新工科视域下机器人操作系统课程“理论-实践-创新”三位一体教学改革

一、引言

在全球科技发展与产业升级深度融合的关键时期，新工科建设作为我国高等教育改革的重要方向，正积极适应未来产业发展需求，着力培养具备综合能力的创新型人才。作为智能制造、人工智能、自动驾驶等前沿领域的核心技术支撑，机器人操作系统（Robot Operating System, ROS）凭借其开源架构、模块化设计和跨平台兼容性，已成为连接机器人理论与工程实践的"桥梁"，在工业界与学术界引发了广泛关注[1]。

当前高校机器人课程的教学体系仍面临若干亟待解决的问题。一方面，现有教学模式偏重理论推导与算法验证环节，实践教学多局限于单一功能的实现[2]，这种碎片化的知识传授方式不利于培养学生解决复杂工程问题的综合能力[3]；另一方面，课程内容创新不足，未能有效融入开源协作、跨学科整合及工程伦理等现代工程教育要素，这与新工科建设强调的学科交叉、协同创新等人才培养理念存在偏差[4]。

本文针对相关矛盾，提出以“理论-实践-创新”三位一体为框架的机器人操作系统课程教学改革路径。该模式采用分层递进设计，把抽象理论转化为可操作的实践任务，融入创新设计形成完整链条。通过重构内容、优化方法、完善评价等举措，能提升学生工程实践、跨学科思维及创新素养，为新工科机器人领域课程建设提供有效参考。

二、课程教学现状与挑战

当前，机器人操作系统课程作为新工科背景下机器人工程、人工智能等专业的核心课程，在大部分的高校已经开设，但各大高校对该门课程的教学体系仍在进一步探索，以满足产业对复合型创新人才的需求。

在机器人操作系统课程理论教学中，内容围绕系统原理等展开，虽能提供知识框架，但教学方式偏重概念讲解，与实际机器人应用场景结合不足，学生易陷入抽象理论推导，难理解其在真实系统中的作用。且部分课程内容更新滞后，未涵盖 ROS 2 普及后的关键理论进展。

在实践教学层面，ROS 课程实践环节虽为核心，但当前许多实验局限于仿真环境的标准案例，内容模块化、流程化且缺乏开放性。因真实机器人硬件成本高、维护复杂，多数实验在仿真阶段，学生缺少与实体机器人交互经验。同时，实验设计多聚焦单一功能，少涉及工程实践，致学生面对复杂项目无从下手。

在创新培养层面，课程设计存在“三个缺失”：一是开源生态参与缺失，学生多接触封闭教材案例，对真实开发流程认知不足；二是跨学科融合缺失，课程与人工智能等学科脱节，难满足智能机器人开发综合能力需求；三是创新激励机制缺失，考核重程序正确性，忽视创意等方面评价，致学生缺乏创新动力。

上述问题折射出传统教学模式与新工科“需求导向、交叉融合、创新驱动”要求的模式之间存在的矛盾，因此需要通过系统性改革重构课程内容。

三、“理论-实践-创新”三位一体教学改革框架

在“新工科”视域下，机器人操作系统课程教学改革需构建“理论-实践-创新”三位一体的立体化框架，通过知识传递、技能锤炼与思维突破的深度融合，实现从“知识输入”到“价值创造”的跨越。

1. 理论教学，夯实基础，构建系统化知识图谱

理论教学是课程改革基础环节，需突破传统教材线性结构，围绕机器人操作系统技术架构，构建“基础理论 - 功能模块 - 工程应用”递进式知识体系。基础理论讲核心内容并对比助理解分布式特性；功能模块用“代码分析 + 动态演示”讲关键技术运行机制；工程应用结合案例建立问题对应关系。同时采用混合式教学，课前在线学基础，课堂分析研讨，实现教师角色转变。

