深入完善“智能機器人”實踐課程體系，促進實踐教學

王旭仁　何　花　周　全　劉麗珍

摘要：實踐教學是培養學生實踐能力，培養創新、創業人才的重要教學環節。“智能機器人”是一門實踐性非常強的工科專業課，它的實踐性教學設計思想是通過各種手段增加學生參加實踐的機會，培養學生的實際工作能力。本文主要論述了“智能機器人”課程實踐教學的實施方法、手段和發展方向，教學的實際結果表明，學生對該課程的實踐教學是歡迎的，教學效果也比較顯著。

關鍵詞：計算機應用；實踐教學；智能機器人

中圖分類號：G642文獻標識碼：B

突出學生實踐能力的培養是工科專業教育重要和顯著的特征。加強對工科專業課程的實踐教學研究，有助于教育培養目標的實現。實踐教學要改變過去一味對學生“灌”的教法，樹立學生主動學習的興趣和意識，突出學生實踐能力的培養。湖南大學孫宗禹認為，當前應重構實踐教學體系，因為實踐是創新的基礎，所以應該徹底改變傳統教育模式下實踐教學處于從屬地位的狀況。這不僅能使學生掌握扎實的基本知識與技能，而且對提高學生的綜合素質大有好處。

1實踐教學

1.1實踐教學的含義

“實踐”一詞在中國的廣為流傳，是在唯物史觀在中國被確立為主流思想以后。尤其是1978年《實踐是檢驗真理的唯一標準》一文發表后，“實踐”成為中國大陸使用頻率最高，最為人們耳熟能詳的詞語之一，通常與“理論”對應使用。因此，實踐教學首先是一個與理論教學相對的教育術語。有的學者認為，實踐教學是指在教學計劃內，以培養學生的創新精神和能力為主而獨立設置的實踐教學環節，同時，也包括列入選修課或課外科技活動的實踐教學環節；前蘇聯著名教學論專家贊科夫在總結他持續16年對教學與發展問題進行實驗研究的著作《教學論與生活》一書中指出：“科學的教學論應建立在研究教學的實踐及其改造的基礎之上，這是無可爭論的真理。對實踐的研究可有各種不同的形式，既可研究并概括教師的先進經驗，也可進行實驗，而實驗是為了查明效果和解釋‘現成的經驗，有時是為了創造新的經驗等等。”由這些論述可以看出，實踐教學與理論教學既有密切聯系，又有相對獨立性。它對提高學生的綜合素質，培養他們的創新精神與實踐能力有著理論教學不可替代的特殊作用。

1.2實踐教學的形式

實踐教學的形式多種多樣，包括實驗、實習、社會實踐、課程設計、比賽、學年論文、畢業論文等，不同類型的實踐教學環節在教學計劃中的地位、順序、時間分配等方面要符合培養目標的要求，和相關課程相匹配。一是要追蹤課程內容的更新；二是要加強對學生創新思維和綜合能力的培養。

1.3實踐教學的重要性

教育部《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見(征求意見稿)》(教高司函(2004)259號)指出，高等學校應著眼于國家發展和人的全面發展需要，堅持知識、能力、素質協調發展，注重能力培養，著力提高大學生的學習能力、實踐能力和創新能力。

2“智能機器人”的課程特點

2.1“智能機器人”的課程特點

“智能機器人”是我校智能科學與技術、計算機非師范專業高年級學生的一門重要的專業課程，涉及的學科范圍包括力學、機器人拓撲學、機械學、電子學與微電子學、控制論、計算機、生物學、人工智能、系統工程等諸多課程。因此是一門理論性、實踐性和綜合性很強的課程，也是培養學生具有機械設計能力、可以直接解決實際問題的課程。

“智能機器人”實踐教學體系主要包括實驗教學和課程設計兩部分。要真正學好本課程，除了理論課外，更重要的是將知識應用于實踐。

2.2實踐教學基礎

(1)講授機器人課程

教學小組已經多次為智能科學與技術、計算機師范和非師范專業高年級本科生開設機器人課程，具備進行實踐課程建設的理論基礎和指導思想。并進行了“智能機器人”課程建設。

(2)單獨開設“智能機器人”實踐課程

從2008年春季學期開始，為了重視實踐課程的開展，獨立開設了1學分的“智能機器人”實踐課程，共18學時。徹底改變“智能機器人”實踐教學處于從屬地位的狀況，對“智能機器人”實踐課程體系的建設起到重要支撐作用。

(3)配置機器人實驗設備

信息工程學院機器人實驗室購買了廣茂達機器人、南京工業大學的示教——再現機器人、機器人足球小型組機器人等設備以及Matlab軟件，為開設機器人實驗提供了良好的實驗設備和環境。

(4)開展機器人實驗課程在上述實驗條件的基礎上，授課小組為智能科學與技術、計算機師范和非師范專業已經開設過累計4學期以上的實驗，積累了實踐教學的經驗。

(5)開展機器人實驗科研

在已有設備的基礎上，積極指導學生開展學生科研和申請校級實驗室項目3項，指導學生參加Robtic機器人足球小型組比賽。我校學生在2007年Robtic機器人足球小型組比賽中獲得大學組第六名。拓展學生動手能力，培養學生探索精神。

