機器人教學改革的探索與實踐

【摘要】為了更新教學理念、優(yōu)化教學策略，對國內(nèi)外一些著名高校的機器人教學情況進行了調研。結合“能力培養(yǎng)”的主導思想，從教學內(nèi)容、教學方法等方面對機器人教學進行了改革和探索。實踐表明，改革后的機器人教學內(nèi)容和教學方法能有效提高教學質量和學生的實踐能力。

【關鍵詞】機器人教學;能力培養(yǎng);教學內(nèi)容;教學方法

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097(2010)03—0144—03

引言

20世紀是人類科學技術迅速發(fā)展的輝煌100年，綜合諸多前沿學科和技術的機器人的誕生和機器人學(Robotics)的建立是上世紀科學技術所取得的重大成就的代表之一。從1962年美國萬能自動化(Unimation)公司的第一臺機器人的投入使用到現(xiàn)在，短短40多年的時間，機器人已從無到有，現(xiàn)在已擁有“百萬大軍”，在世界各個領域和人民生活的諸多方面忠誠地為人類服務，做出了不可磨滅的貢獻。隨著機器人技術的蓬勃發(fā)展，目前全國的許多高校甚至中小學都開設了機器人教學的相關課程，而且學生的人數(shù)在逐年增多。以北京航空航天大學(簡稱北航)為例，現(xiàn)在每年選修機器人課程的學生都在上百人左右。機器人是一門多學科高度交叉的前沿學科，包括機械學、生物學、人類學、計算機科學與工程、控制論與控制工程學、電子工程學、人工智能、社會學等，無論在基礎理論方面還是在實踐應用方面其發(fā)展速度都十分驚人。為了進一步更新教學理念，優(yōu)化教學策略，保持與國內(nèi)外機器人教學同步提高，筆者對國內(nèi)外十幾所著名高校的機器人教學情況，就教學大綱、成績考核等方面進行了調查研究與分析，在此基礎上對筆者從事的機器人教學課程進行了改革和探索，提出了一些建議和改革措施，并在近三年北航的《機器人學》教學過程中進行了實踐，取得了不錯的教學效果。

一 國內(nèi)外機器人教學的調研

美國是機器人技術的發(fā)源地，開展機器人教學的高校比較多，而且教學水平和教學質量在國際上都是首屈一指的。調研的美國高校包括MIT[1]、Stanford[2]、CMU[3]、UC-Berkeley[4]、CIT[5]五所高校，國內(nèi)高校包括清華大學[6]、上海交通大學[7]、哈爾濱工業(yè)大學[8，9]、吉林大學[10]、天津大學[11]、北航六所高校。調研的方式主要是收集各高校網(wǎng)站相關教學信息，包括教學大綱、成績考核等，通過分析比較，總結經(jīng)驗。

就所調研的國內(nèi)外高校而言，國內(nèi)外高校機器人教學特點可概括如下(參見表1和表2):

1 美國高校的機器人啟蒙課程或機器人導論等開設在本科，使本科學生對機器人有個普遍的了解，以“講解+實驗+討論”的形式，利于形象化理解;研究生階段開設《高級機器人學》等更深層次的課程，進行分方向研究。開設的專業(yè)較廣，涉及機械工程、電子工程、航空航天、計算機科學等專業(yè)，而國內(nèi)高校本科開設機器人課程的相對較少。

2 國內(nèi)的機器人課程主要開設在碩士第一學期，部分學校在本科階段開設《機器人概論》課程，現(xiàn)有將《機器人學》從碩士提到本科的傾向。開設方式多樣，如必修、專業(yè)選修、全校選修等。國內(nèi)高校選擇教材較集中，選用蔡自興《機器人學》、熊有倫《機器人學》的居多，部分高校的課外參考書為國外原版教材。

3 美國高校的機器人實驗與課堂講解的學時比例基本上在1:1.5左右，而國內(nèi)高校的實驗學時數(shù)相對較少(實驗與講解的比例最高為1: 3.2)，半數(shù)以上高校的實驗課時數(shù)為零。例如，MIT的課堂教學學時數(shù)與北航的差不多，但實驗的學時數(shù)已經(jīng)達到了22學時，而北航的實驗學時數(shù)為零。