2. 实践教学，虚实结合，打造沉浸式工程场景

实践教学是知识转化重要途径，要构建“仿真环境-实体平台-真实项目”渐进式实践体系。基础训练用 Gazebo搭建虚拟环境，让虚拟机器人完成任务以降低学习成本；进阶训练引入实体机器人开展全流程实践；综合应用参考企业项目。实践内容按能力递进原则设计，逐步提升学生工程实践能力。

3. 创新教学，以赛促创，激发原始创新潜能

创新培养作为教学改革深化环节，借助“校内培育 - 校外竞技”双层次竞赛体系提升学生创新能力。校内定期举办 ROS 机器人竞赛，设算法优化与场景应用赛道，让学生基于真实工程需求设计方案，如“医院物资配送机器人”场景需整合多项技术完成全流程开发，以高仿真场景促学生从理论验证迈向工程实践。

鼓励学生参加全国大学生机器人大赛等高水平赛事以直面行业挑战。以 RoboMaster 赛为例，学生要基于ROS 开发自主决策系统，实现多技术实时协同。此类竞赛不仅要求掌握ROS 核心技术，还需融合多学科知识，助力学生突破技术边界，形成“跨学科创新”思维。

四、教学改革实施保障

为确保“理论-实践-创新”三位一体教学改革有序推进、取得实效，需从师资、资源、机制三个维度构建系统性保障体系。

教师队伍建设是改革的关键。要重点培养"双师型"教师团队，采取校内教师到机器人企业实践锻炼、参与实际项目等方式，增强教师的实践能力和行业认知；同时邀请企业技术专家担任校外指导教师，共同参与课程建设、实践教学和项目评价，将行业最新需求引入课堂。此外，要完善教师培养制度，定期开展ROS 技术培训、教学经验交流等活动，支持教师进行教学改革研究，对取得突出成果的教师给予奖励，充分调动教师积极性。

资源平台是改革的重要基础。要建立"虚实结合"的实践教学平台，建设包含ROS 教程、开源代码、仿真案例等内容的在线资源库，方便学生自主学习。同时升级机器人实验室硬件设施，配备移动机器人、机械臂等设备，建设云端实验平台，实现远程调试和协同开发，满足不同实践需求。还要深化校企合作，共建创新实践基地，将企业真实项目转化为教学案例，让学生接触实际工程问题。

制度机制是改革的持久动力。需完善教学管理制度，将实践创新能力纳入课程考核体系，增加项目答辩、成果展示等评价环节，引导学生重视实践与创新；支持教师开展教学研究、开发实验设备、组织学生竞赛等活动；建立校企协同育人机制，通过定期沟通、联合培养、成果共享等方式，确保教学改革与产业需求紧密对接，形成“教学-实践-创新”良性循环。

五、总结

本文立足新工科视域，针对机器人操作系统课程教学现状与挑战，提出“理论 - 实践 - 创新”三位一体教学改革框架。该框架以系统化知识为理论支撑，借递进式实践平台强化技能，用竞赛机制培育创新能力，可改善传统教学问题。改革实施中，通过打造“ 师型”团队、建设资源平台、完善管理与激励机制推进改革。此教学模式能提升学生多方面能力，为新工科机器人专业课程建设提供借鉴，对培养复合型创新人才意义重大。

参考文献：

[1] 韩竺秦, 龙迎春, 刘文秀.“ 三全育人” 视域下机器人操作系统课程实践教学与探索[J]. 高教学刊,2025,11(S1):34-37+42.

[2]屈雯,王春立,陈飞.新工科背景下机器人操作系统的教学内容改革[J].计算机教育,2021,(11):42-4

[3]高斌,苗志怀,王颖.基于 ROS 的机器人创新实践课程建设[J].实验室科学,2021,24(05):86-89.

[4]张文俊,刘辉,冯凯,等.基于OBE理念的线上线下混合教学模式探索与实践——以“机器人操作系统”课程为例[J].教育教学论坛,2024,(47):157-160.