“項(xiàng)目式”強(qiáng)化訓(xùn)練的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

容愛(ài)瓊

摘要：隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的高校開展了機(jī)器人課程。在分析機(jī)器人實(shí)驗(yàn)課現(xiàn)有問(wèn)題的基礎(chǔ)上，摸索總結(jié)了一套“項(xiàng)目式”強(qiáng)化訓(xùn)練的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。該方法以具體的機(jī)器人設(shè)計(jì)和應(yīng)用的項(xiàng)目任務(wù)為依托，改善對(duì)學(xué)生的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并綜合加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)、優(yōu)化交叉課程教學(xué)、提高授課教師素質(zhì)等多種方法，著力提高機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量和效率。教學(xué)實(shí)踐證明，該方法能夠提高學(xué)生對(duì)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，加深學(xué)生對(duì)機(jī)器人理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)，強(qiáng)化學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐和團(tuán)隊(duì)合作能力，滿足提高教學(xué)質(zhì)量和效率的要求。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)；項(xiàng)目式；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）28-0268-02

機(jī)器人是一個(gè)多學(xué)科交叉的綜合產(chǎn)物，涉及機(jī)械工程、電子技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制理論以及人工智能等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，代表了當(dāng)今機(jī)電一體化的最高成就。當(dāng)前，工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用；隨著人口的老齡化，服務(wù)機(jī)器人也成為了研究的熱點(diǎn)。在此背景下，越來(lái)越多的高校開設(shè)了機(jī)器人課程并給予較高的重視。機(jī)器人課程具有涉及學(xué)科廣泛、實(shí)踐性強(qiáng)、探索性豐富等特點(diǎn)，是面向高等學(xué)校機(jī)械工程學(xué)科機(jī)械工程及機(jī)械電子工程專業(yè)的本科生和一年級(jí)研究生開設(shè)的專業(yè)課。

根據(jù)應(yīng)用型本科的教學(xué)定位，本著“技術(shù)強(qiáng)校，應(yīng)用為本”的辦學(xué)指導(dǎo)方針，華南理工大學(xué)廣州學(xué)院以機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)中心的機(jī)器人資源為依托，面向機(jī)械類專業(yè)學(xué)生開展了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)課程并不斷探索更好的教學(xué)方法，著力培養(yǎng)滿足用人需求的技術(shù)應(yīng)用型人才。

在此，本文在分析國(guó)內(nèi)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)課程現(xiàn)有問(wèn)題的基礎(chǔ)上，總結(jié)自身的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了“項(xiàng)目式”強(qiáng)化訓(xùn)練的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。該方法以具體的項(xiàng)目任務(wù)為依托，促使學(xué)生在完成項(xiàng)目任務(wù)的過(guò)程中“既動(dòng)腦又動(dòng)手”，得到了較好的教學(xué)效果。

一、機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)有問(wèn)題

目前，機(jī)器人教學(xué)在國(guó)內(nèi)各高等學(xué)校迅速發(fā)展，相當(dāng)一部分的高校建立了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室并開展了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)課程。雖然機(jī)器人教學(xué)工作發(fā)展迅速，但是完整的教學(xué)體系尚未形成，在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍然存在不少值得關(guān)注的問(wèn)題。

1.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)單一。目前，阻礙機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要原因就是搭建機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所需的器材費(fèi)用非常高。譬如：一套安川小型工業(yè)機(jī)器人高達(dá)十幾萬(wàn)元，一套包括控制器、傳感器、馬達(dá)和零部件等的樂(lè)高機(jī)器人教學(xué)專用套裝一般需要六七千元。另外，機(jī)器人的組裝和維護(hù)所需的硬件設(shè)備和人力投入也是一筆龐大的開銷。由于受到經(jīng)費(fèi)等原因的限制，相當(dāng)一部分的學(xué)校只能購(gòu)買并搭建一到兩種機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，因而能夠讓學(xué)生動(dòng)手操作、親身體驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)資源非常有限，也難以開展多種機(jī)器人實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容比較單調(diào)，缺乏“廣度”，對(duì)學(xué)生的吸引力不強(qiáng)。

