森林工程專(zhuān)業(yè)的機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)課程改革研究

歷美岑，辛 穎

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

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森林工程專(zhuān)業(yè)的機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)課程改革研究

歷美岑，辛 穎*

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

摘要機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)是東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院森林工程專(zhuān)業(yè)的選修課，是機(jī)械、電子、控制、檢測(cè)、通信和計(jì)算機(jī)相關(guān)知識(shí)的有機(jī)融合。筆者結(jié)合森林工程專(zhuān)業(yè)的辦學(xué)定位，分析該課程在森林工程教學(xué)中的作用和現(xiàn)狀，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、課程學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)等方面，提出了機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)的課程改革辦法。這些改革辦法的實(shí)施不僅培養(yǎng)了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，還適應(yīng)了社會(huì)發(fā)展對(duì)復(fù)合型人才的需求，也提高了整個(gè)課程的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)；課程改革；森林工程

森林工業(yè)機(jī)器人的研究在我國(guó)林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有十分重要的地位，已完成的國(guó)家“863”項(xiàng)目“林木球果采集機(jī)器人”“伐根清理機(jī)器人”和“旋切智能定心上木機(jī)器人”等已經(jīng)得到應(yīng)用[1]。隨著機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)方面的基礎(chǔ)知識(shí)不僅是森林工程專(zhuān)業(yè)對(duì)學(xué)生進(jìn)行能力培養(yǎng)的重要內(nèi)容之一，而且逐步成為森林工程專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)踐課程的良好載體。

機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)是森林工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)選修課，是機(jī)械、電子、控制、檢測(cè)、通信和計(jì)算機(jī)知識(shí)的有機(jī)融合。該課程注重將機(jī)器人基礎(chǔ)理論與應(yīng)用相結(jié)合，力求反映國(guó)內(nèi)外機(jī)器人研究領(lǐng)域的新進(jìn)展。開(kāi)設(shè)該課程的目的是讓學(xué)生能夠獲得有關(guān)機(jī)器人的基本理論、知識(shí)和技能，結(jié)合實(shí)際案例，使學(xué)生能自行設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的機(jī)器人系統(tǒng)，進(jìn)而鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力[2]，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力[3]，提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力[4]，為今后從事森林工程專(zhuān)業(yè)相關(guān)機(jī)械裝備工作、機(jī)器人設(shè)計(jì)與維護(hù)和攻讀碩士學(xué)位打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。筆者就機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)在森林工程教學(xué)中存在的問(wèn)題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和課程學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)3個(gè)方面的改革入手，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力為導(dǎo)向，提出課程改革的方案，并在教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行了嘗試。

1教學(xué)目標(biāo)

1.1使學(xué)生獲得機(jī)器人的理論知識(shí)學(xué)生通過(guò)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)課程可以學(xué)到關(guān)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、機(jī)器人控制、機(jī)器人軌跡規(guī)劃、傳感器等理論知識(shí)。對(duì)這些機(jī)器人方面基礎(chǔ)知識(shí)的掌握有助于學(xué)生進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)。

1.2培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力學(xué)生掌握理論知識(shí)后，更應(yīng)該注重實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)課程涉及很多實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，需要學(xué)生動(dòng)手操作，以鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力。該課程要求學(xué)生在學(xué)習(xí)完成后，可以自行設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單的機(jī)器人系統(tǒng)，在此過(guò)程中鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新能力，進(jìn)而提高了學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力。

1.3為學(xué)生以后從事相關(guān)工作打下基礎(chǔ)森林工程的畢業(yè)生中有部分會(huì)選擇機(jī)械類(lèi)的工作，因其學(xué)習(xí)了機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)和綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容，已經(jīng)具備從事相關(guān)工作的基本能力。所以，學(xué)生通過(guò)對(duì)該課程的學(xué)習(xí)，掌握了機(jī)器人技術(shù)的理論知識(shí)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)提高了綜合設(shè)計(jì)能力，這兩個(gè)方面都為學(xué)生以后從事相關(guān)工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2教學(xué)現(xiàn)狀