4 就考核方式而言，美國高校的機器人課程都有期中考核，國內(nèi)高校基本上沒有期中考核。此外，美國高校的機器人課程作業(yè)考核占的比重比較大，比如CMU的作業(yè)考核占到了總成績的60%。

二 北航機器人教學現(xiàn)狀

以北航機器人所為全校研究生開設的《機器人學》這門課程為例，我們的機器人教學還有較多不合理之處:

1 教學內(nèi)容陳舊。課程的教學大綱是九十年代制定的，十幾年了沒有什么變化，遠遠落后于機器人技術的發(fā)展。而教師在授課時基本按照教學大綱來執(zhí)行，對教學內(nèi)容的更新不多。課程設置的大多還是一些傳統(tǒng)基礎內(nèi)容，而從學生的反饋來看他們對該學科的前沿進展和最新成果更加感興趣，因此需要從興趣方面引導學生積極地自主學習，在該學科上不但具有扎實的基礎同時具有寬廣的知識面。

2 教學環(huán)節(jié)上也存在諸多不合理之處，過多偏重于教師的講授，學生獨立思考、實踐的課程根本沒有。而實踐環(huán)節(jié)是檢驗學生創(chuàng)新思維能力的最佳方法， 是鍛煉學生對信息的采集、分析、處理和應用等必不可少的重要環(huán)節(jié)。

為了全面提高機器人教學的質量和學生的培養(yǎng)質量，使學生能真正學到系統(tǒng)深入的機器人知識并具有較強的實際運用能力，為他們在后續(xù)的工程實踐和研究過程中創(chuàng)造出創(chuàng)新性的研究成果奠定基礎，有必要針對上述問題進行《機器人學》課程教學的改革，制定合理的課程內(nèi)容和教學方案。

三 改革措施與實踐效果

針對《機器人學》這門課程存在的問題，基于“能力培養(yǎng)”的主導思想，對該課程進行了改革和探索。

1 教學內(nèi)容方面的改革

教學內(nèi)容方面的改革主要包括兩方面:

(1)在教學內(nèi)容上增加了入門介紹的內(nèi)容。針對我校的大部分研究生在本科階段未上過機器人相關課程的情況，借鑒國外本科機器人教學的內(nèi)容和方式，把緒論部分的學時從原來的1學時增加到了2學時，并采用視頻、圖片、動畫、參觀等直觀形象的方式為學生較系統(tǒng)地介紹機器人的發(fā)展歷史、分類、用途、研究方向等，讓學生在2學時的時間內(nèi)對機器人這個學科有一個基本的認識，避免了過去緒論時間短，學生還未弄明白學習對象的情況下就開始專業(yè)知識的學習。此外，在緒論里面每年都增加新的機器人的研究進展，學生們既了解了歷史又開闊了眼界。在過去三年的實踐中，上述教學改革得到了學生的好評。

(2)在教學內(nèi)容上注重了“深度”與“廣度”的結合。在以前的機器人教學內(nèi)容中偏重于知識的深度而忽略了知識的廣度，例如偏重于機器人運動學和動力學，機器人控制和運動規(guī)劃都不講，這存在一個弊端，即如果有的學生在后期的研究中要進行機器人控制方面的工作，相關的知識是沒有學過的，還要重新自學。因此在教學內(nèi)容上我們降低了機器人運動學和動力學的講解深度，增加了機器人控制和機器人規(guī)劃方面的內(nèi)容，力求通過該課程的學習讓學生們既比較深入地掌握了機器人運動學和動力學的基礎知識，同時對于其他相關的理論也有一個基本基礎和認識。