2.教學(xué)手段傳統(tǒng)。機(jī)器人實(shí)驗(yàn)不僅要求學(xué)生要?jiǎng)邮郑€要求學(xué)生要?jiǎng)幽X，但目前機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的開展以教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示和學(xué)生按照步驟操作為主。這樣的教學(xué)手段使得學(xué)生按照明確的步驟即可完成實(shí)驗(yàn)，無(wú)須自行查找資料、思考并解決問(wèn)題、進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作。在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，學(xué)生缺乏主動(dòng)實(shí)踐的機(jī)會(huì)，難以激發(fā)學(xué)生對(duì)機(jī)器人進(jìn)行學(xué)習(xí)和操作的主動(dòng)性和積極性。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后往往很快就遺忘所學(xué)的內(nèi)容，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后收獲不多，甚至印象不深，從而導(dǎo)致機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果較差。另外，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程的評(píng)價(jià)依據(jù)只能是學(xué)生能否按時(shí)上課和完成實(shí)驗(yàn)，不能有效地區(qū)分出部分動(dòng)手能力強(qiáng)、創(chuàng)新意識(shí)較強(qiáng)的學(xué)生并給予較高的評(píng)價(jià)。不具有一定挑戰(zhàn)性的按部就班式的實(shí)驗(yàn)操作，也不能激發(fā)學(xué)生爭(zhēng)先創(chuàng)優(yōu)的競(jìng)爭(zhēng)心理，這也導(dǎo)致了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果并不理想。

3.教師資源匱乏。機(jī)器人課程融合了多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，涉及到相當(dāng)多前沿領(lǐng)域的技術(shù)。因此，機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)教師有著比較高的要求，要求教師具備多學(xué)科知識(shí)背景、較強(qiáng)的動(dòng)手能力和指導(dǎo)學(xué)生對(duì)新事物進(jìn)行探索實(shí)踐的能力。然而，由于機(jī)器人教學(xué)在我國(guó)起步較晚，完整的機(jī)器人教學(xué)體系尚未形成，教師隊(duì)伍尚在建設(shè)中，專門進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)的教師較少，在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)的教師就更少了。所以，在開展機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，各高校的教師資源嚴(yán)重匱乏。

二、“項(xiàng)目式”強(qiáng)化訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

針對(duì)已發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，華南理工大學(xué)廣州學(xué)院探索總結(jié)了一套“項(xiàng)目式”強(qiáng)化訓(xùn)練的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

1.進(jìn)行項(xiàng)目訓(xùn)練的教學(xué)。為了推行“項(xiàng)目式”強(qiáng)化訓(xùn)練的教學(xué)模式，華南理工大學(xué)廣州學(xué)院安排了工業(yè)自動(dòng)化強(qiáng)化訓(xùn)練Ⅰ和Ⅱ兩個(gè)課程。其中，強(qiáng)化訓(xùn)練Ⅰ是可編程控制器和單片機(jī)的基礎(chǔ)課程，以教師課堂授課和安排實(shí)驗(yàn)為主。強(qiáng)化訓(xùn)練Ⅱ是后續(xù)課程，以項(xiàng)目任務(wù)為教學(xué)內(nèi)容，將機(jī)器人作為可編程控制器和單片機(jī)的學(xué)習(xí)平臺(tái)，以機(jī)器人各種工作站的搭建為具體任務(wù)，開展機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)集成等教學(xué)，整個(gè)環(huán)節(jié)以學(xué)生操作為主。教師設(shè)計(jì)有多個(gè)不同的項(xiàng)目任務(wù)，供學(xué)生自行組隊(duì)、自由選擇。每個(gè)小組根據(jù)選定的項(xiàng)目任務(wù)，自行進(jìn)行組內(nèi)分工和安排工作日程，查閱相關(guān)資料進(jìn)行程序或輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)豐富具體的項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)生的機(jī)器人學(xué)習(xí)，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣和水平選擇項(xiàng)目任務(wù)，這可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)意識(shí)。“既要?jiǎng)幽X又要?jiǎng)邮帧钡捻?xiàng)目任務(wù)加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)機(jī)器人的認(rèn)識(shí)，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)知識(shí)的運(yùn)用，學(xué)生對(duì)學(xué)到、用到的知識(shí)印象深刻，從而提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。

例如：教師設(shè)計(jì)了一個(gè)“基于工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)線分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的項(xiàng)目任務(wù)，要求學(xué)生在4周時(shí)間內(nèi)搭建一個(gè)生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠自動(dòng)對(duì)傳輸帶上的不同顏色（黑色和白色）、不同材質(zhì)（金屬和塑料）的物件進(jìn)行識(shí)別，并將不同的物件從傳輸帶上搬運(yùn)到指定的區(qū)域。學(xué)生在小組內(nèi)自行協(xié)商項(xiàng)目分工和安排項(xiàng)目進(jìn)度，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源搭建了由PLC控制的生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了PLC與機(jī)器人的通信，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了示教編程，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。教師每周對(duì)學(xué)生的項(xiàng)目進(jìn)度進(jìn)行1～2次監(jiān)督檢查，并及時(shí)對(duì)學(xué)生遇到的問(wèn)題給予指導(dǎo)。