2.1教學(xué)手段不夠完善學(xué)生接受信息的途徑不斷增多，不同階段學(xué)生的特點(diǎn)也不同。機(jī)器人技術(shù)不斷發(fā)展，知識(shí)也在不斷更新，這些因素都給教師的授課方式提出了更高的要求，需要不斷更新和完善教學(xué)方法。因此，探索新的教學(xué)方法勢(shì)在必行。

2.2相應(yīng)的課程網(wǎng)站建設(shè)不足在互聯(lián)網(wǎng)如此發(fā)達(dá)的時(shí)代，很多學(xué)生會(huì)從互聯(lián)網(wǎng)獲取學(xué)習(xí)資源。該課程在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面并沒(méi)有對(duì)應(yīng)的網(wǎng)站或網(wǎng)上資源，不能實(shí)現(xiàn)學(xué)生和教師的資源共享。為了加強(qiáng)教學(xué)資源共享，完善教師和學(xué)生的網(wǎng)上互動(dòng)答疑、討論，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，與機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)課程相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)站建設(shè)是十分必要的。

2.3教學(xué)研究力度不夠教師對(duì)該課程的研究力度直接決定了學(xué)生的知識(shí)接受程度，而目前教師對(duì)于該課程的研究力度的現(xiàn)狀就是缺乏高水平的教研論文，這就對(duì)授課教師提出了更高的要求。授課教師應(yīng)該通過(guò)外出學(xué)習(xí)等方式加深對(duì)該課程的研究，發(fā)表出高水平的教研論文來(lái)提高對(duì)該課程的研究水平，進(jìn)而給學(xué)生帶來(lái)更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

3課程改革辦法

課堂理論知識(shí)的講授可以使學(xué)生的認(rèn)識(shí)、能力、技能等得到全面發(fā)展。為了使學(xué)生更好地接受課程相關(guān)知識(shí)，授課教師在教學(xué)過(guò)程中采用了多樣化的教學(xué)方法，完善了教學(xué)方式，更新了教學(xué)內(nèi)容。例如該課程會(huì)在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中采用案例式的教學(xué)手段，結(jié)合SCARA型教學(xué)機(jī)器人樣機(jī)和森工特種機(jī)器人，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)講解。這些具體的參照模型都會(huì)使學(xué)生在學(xué)習(xí)中收獲更好的學(xué)習(xí)效果。教師從運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等方面，分別以實(shí)際案例結(jié)合每章的設(shè)計(jì)項(xiàng)目問(wèn)題對(duì)SCARA機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)、詳細(xì)的講解。教師在教學(xué)過(guò)程中還采用了交互式提問(wèn)、類(lèi)比等方式，這些方法不僅可以鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考、大膽質(zhì)疑，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題，加強(qiáng)分析討論，還可以培養(yǎng)學(xué)生研究型學(xué)習(xí)的理念。

3.1教學(xué)方法改革

3.1.1采用案例式、討論式教學(xué)方法。教師對(duì)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)課程的授課內(nèi)容和方式進(jìn)行了改革與創(chuàng)新實(shí)踐，在授課過(guò)程中，注重知識(shí)的更新，增加機(jī)器人的熱點(diǎn)知識(shí)，讓學(xué)生能夠掌握機(jī)器人的最新動(dòng)態(tài)。在教學(xué)過(guò)程中，教師采用案例教學(xué)法、討論式教學(xué)法等，采用課堂講授、討論、自學(xué)等多樣化教學(xué)方法與多環(huán)節(jié)考評(píng)方法相結(jié)合，將森工特種機(jī)器人作為講授的案例，將森林工程的專(zhuān)業(yè)內(nèi)容與課程進(jìn)行良好的融合。這種現(xiàn)代化教學(xué)手段可以更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

