贾永霞
清华大学航天航空学院高级工程师，从事实验流体力学、智能仿生机器鱼的教学与研究。2012年到2015年期间在北京大学从事博士后科研工作，对仿生流动边界层及流固耦合问题进行了深入研究。2016年至今，她在清华大学航天航空学院流体所与力学国家级实验教学示范中心工作，主要擅长于流体力学中的实验测试技术，包括流动显示、热线测速技术、粒子图像测速技术等；智能仿生机器人的研制，包括结构设计、智能控制等。
一、智能水下机器人的研究价值
1966年，美军参加军事演习的飞机突然失事，飞行员只得推落4枚加了保险的氢弹后弃机跳伞。这四枚掉落的氢弹中有三枚落在地上很快清理走了，还有一枚落入了大海。为了打捞这枚氢弹，美国利用水下机器人“科沃”进行水下作业，顺利将这枚氢弹从700多米深的海底打捞出来，这是水下机器人投入应用的较早案例。
十八大以来，党中央作出了“建设海洋强国”的重大部署。国家主席习近平曾在《中共中央政治局第八次集体学习时的讲话》中指出，21世纪，人类进入了大规模开发利用海洋的时期。海洋在国家经济发展格局和对外开放中的作用更加重要，在维护国家主权、安全、发展利益中的地位更加突出，在国家生态文明建设中的角色更加显著，在国际政治、经济、军事、科技竞争中的战略地位也明显上升。我国既是陆地大国，也是海洋大国，拥有广泛的海洋战略利益。
习近平强调：要发展海洋科学技术，着力推动海洋科技向创新引领型转变。建设海洋强国必须大力发展海洋高新技术。要依靠科技进步和创新，努力突破制约海洋经济发展和海洋生态保护的科技瓶颈。要搞好海洋科技创新总体规划，坚持有所为有所不为，重点在深水、绿色、安全的海洋高新技术领域取得突破。尤其要推进海洋经济转型过程中急需的核心技术和关键共性技术的研究开发。
智能水下机器人恰是我们了解海洋资源、开发海洋资源的重要载体。目前，智能水下机器人得到高度的重视，成为教学与科研的重要研究对象。
二、指导学生自主创新研制出多款智能仿生机器鱼样机
为迎接更复杂的任务，智能型机器人的研发技术不断进步，向“仿生集群化”的方向发展。贾永霞老师从2019年起，开始以仿生水下机器人（机器鱼）为切入口，进行流体力学、仿生学和机器人学的交叉学科的教学与研究。
智能水下机器人-机器鱼是以仿生为主题的新型水下探测器，其优势是噪声小、推进效率高、机动性强。近年来，由于该领域在推进效率、机动性等方面具有巨大的研究价值，成为新型水下探测器的研究热点。同时，仿生机器鱼是小型样机，便于教学与研究，适应于学科交叉领域的理论应用与创新实践教育。
基于仿生机器鱼的研究价值与其在创新实践教育中的普适性，贾永霞老师带领学生们自主创新研制出多款智能仿生机器鱼。其中，他们设计了一种由双自由度胸鳍和仿鲹科鱼尾部相结合的运动推进型仿生机器鱼，在2019年9月荣获第十二届国际水中机器人大赛创新创业组一等奖。
仿生机器鱼研发制作流程（双自由度胸鳍机器鱼）：
图1 总体结构
图2 流线型头部与胸鳍装配
图3 身体与尾鳍结构
图4 电气系统
图5 实物展示
具体步骤：他们分别对机器鱼的双自由度胸鳍、身体与尾部弹簧传动机构进行设计,采用Arduino控制板及一体化的硅胶膜,基于电气系统控制方案和防水密封方案,通过对CPG单元进行建模与控制,给出机器鱼在不同运动形态下的控制方法,并通过实验验证了方案的可行性。结果表明,该设计实现了双自由度胸鳍机器鱼直行、转弯、上升与下潜等多种运动姿态。
2020年，她采用线上线下融合式教学方式指导学生自主创新研制出6款智能仿生机器鱼样机，包括两款海豚、仿鲹科机器鱼、鳐鱼、蝠鲼、鲨鱼，详细介绍如下：
通过两期创新实践课程，学生通过应用所学的力学、机械、控制与电气系统等多领域的技术科学知识，自主创新研制出多款智能仿生机器鱼（见图6和图7），包括双自由度胸鳍机器鱼、乌贼、海豚、鳐鱼、仿鲹科机器鱼、鲨鱼等。
三、着力培养学生的“海洋科技+人工智能”领域的创新能力
2019年以来，清华大学航天航空学院开展“暑期空天技术科学创新实践营”，这是航院完善本科生实践教学体系的一个全新举措。暑期创新实践营面向大二同学，旨在让学生们通过以小组合作的形式设计并研制一个有功能的样机，引导和加强大二学生的创新实践系统思维和交叉学科知识应用能力。创新实践营设置竞技类项目及自由项目供大二本科生参与实践，其中仿生机器鱼的创新设计与制作是竞技类项目之一。