2 教學方法方面的改革

(1)在教學方式上增加了課堂討論的環(huán)節(jié)。以前的機器人教學，主要采用老師講、學生聽的方式，學生與老師之間沒有交互的機會，課堂氣氛比較沉悶，學生比較容易游離于教學環(huán)節(jié)之外。為了調動學生學習的積極性，讓他們參與到機器人的學習過程中，我們在每章的教學內(nèi)容中都設置了討論的問題，讓學生自己來表述解題的方法、對問題的看法，并讓他們之間進行互相的辯論，老師是作為一個仲裁者的身份進行討論的組織和總結。在該方式最初試行的時候，由于中國學生天生的內(nèi)向性格，參入的學生比較少，但在后續(xù)的討論中，越來越多的學生敢于發(fā)表自己的觀點，并積極地參與辯論。在辯論中學生們都感覺收獲很大，對于一些深奧或難理解的問題理解地比較清楚明了了。

(2)在教學方式上增加了現(xiàn)場講解環(huán)節(jié)。為了讓學生們能夠更好地理解和掌握機器人運動學的知識，我們把部分課堂環(huán)節(jié)改在實驗室進行，以真實的機器人為例，講解機器人的關節(jié)、坐標系、D-H建模、正運動學和逆運動學的知識，如圖1所示。這種教學方式避免了以往學生學習運動學的知識只是面對機器人簡圖、缺乏真實案例的弊端，讓學生們的學習做到了理論與實際的結合。

(3)在教學方式上增加了專題作業(yè)論文的環(huán)節(jié)。專題作業(yè)論文是為了能夠擴展學生的知識面，同時把課堂學習的機器人知識與自己未來的研究方向結合起來，選題的內(nèi)容由學生跟自己的導師商量，格式按照標準的期刊論文的格式來寫，必須把一個與學習內(nèi)容相關的專題內(nèi)容論述清楚。比如，往屆學生有寫輪式移動機器人機構的、機器人視覺的、機器人優(yōu)化控制的，如圖2所示。這種專題作業(yè)論文既讓學生練習了專業(yè)論文的寫作格式，同時又結合某個專題擴展了學生們的知識面。

(4)在教學方式上增加了實驗環(huán)節(jié)。受我校機器人實驗的條件限制，我們一直未能正式地開展機器人的實驗課程，但是機器人實驗對于鍛煉學生的實際操作能力是很重要的。在08年秋季，通過整合部分機器人資源，為學生開設了機器人實驗。實驗內(nèi)容是編程控制機器人按自設定的軌跡運動，采用的機器人是ABB的1440。由于學生多機器人少，我們采用了四個學生一個組的方式，大家按組輪流來做實驗。盡管學生們在實驗中出現(xiàn)了各種各樣的錯誤，但學生們的興致很高，一直操作到每組許可的時間結束。學生們反映這個實驗對于他們鍛煉的價值很大，因為把理論和實際之間的這層窗戶紙給打通了，讓學生們對于這門機器人的課程有了一個系統(tǒng)的認識和理解。

四 結語

機器人課程在各高校中變得越來越普遍，如何結合機器人技術的發(fā)展搞好機器人的教學工作是許多機器人教育者關心的問題。筆者通過對國內(nèi)外部分高校的機器人教學進行調研，并結合我校機器人教學的實際情況，對《機器人學》這門研究生課程進行了改革與探索，在過去三年的改革與實踐過程中，取得了不錯的教學效果。

本論文得到了北京航空航天大學研究生教育與發(fā)展研究專項基金的資助，在此表示感謝。

參考文獻

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Research and Practice in Teaching of a Robotics Lesson

ZHAN Qiang YAN Cai-xia CAI Yao

(Robotics Institute， Beihang University， Beijing 100191， China)

Abstract: In order to update teaching ideas and optimize teaching methods， the robotics teaching conditions of several famous universities are investigated. In accordance with the principal idea of “capability cultivating”， the robotics teaching in Beihang University is innovated from teaching contents and teaching methods. The practice results show that the reformed teaching contents and teaching methods can efficiently improve the teaching quality and the practice ability of students.

Keywords: Robotics Teaching; Capability Cultivating; Teaching Contents; Teaching Methods編輯:陳墨