3.1.2實(shí)施立體化教學(xué)，積極進(jìn)行數(shù)字化資源建設(shè)。教師在課程中實(shí)施了理論課程、實(shí)踐教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)助學(xué)、課外研學(xué)四位一體的立體化教學(xué)模式。以理論教學(xué)為先導(dǎo)，理論課結(jié)束之后緊接著安排研究型、開(kāi)放型的綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié)，開(kāi)展與課程相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)助學(xué)與課外研學(xué)活動(dòng)，使得課程教學(xué)得到拓展和延伸。基于慧魚(yú)創(chuàng)意模型的機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目的實(shí)施，為機(jī)器人教學(xué)[5-9]與實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革[10-11]奠定了良好的基礎(chǔ)，為學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展提供了空間。授課教師充分利用現(xiàn)代化教學(xué)手段，開(kāi)發(fā)CAI課件和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，以提高機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)課程的教學(xué)質(zhì)量。數(shù)字化教學(xué)資源設(shè)計(jì)與應(yīng)用是精品課程教學(xué)的重要保障。在課程建設(shè)過(guò)程中，主講教師積極進(jìn)行課程網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，將課程教學(xué)資源全部上傳網(wǎng)絡(luò)，包括教學(xué)錄像、教學(xué)課件、教學(xué)大綱、習(xí)題等，為學(xué)生線(xiàn)上學(xué)習(xí)提供了很大的便利，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3.1.3完善師資隊(duì)伍，提高整體教學(xué)水平。森林工程教學(xué)團(tuán)隊(duì)在教學(xué)方法上首先采取了“以老帶新，以新促老”的方法，提高了課程組的整體水平；其次，定期組織教學(xué)經(jīng)驗(yàn)交流，通過(guò)集體備課和定期交流的方式，學(xué)習(xí)教學(xué)技巧，提升整體授課效果；再次，組織教師觀摩教學(xué)，相互聽(tīng)課，及時(shí)指正教學(xué)中存在的問(wèn)題和不足，促進(jìn)青年教師教學(xué)水平的提高；最后實(shí)行了集體備課制度，使授課教師明確講課的內(nèi)容，熟悉和掌握每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的要求和標(biāo)準(zhǔn)。

3.2教學(xué)內(nèi)容改革

3.2.1重新設(shè)計(jì)課程內(nèi)容，完善課程體系。機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)是為森林工程及相關(guān)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)選修課。隨著現(xiàn)代林業(yè)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，課程內(nèi)容和體系也必隨之改革和發(fā)展。機(jī)器人控制技術(shù)課程的培養(yǎng)目標(biāo)是鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力，而這些能力的培養(yǎng)需要貫穿于教學(xué)的全過(guò)程。所以森林工程教學(xué)團(tuán)隊(duì)刪除了那些在教學(xué)內(nèi)容上為了保證課程系統(tǒng)性和理論完整性而安排的古典、抽象或深層次的知識(shí)內(nèi)容，及時(shí)把教學(xué)改革和教學(xué)研究成果及學(xué)科最新發(fā)展成果引入理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)。在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)創(chuàng)造條件讓學(xué)生了解國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的機(jī)器人產(chǎn)品，以啟發(fā)創(chuàng)造性思維和激發(fā)創(chuàng)造欲望；讓學(xué)生對(duì)典型的機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)、功能和控制原理分析，以便深入了解機(jī)器人；將所有章節(jié)的重點(diǎn)和難點(diǎn)均從案例中摘取出來(lái)，進(jìn)行實(shí)例講解，用一個(gè)案例將所有的重點(diǎn)難點(diǎn)串到一起，在降低學(xué)習(xí)難度的同時(shí)加強(qiáng)知識(shí)學(xué)習(xí)的連貫性；讓學(xué)生對(duì)已有的機(jī)器人系統(tǒng)提出改進(jìn)措施并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)，形成一個(gè)完整、合理的培養(yǎng)過(guò)程。

3.2.2將教室搬到實(shí)驗(yàn)室，積極開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)。結(jié)合課程特點(diǎn)，在講授機(jī)器人結(jié)構(gòu)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等知識(shí)時(shí)，由教師帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生結(jié)合具體機(jī)器人進(jìn)行實(shí)際分析。通過(guò)具體案例的講授與學(xué)生的實(shí)際分析，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使理論與實(shí)踐知識(shí)能夠很好地結(jié)合，使學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握更加牢固。東北林業(yè)大學(xué)森林工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)設(shè)了機(jī)器人設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)都注重創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)，通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)可以有效提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、分析和解決工程問(wèn)題的能力。

