高等工程教育中的機器人教育探索與實踐

閻世梁， 張 華， 肖曉萍， 王銀玲， 熊開封

(西南科技大學工程技術中心，四川綿陽621010)

0 引言

在強調工程教育“回歸工程、服務社會”的背景下，如何培養高素質的，具有現代工程觀的工程師是高等工程教育一個主要目標。在傳統的工程實踐教學中，實踐類型單一，實踐內容的枯燥，缺乏學科間的交叉融合等現實因素導致學生缺乏興趣，實踐效果不明顯，極大地制約了學生綜合應用能力的提升與創新意識的培養。因此，尋求具有吸引力的高度綜合的實踐教學載體是解決該問題的一種有效方式，實踐表明，以智能機器人為載體的工程實踐教學對提升學生的工程能力和創新意識具有明顯的效果［1］。

智能機器人作為一個多學科交叉融合的綜合載體，涵蓋了電子信息、機械、計算機、材料、生物等諸多大類學科，應用范圍幾乎可以涉及到日常生活和軍事應用的所有領域。正是因為智能機器人技術的高度綜合與極其廣泛的應用，以及機器人種類的繁多，我們也很難給其一個準確的定義。隨著教育信息化與國際化程度的不斷提升，機器人教育正在全球范圍內積極開展，在高等教育中，以智能機器人技術為載體的教學實踐與創新能力培養活動已經得到了廣泛的認可，并逐步滲透到各個學科，在一些發達國家，機器人教育可以從幼兒園的啟蒙階段一直延續到高等教育階段。在國外知名高校，如麻省理工學院(MIT)、卡耐基梅隆大學(CMU)、蘇黎世聯邦工學院(ETH)等在以智能機器人為載體的教學活動中探索機器人教育的關鍵技術和教育教學方法等方面都取得了明顯的成效［2］，并對機器人教育的可持續發展進行了探索［3］，文獻［4］對于在技術欠發達地區如何開展機器人教育進行了討論。然而，如何有效地開展機器人教育并無定式，不同高校和不同學科都有各自的特殊性。本文首先對機器人教育中存在的問題進行了簡要分析，進而以西南科技大學國家級工程訓練中心機器人實驗室為依托，對如何開展機器人教育進行了積極的探索與實踐。

1 機器人教育滲透到多專業、多學科

目前，傳統的觀點過多的將機器人教育看作是理工科的“專利”，這極大地限制了機器人教育的開展，我們應當從機器人教育的工程思維觀來思考機器人教育的開展。文獻［5-7］分別從機械工程、計算機科學和輪式機器人運動控制的角度討論了在具體學科、專業中機器人工程教育的開展，對于工科學生而言，以機器人為載體來強化知識和能力的綜合運用的方式已得到廣泛的實踐和認可。

隨著機器人教育內涵的不斷延伸，我們認為僅僅局限于機械、電子信息、計算機等少數幾個學科及其專業的機器人教育并不能很好的體現現代高等工程教育的“大工程”觀［8］，縱觀近年來機器人技術的發展，機器人正在從工業環境逐步滲透到娛樂［9］、福利事業［10］、醫療輔助［11］等社會環境，文獻［6］的統計表明，從1989～2009年，機器人技術在生物、感知方面的進步趨勢正逐步超越計算機、機械和電子工程等傳統優勢學科，然而我國高校中在醫學、能源工程、環境科學、生物工程等學科中卻很少有機器人教育真正意義上開展，但我們已經看到這些學科正在與機器人技術產生緊密的聯系。另一方面，我們認為所有專業的學生都可以從機器人感知和機器人文化的角度出發，對機器人在人類社會演進歷程進行認知，了解機器人在當代軍事、工業、農業、社會服務等范圍內發揮的作用，分析和評價機器人技術和機器人文化的進步對人類社會和經濟產生的影響，因此，如何用直觀的展示方法和簡單的動手操作來滿足各層次、各專業學生的好奇心，增強學生工程素質，培養學生創新意識，提升對科學探索的求知欲是值得我們深入思考的。

因此，我們認為在現代工程教育的理念下，機器人教育應該通過多種方式滲透到各個學科中［12-13］，并根據社會的進步和需求，在某些非機電類專業中進行加強，機器人教育不應僅僅看作是一個具體的專業實驗載體，它應當為不同專業的學生進行協作創新提供一個良好交流平臺。

