解决思路并不是完整的实现代码而是进行前期的总体与详细设计，需要通过发散思维充分考虑在具体实施过程中可能出现的问题和难点，培养和提升他们在机器人方面的专业素养和创新精神。
致 谢
感谢北京信息科技大学研究生院、荣誉学院对本课程改革项目提供的帮助与支持，感谢计算机学院一直以来的培养与支持。
基金项目
本文由北京信息科技大学教改项目“基于物理信息系统(CPS)的机器人反馈控制”“面向拔尖人才培养的智能机器人创新与开发实践课程改革”提供支持。