3.2.3開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)型、研究型實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供理論聯(lián)系實(shí)際的平臺(tái)。在對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，授課教師對(duì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、方法和模式等進(jìn)行了改革，將教學(xué)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)放在設(shè)計(jì)型與研究型實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)和建設(shè)上，因?yàn)檫@類(lèi)實(shí)驗(yàn)可以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。主講教師已對(duì)慧魚(yú)機(jī)器人的教學(xué)應(yīng)用進(jìn)行了多年研究，指導(dǎo)近10篇本科畢業(yè)論文研究慧魚(yú)機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)方案，且實(shí)驗(yàn)方案已經(jīng)比較成熟。因此，在機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)中增加設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型的慧魚(yú)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)是十分合理并可行的。慧魚(yú)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)等這類(lèi)設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的加入會(huì)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性，引導(dǎo)學(xué)生由被動(dòng)走向主動(dòng)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)其動(dòng)手能力，鍛煉分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

3.3課程學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)改革為了更加科學(xué)、合理地完成學(xué)生成績(jī)的考核工作，有效提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)效果，特制訂了該課程的考核原則：總成績(jī)由平時(shí)成績(jī)+實(shí)驗(yàn)成績(jī)+階段考試成績(jī)+期末成績(jī)構(gòu)成。將學(xué)生分成小組，開(kāi)展課外研學(xué)活動(dòng)。計(jì)劃同步于課堂講授內(nèi)容，為學(xué)生布置一些相關(guān)的題目，讓學(xué)生利用課余時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)資源查閱資料，了解相關(guān)的技術(shù)和研究進(jìn)展，每組結(jié)合課程內(nèi)容要完成一個(gè)研究匯報(bào)，并在課堂上講解，學(xué)生與教師共同參與討論，該項(xiàng)作為平時(shí)成績(jī)之一。在階段考試和期末考試中，重點(diǎn)考察學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。

4結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)在森林工程專(zhuān)業(yè)中的教學(xué)作用不可忽視。學(xué)生通過(guò)對(duì)該課程的學(xué)習(xí)，不僅掌握了機(jī)器人相關(guān)的理論和技能，而且在一定程度上鍛煉了實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，總體上提高了綜合設(shè)計(jì)能力，更為今后從事機(jī)器人或其他機(jī)械相關(guān)工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。教學(xué)督導(dǎo)員、學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)、學(xué)院系主任等多次對(duì)該課程組織聽(tīng)課，認(rèn)為該課程教師的教學(xué)態(tài)度認(rèn)真，課前準(zhǔn)備充分，教學(xué)內(nèi)容充實(shí)，注重學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)，師生互動(dòng)性強(qiáng)，使課堂從單純的知識(shí)型教學(xué)向注重工程實(shí)踐能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變，與此同時(shí)，學(xué)生關(guān)于機(jī)器人方面的知識(shí)和能力也得到了顯著提升，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性得到了調(diào)動(dòng)，期末成績(jī)也得以大幅度提升。

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基金項(xiàng)目東北林業(yè)大學(xué)重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目資助。

作者簡(jiǎn)介歷美岑(1994- )，女，黑龍江雞西人，碩士研究生，研究方向：森林工程。*通訊作者，副教授，博士，從事森林工程研究。

收稿日期2016-04-20

中圖分類(lèi)號(hào)S-01；S 77

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)15-257-02

Course Reform of Basic of Robot Technology Based on Forest Engeering

LI Mei-cen，XIN Ying*

(College of Engineering and Technology, Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040)

AbstractBasic of Robot Technology is an elective course of students in forest engineering, College of Engineering and Technology, Northeast Forestry University. And it is the organic integration of machinery, electronics, control, detection, communication and computer. According to the orientation of forest engineering, we analyzed the role and status of this course in teaching forest engineering, and then proposed the curriculum reform measures for Basic of Robot Technology from the aspects of teaching content, teaching methods and course evaluation. The implementation of these reform measures not only cultivated students' ability to analyze and solve problems, but also adapted to the needs of social development of compound talents, and also improved the teaching effect and teaching quality of the whole course.

Key wordsBasic of Robot Technology; Course reform; Forest engineering