2 機器人教育教學方式的多樣化與體現學科前沿

近20年來，機器人技術的發展日新月異，各種傳感器的應用，機械結構的改進，微處理器性能的提升以及算法的改進等都導致了機器人在智能化、適應性和多樣性等方面產生了顯著的進步。因此，大量豐富的信息需要多樣化的教學方式加以體現，普通的單一實驗裝置已無法滿足教學要求。

在實踐教學中:①引導學生以微處理器為核心單元，輔以常用傳感器，利用學校的機械加工設備構建移動移動機器人平臺來完成特定功能的機器人制作過程是一個很好的教學方式;②目前模塊化的機器人教學套件廣泛采用，如慧魚、Lego機器人，這類機器人教具便于學生發揮想象，體驗樂趣，可以讓不具有過多專業知識的學生通過一些簡單的圖形化編程操作來完成自己的作品，這兩種方式目前在高校中針對不同層次的學生都有涉及。但我們需要注意的是，這些內容大部分還處于對學生基本能力的訓練的層次，所涉及的內容也比較有限。例如，對于工業機器人軌跡規劃，移動機器人定位導航、地圖構建，仿生機器人，群集機器人等機器人學的前沿熱點，一般情況下這些內容在本科生教學階段僅個別專業能少有涉及，盡管這些內容還處于研究階段，但這些反應學科前沿的內容完全有必要通過簡單易行的方式讓學生加以認識和學習，途徑之一是利用軟件仿真來可視化這些內容，通過改變參數觀察不同的結果，能讓學生對此有感性認識，有興趣的學生可以通過與教師交流進一步學習，這對他們中的一部分今后走向科研道路是有幫助的;途徑之二是讓學生閱讀文獻，其中必須包括外文文獻，然后寫出自己的認識和疑惑，這種方式一方面鍛煉了學生查閱文獻的能力，同時也增強了學生自主學習和主動思考的能力。

除此之外，由于部分實驗裝置數量有限不利于大范圍的學生操作，我們還可以通過演示實驗，將教師或科研團隊的研究成果制作視頻加以展示等多種手段使學生了解機器人技術研究前沿，激發學生的對科學探索的求知欲，同時還可以吸納有興趣和潛力的學生加入科研團隊進行更加深入的研究。

3 現代工程教育背景下的機器人教育與科技競賽相結合

教學過程如何與學科競賽、科技活動相結合已有大量文獻進行過討論，但需要指出的是，科技競賽不應僅僅用技術指標作為衡量依據。現代高等工程教育要求融合人文科學和自然科學，以培養工程應用型人才為目標，著力培養學生的工程意識、工程素質以及工程實踐能力。

我們提倡在機器人教育中用競賽的形式來激發學生的實踐熱情和鍛煉學生的實踐能力［14］，在現階段意義下，我們所指的機器人或者是一個軟件工程或者是一個軟硬件的結合體，實際中機器人的形式大多以后者來體現。因此在現代工程教育觀中，我們強調無論是課內還是課外的競賽，學生制作的機器人作品除了預期的技術指標外，還必須要包括如下因素:意義和社會價值，團隊協作與成員分工，成本預算與風險控制，工業設計構思，文檔管理規范，作品效果自我評估，自我表達能力等。重要的一點是機器人教育與科技競賽相結合的產物應當體現部分創新性，一味的重復和模仿，不思考，不發揮想象力，對于任何科技競賽而言都是沒有價值的。

機器人教育的目的之一就是借助機器人技術的發展動力來推進教育教學工作的優化和發展，開展科技競賽的目的是提高學生的實踐能力和工程素質，將機器人技術的發展動力和開展科技競賽的活力有效結合，以創新能力的激發和現代工程素質的培養為目標，充分發揮現代工程教育背景下機器人教育的生命力。

4 開展機器人教育的探索與實踐

機器人實驗室依托我校國家級實驗教學示范中心進行建設，實驗室教師團隊近年來對如何開展機器人教育進行了積極的探索與實踐。在課程體系的設置方面，以“電子實訓”、“金工實習”、“創新實踐”、“科學技術史”、“工程技術概論”、“現代科學技術概論”為基礎課程，在此基礎上，我們開設了“機器人創意設計與實踐”、“趣味單片機制作”、“陶藝制作與鑒賞”等多門素質類課程。