贾永霞老师以仿生机器鱼为例，依托本科创新实践教育活动，针对目前实践教育存在的问题，探索并构建了本科技术技术创新实践教育体系，见图8。在本科创新实践教育中，践行“价值塑造、能力培养、知识传授”三位一体的教育理念，将通识教育与专业教育相融合，通过教师团队培养和院系支持助力学生培养全过程，结合科技革命与产业变革热点问题，设计课程、实践、竞赛等环节，制定针对学生、教师的评价体系，并对培养体系中的各环节进行监督、评价和反馈等多次迭代，形成完整的本科一流人才培养的创新实践教育体系，为提高本科创新实践教学质量、提高学生创新实践能力奠定了基础。
图8 “三位一体、学科交叉、通专融合”技术科学创新实践培养体系
通过依托科技赛事，以创新应用人才培养为目标导向，本科学生应用所学，融合多学科交叉知识，自主创新研制出多款智能仿生机器鱼，包括双自由度胸鳍机器鱼、鳐鱼、乌贼、海豚一代、海豚二代、仿鲹科鱼、蝠鲼及鲨鱼等。仿生机器鱼畅游于清华大学荷塘湖面，成为一道美丽的风景线，吸引了路人的围观。
仿生机器海豚小组同学合影
贾永霞老师指导学生项目“仿生机器海豚”荣获第十三届国际水中机器人大赛冠军，个人荣获“优秀指导教师”称号。同时，“仿生机器海豚”在2020年荣获清华航院第二届空天技术科学创新实践营“最佳创意奖”。“仿鲹科机器鱼”荣获2020年清华航院第二届空天技术科学创新实践营“最佳团队奖”。
智能仿生机器鱼项目成为加强学生对机器人与人工智能领域创新能力培养的重要探索，促进水中机器人技术创新，培育具有核心创新能力的高水平实践基地，为实现中国的海洋强国梦助力。
四、从智能仿生机器鱼到创新实践教育的探究与实践
创新实践教学是本科专业教学中的重要内容，也是实现通识教育和创新人才培养目标的重要环节。创新性人才的培养，需要通过实践教学环节，培养学生的社会责任感、创新精神和实践能力。创新实践环节针对学生的培养过程分为三个阶段：基础知识传授、创新实践训练、技术科学应用与创新能力提升。在创新能力的培养过程中，通过创新实践环节，将多学科知识交叉应用、通专相融合，将习得的技术科学知识应用于创新实践教育环节中，知识价值转变为学生自我创新能力的提升，并且这种创新能力在后期实践应用中得到大幅提升，从而成功塑造了学生勇于、善于创新的价值观，激发和培养了学生的首创精神、科学精神、团队精神和创新能力。
创新实践重在动手参与，在实践教育环节中，学生将理论与工程实际结合，制作出符合科学规律和实际需求的实物模型；通过创新实践教育活动，培养学生的创新意识和团队合作精神，构建学生的系统思维，提升综合设计与创新实践能力；通过创新实践教育活动，学生了解国际海洋发展态势、海洋强国战略以及海洋技术与装备的发展趋势，为实现中国的海洋强国梦助力。创新实践教育活动为同学们提供了一个激荡思想、开阔思路、凝聚共识的创新实践平台，也将为清华大学本科创新实践教育改革提供更好的思路和参考价值。
创新实践教育丰富了学生的学习渠道，培养了学生对技术科学知识的综合应用能力，加强了学生的职业适应能力和竞争力。实践教育强调学生全方位、全过程的学习参与，并且在学习参与过程中形成了有利于个人成长及社会进步的成果。创新实践教育促使学生聚焦创新、关注实践、立足实践、在实践中学习和提高思想认识与创新思维，形成终身受益的“重实践、求创新”的价值观。
总之，贾永霞老师通过智能仿生机器鱼实践项目的探索，遵循实践育人规律，坚持“创新人才在创新实践中培养”的创新实践教育理念，以“项目式导引、研究型学习、功能性创新实物”为内容，在创新实践教育环节中践行“三位一体”教育理念，构建了本科人才培养的“三位一体、学科交叉、通专融合”的创新实践教育体系，这是进行创新型人才培养的有益探索。该体系具有以下创新理念：首先，将价值塑造、能力培养和知识传授融为一体，坚持学科交叉、通专融合的本科人才培养体系，统一落实到本科生创新实践课程中；其次，围绕提高本科创新人才培养质量这个核心，构建“三位一体、学科交叉、通专融合”的多维创新实践教育体系，打造创新实践教育平台，形成良好的创新实践教育生态。
参考资料
1.清华航院空天技术科学创新实践营举行结营展示活动2020-09-30
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI1Nzg2NzcyNw==&mid=2247488250&idx=1&sn=8b7103ee1a62a9d98b42882cf435c388&chksm
2.梁准,张子扬,林子雄,王清昊,贾永霞,谢广明.一种双自由度胸鳍仿生机器鱼[J].兵工自动化,2020,39(11):82-86.
3.军事价值初现机器人“科沃”潜入水下750米成功打捞氢弹 - 中国军视网 (js7tv.cn)http://www.js7tv.cn/video/201904_178190.html
编辑：姜刚风
审校：徐杨巧