2.推動(dòng)實(shí)踐項(xiàng)目的開展。在課外時(shí)間，進(jìn)行以教師為指導(dǎo)、學(xué)生為主要參與者的實(shí)踐項(xiàng)目活動(dòng)，是培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主創(chuàng)新思維的重要方式，也是“項(xiàng)目式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的一種實(shí)踐形式。華南理工大學(xué)廣州學(xué)院自2009年起，建立了一個(gè)可容納50人的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，每年參加ROBOCON全國(guó)機(jī)器人大賽，以比賽項(xiàng)目為依托鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)和應(yīng)用機(jī)器人。此外，學(xué)校開展了大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（SRP），并積極鼓勵(lì)學(xué)生參加廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和挑戰(zhàn)杯等實(shí)踐活動(dòng)。不少學(xué)生以機(jī)器人為主題進(jìn)行創(chuàng)新和實(shí)踐，并取得了較好的成績(jī)。

3.加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)。“項(xiàng)目式”強(qiáng)化訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法重在實(shí)踐，離不開完善的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。針對(duì)上述由于價(jià)格昂貴而導(dǎo)致“實(shí)驗(yàn)平臺(tái)單一”的問(wèn)題，華南理工大學(xué)廣州學(xué)院依托機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)中心的現(xiàn)有機(jī)器人教學(xué)資源，將其進(jìn)行優(yōu)化整合，建立了機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，搭建了多個(gè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，包括三菱和西門子PLC培訓(xùn)、單片機(jī)培訓(xùn)兩個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)，廣州數(shù)控機(jī)器人和日本MOTOMAN-SV3X工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)，以及基于機(jī)器人比賽開發(fā)的智能車機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，既為學(xué)生提供了基礎(chǔ)理論的實(shí)踐平臺(tái)，也為機(jī)器人項(xiàng)目式訓(xùn)練和比賽項(xiàng)目實(shí)踐等方面提供了必要的資源。

4.優(yōu)化交叉課程的教學(xué)。機(jī)器人學(xué)科綜合性很強(qiáng)，涉及多個(gè)學(xué)科，推動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)須要優(yōu)化交叉課程的教學(xué)。交叉課程教學(xué)的優(yōu)化能夠提高機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量，而機(jī)器人實(shí)驗(yàn)課程又能為交叉課程的教學(xué)提高實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生能夠在機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證和運(yùn)用交叉課程的知識(shí)，從而起到相輔相成的作用，形成良性循環(huán)。

華南理工大學(xué)廣州學(xué)院機(jī)械學(xué)院將機(jī)器人控制系統(tǒng)作為PLC和單片機(jī)強(qiáng)化訓(xùn)練項(xiàng)目來(lái)開展，使得學(xué)生在PLC和單片機(jī)的學(xué)習(xí)過(guò)程中能夠借助機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)了解控制系統(tǒng)和理解一些較為復(fù)雜的控制原理，在完成機(jī)器人項(xiàng)目任務(wù)的過(guò)程中運(yùn)用并進(jìn)一步學(xué)習(xí)PLC和單片機(jī)的知識(shí)，因而取得了較好的教學(xué)效果。

5.著力教師素質(zhì)的提高。“項(xiàng)目式”強(qiáng)化訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法不但要求教師具備有較強(qiáng)的動(dòng)手能力和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，還要求教師具備多學(xué)科知識(shí)背景，對(duì)教師有著較高的要求。為此，華南理工大學(xué)廣州學(xué)院通過(guò)多種形式著力提高機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教師的綜合素質(zhì)，例如：組織教師參加機(jī)器人高峰研討會(huì)，開展各種教研沙龍和網(wǎng)絡(luò)教研活動(dòng)，與優(yōu)秀的教師團(tuán)隊(duì)交流學(xué)習(xí)；組織教師前往廣州數(shù)控設(shè)備有限公司等企業(yè)進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)，了解當(dāng)前市場(chǎng)上的機(jī)器人產(chǎn)品；對(duì)積極指導(dǎo)學(xué)生完成項(xiàng)目任務(wù)的教師進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，提高教師的工作積極性。

三、結(jié)語(yǔ)

“項(xiàng)目式”強(qiáng)化訓(xùn)練的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法采用以學(xué)生為中心，教師為指導(dǎo)的教學(xué)模式，在整合機(jī)器人實(shí)驗(yàn)資源的基礎(chǔ)上，通過(guò)豐富具體的項(xiàng)目任務(wù)帶動(dòng)學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人的學(xué)習(xí)。教學(xué)實(shí)踐表明，該方法能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和創(chuàng)新能力，從而提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。

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