圖1 課程層次結構簡圖

圖2 實驗室機器人教學設備

在“機器人綜合設計與實踐”課程中，如圖1所示，我們綜合考慮不同層次學生的需求，首先從機器人認知和機器人文化開始，通過多媒體的方式讓學生們對機器人的種類、現實應用、前沿技術有一個總體的印象。接下來，我們以小組的形式指導學生完成一個二輪巡線機器人的制作過程，所有器件和材料和配件都從網上選購，車體面板采用5 mm有機玻璃，讓學生根據各種車載電路板和電機支架開孔的尺寸要求用CAD作圖，然后使用激光雕刻機切割外形輪廓并開孔開槽，單片機小系統來自“電子實訓”課程的作品，巡線板作為標準模塊預先制作完成，并通過熱轉印，液體腐蝕、絲網印刷、元器件貼裝、再流焊一系列過程完成電機驅動部分的PCB制作，通過這樣的一個實踐過程極大的鍛煉了學生的實踐動手能力。另一方面，充分利用實驗室現有的實驗設備，如全向自主移動移動機器人，6自由度串、并聯工業機器人，16自由度人形機器人和慧魚組合模型來供學生學習和實踐，見圖2。

同時，我們選取一部分有代表性的技術做專題講座，如為什么全向輪可以使機器人不需轉向就可以朝任意方向運動，全景視覺在現實中的應用，為什么HSV顏色空間比RGB顏色空間更加有利于顏色識別，A*、D*算法與簡單的機器人路徑規劃，串聯機器人的正、逆運動學求解等主題，并且對每一個主題我們都通過軟件來實現直觀的可視化分析，如圖3所示，這些 做法都增強學生對機器人技術的認知和理解能力。

圖3 機器人技術的可視化分析案例

在課程的教學之外，我們還組建了電子愛好者協會，進一步發掘了有強烈學習興趣和潛質學生，學生可以通過申請加入“智能機器人創新實踐班”，在這里他們將進一步學習和掌握機器人技術的相關知識，進而為師生共建科研團隊，構建創新人才培養平臺提供了必要條件［15］。近年來，我們培養的學生在全國電子涉及大賽、亞太機器人大賽、飛思卡爾杯全國大學生智能車競賽等多項全國賽事中均取得了優異的成績，學生的實踐能力、工程素質和創新意識有了明顯的提升。

同時，學生參與實際工程項目的熱情被不斷激發，Brokk機器人智能化改造，以及2009年河南杞縣和廣東番禺輻照裝置卡源故障的成功排除，如圖4所示，既是我校機器人教育在多學科之間交叉融合的成果，也是我校師生科研團隊工程實踐能力的集中體現，卓有成效地開創了師生共建、責任共擔、雙方共贏的新格局，拓展了工程素質教育的新途徑。

圖4 師生參與機器人實際工程項目案例

5 結語

如何有效地以機器人教育為載體，把握機器人技術進步的趨勢，實現多學科之間的技術共享和協作創新，是機器人教育可持續發展重要因素，以現代高等工程教育的“大工程”觀將機器人教育的本質和內涵科學地滲透到各學科專業，在提高實踐能力的同時，如何有效激發學生的創新思維和協作能力，是高校開展機器人教育應重點思考之處。同時，機器人教育沒有固定的模式，高校在開展機器人教育的同時，應結合自身特點和優勢學科加以思考和利用，營造以學生為本的教學氛圍，讓學生在充滿樂趣和成就感的氛圍中體驗科技創新所帶來的愉悅感受。

我校近年來在落實培養“具有創新潛能和協作精神的高級應用型專門人才”的目標上，充分利用綿陽科技城的區域優勢和優勢學科，倡導“協同創新”機制，在如何將機器人教育與人才培養方面進行了積極有效的探索和實踐，值此西南科技大學建校60周年之際，我們將以吳佑壽院士的題詞“創業維艱寒暑六十，拼搏奮斗再譜華章”為激勵，在培養高素質創新型工程科技人才方面將不斷探索和總結。

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