3深入完善“智能機器人”實踐課程體系

我們一方面完善機器人實驗課程體系，在常規實驗教學中培養學生的創新能力和實驗動手能力，使項目研究成果促進實驗教學質量的提高，進一步改革實驗教學。另一方面，在進行實驗教學時即可根據學生的特點和能力進行個性化教學和培養，在掌握基本技能的同時充分發揮學生的能動性和主體性，培養學生的創新思維和創新能力。

3.1實驗教學研究

在實驗課程體系建設過程中，注重實驗的選擇和比較，形成完善的實驗手冊。傳統的實驗教學是使學生掌握相關的實驗方法和技術，并利用這些方法對理論課的內容進行驗證，加深和鞏固理論知識。這些固然重要，但卻在客觀上造成了學生缺乏思考的后果，對于培養學生的科研能力和創新精神極為不利。因此，完善機器人實驗課程的宗旨是，既要讓學生能夠掌握有關的技術，鍛煉學生的動手能力，又能夠開發學生科學研究的潛力，鍛煉和培養他們的創造力。

3.2基于硬件設備的實驗內容研究

首先，利用已有的實驗設備——廣茂達能力風暴大學版機器人和創新模塊、南京工業大學的示教——再現機器人、機器人足球小型組機器人等設備，進行機器人的控制系統實驗、感覺系統實驗、機器人離線編程實驗、機器人軌跡規劃等實驗改革，按照“由淺入深、循序漸進”的方式編寫程序，使學生對機器人課程知識的融會貫通，讓學生學會提出問題、分析和解決問題，不斷提高實踐能力和創新能力。

圖1是某個學生小組花了5個實驗課時，利用廣茂達能力風暴大學版機器人和創新模塊所搭建的“三自由度自動加工機床”，學生們從實踐中檢驗了所學的理論，體驗到成功的喜悅!

3.3基于Matlab軟件的實驗內容研究

Matlab是一種編程語言，科學計算功能強大。在國外，

尤其是美國，早在八十年代末期，各著名大學已開設MATLAB課程。本項目添加了利用Matlab軟件進行的實驗設計，解決機器人數學問題，即對機器人學中的空間描述和變換、操作臂運動學、操作臂逆運動學、速度和靜力、操作臂動力學、操作臂的機械設計等數學問題進行實驗建設，利用Matlab的Robotics工具箱檢查運行結果，并引導學生對實驗結果進行討論，激發學生學習機器人理論的興趣，克服他們對數學的恐懼。

3.4課程設計研究

進行課程設計研究，把課程設計引入到機器人課程實驗中來。課程設計是真正將所學知識應用于實踐的一次檢驗。教師鼓勵學生幾人一組，對某一感興趣的機器人課題進行調研，用所學知識進行改進，自行創新設計。例如，在“智能機器人”實驗課程上，學生每兩人或三人為一小組，給出課程設計的提綱，每組完成后進行答辯和演示，其他小組進行提問，答辯的問題涉及從總體方案到計算等，學生走到講臺上講自己的構想，包括評價自己設計的不足，還可能怎么創新等，最后進行總體評價。因此，課程設計是培養學生能力，特別是創新能力的好機會。

3.5評價標準研究

改變以前根據幾個實驗報告或數據給成績的單一實驗評分方法。在實踐的每一個環節，包括提出問題、解決問題、答辯、演示、問題解答等，都對每個學生的能力有所評價，在指導過程中考察學生的設計水平，在答辯過程中發掘學生的發現問題、解決問題的能力，建立能真實反映學生實踐水平的評價標準。

3.6靈活多樣的實踐學習方式

由于“智能機器人”實踐內容較多、實驗難度較高，僅僅18課時的實驗時間是遠遠不夠的。因此，除了在學校統一安排實驗課時外，每周安排固定時間開放實驗室，歡迎學生在開放時間內繼續完成沒有做完的實驗或者進行自主實驗設計等，同時安排老師指導。

機器人技術的發展日新月異，為了讓學生了解新技術的發展狀況和水平，我們安排學生參觀機器人展覽，親眼觀看機器魚、機器狗、仿人機器人等產品，旁聽與機器人技術相關的學術會議，提高學生對機器人技術發展的感性認識，提高學生對機器人課程的熱愛程度。

其他實踐學習方式還包括參加機器人競賽、進行機器人畢業設計、進行機器人專業實習等。

4結論

通過“智能機器人”實踐課程建設，我們將建立完善的機器人實驗課程體系，包括實驗教學改革研究、完善基于硬件設備的機器人實驗建設、基于Matlab的機器人實驗建設、機器人課程設計建設以及實踐評價標準建設，從而促進機器人實踐教學發展，使學生對機器人課程知識融會貫通，讓學生學會提出問題、分析和解決問題，不斷提高實踐能力和創新能力；使學生的創新思維和創新能力不斷提高，促進實踐教學的發展。