機器人創(chuàng)新工程實踐教學改革與探索

張毅+汪幫富+王思明

摘要：機器人創(chuàng)新工程實踐教學旨在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和工程實踐能力。本文闡述了機器人實踐教學的現(xiàn)狀及存在的問題、培養(yǎng)目標和教學改革等方面的內(nèi)容，旨在探索機器人創(chuàng)新工程實踐教學體系與教學模式的改革，為機器人實踐教學過程中提高學生的創(chuàng)新意識和工程實踐能力獻計獻策。

關鍵詞：機器人教學；實踐改革；創(chuàng)新工程

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）51-0133-02

一、傳統(tǒng)機器人實踐教育的現(xiàn)狀及存在的問題

1.教學內(nèi)容跟不上機器人的發(fā)展速度。隨工業(yè)4.0的提出和應用，各國在機器人研發(fā)和制造方面投入了大量的精力和物力，機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅速，而我們的教學大綱大多數(shù)幾年都沒有什么變化，遠遠落后于機器人技術的發(fā)展。同時教師在授課時基本按照教學大綱執(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，可能有部分內(nèi)容已經(jīng)不再使用，而不能把機器人學科前沿進展和最新成果傳授給學生。

2.教學環(huán)節(jié)設置上存在不合理。機器人教育在教學環(huán)節(jié)上存在不合理，大多數(shù)高校在機器人教育方面以理論課為主，實踐教學環(huán)節(jié)不足，教師偏重于對理論課的講解，缺乏實踐動手環(huán)節(jié)。而實踐環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學生工程實踐能力和創(chuàng)新意識的最佳方法，是鍛煉學生運用所學的知識分析和解決實際問題等必不可少的重要環(huán)節(jié)。

3.教育機器人產(chǎn)品缺少規(guī)范。目前，市場上生產(chǎn)和出售教育機器人的廠家很多，并且大多都是小企業(yè)，沒有統(tǒng)一的標準和規(guī)范，所以自成體系，互不兼容，系統(tǒng)開放度低，基本上不可能進行二次開發(fā)，對學生的學習用處不大。

二、機器人創(chuàng)新實踐平臺的培養(yǎng)目標

1.熟練掌握基礎知識和靈活應用能力。學生通過機器人創(chuàng)新工程實踐，可以深度掌握機械設計和制造技術、電路技術、電子技術、單片機技術、自動控制原理技術等知識以及基本實用電路設計，將所學理論知識靈活應用于機器人創(chuàng)新工程實踐。

2.專業(yè)知識的綜合應用能力。機器人是典型的機電一體化產(chǎn)品，機電一體化產(chǎn)品是機械技術和電子技術有機組合所構成的整體，所以，在機器人創(chuàng)新工程實踐中，需要學生按機器人設計功能要求構建相應的機器人機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，需要學生將所學習的機械原理、機械設計、機械制造技術、電路、數(shù)電模電、傳感器技術、自動控制原理、單片機、計算機控制技術、機電一體化技術等學科知識進行融合，因此需要培養(yǎng)學生綜合應用多門專業(yè)知識的能力。

3.培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神。機器人技術是一門跨專業(yè)、高度綜合的新興學科，其本身的綜合性非常強，涉及的學科也很多，如電路技術、數(shù)電模電技術、單片機技術、傳感器技術、自動控制原理技術、機械制造設計和機電一體化技術等多門學科。在機器人實踐教學和設計的過程中，由于受到學生的知識層次和動手能力等方面的限制，所以需要多名同學組成學習小組，發(fā)揮團隊協(xié)作精神、相互配合，才能設計制造出高質(zhì)量的機器人。小組成員既要分工又要合作，形成良好的團隊，這就是未來社會需要的合作模式。所以說機器人實踐教學可以培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神。

4.分析問題、解決問題和獨立思考能力。機器人創(chuàng)新工程實踐過程要求學生團隊或小組獨立完成從車體機械結構設計、控制器設計、傳感器應用與檢測信息分析和處理、電源管理、控制軟件設計與編寫、系統(tǒng)安裝與調(diào)試到最終構建一個完整的機電一體化系統(tǒng)，學生在整個過程中，機器人學習小組需要查閱相關資料、傳感器選擇與布置、程序編制和調(diào)試以及方案論證都要在獨立思考狀態(tài)下進行，通過小組討論分析問題，最終找到解決問題的方法。

三、機器人創(chuàng)新實踐平臺的構建

（一）實踐平臺硬件建設。我校在工程訓練中心構建了大學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)平臺：機器人創(chuàng)新基地。它是一個培養(yǎng)學生工程實踐能力和創(chuàng)新意識的實踐基地。該基地以開放性實驗室的方式進行管理，是為學生和老師提供不同層次、不同專業(yè)的創(chuàng)新活動和科研活動的平臺。該平臺分為三部分：

1.以機械結構創(chuàng)新為主體的機械設計制造平臺，該平臺重點為機械類學生提供工程實踐教學條件，使學生能從低年級就開始參與較簡單的機器人創(chuàng)新實踐活動，并培養(yǎng)學生的工程實踐能力、機械設計制造能力和創(chuàng)新意識。

2.以電子創(chuàng)新設計為主體的電子設計制作平臺，主要為電子、控制和機械電子類專業(yè)的學生提供實踐教學條件。該平臺以低年級的電子設計制作實踐為基礎，通過設計制作各種簡單控制電路、控制系統(tǒng)提高學生的電子設計制作實踐能力，隨著實踐的深入開展和學生能力的提高，實踐內(nèi)容可以加深，學生可以進行更高層次的設計和制作。

3.以機電系統(tǒng)設計制作為主體的機器人設計平臺，該平臺是由以前兩個平臺為基礎進行綜合運用的平臺。該平臺是一個團隊協(xié)作的平臺，要求進入的學生必須通過上面兩個平臺之一的實踐學習且具有一定的基礎之后，才可以根據(jù)機器人的功能和設計要求組合設計團隊，由團隊完成機器人的設計、制作全部過程。

（二）實踐平臺“軟件”建設

受傳統(tǒng)教學理念和教學模式的影響，大部分高校偏重理論教學而忽視實踐教學。我校在加強機器人創(chuàng)新實踐教學硬件平臺建設的同時，也加強“軟件”建設。我校認真對待實踐指導教師這支隊伍的建設和發(fā)展，已建立了一支實踐技術高、教學能力強、具有創(chuàng)新意識、符合實踐教學環(huán)節(jié)要求和符合學?？茖W發(fā)展的高素質(zhì)實踐教師隊伍。其中，機器人創(chuàng)新實踐平臺指導教師團隊建設時，充分考慮機器人技術綜合了多學科知識，因此需要一個相對穩(wěn)定的、多學科互補的教師團隊，以利于更好地培養(yǎng)學生的動手能力、創(chuàng)新意識及競賽能力；同時建立學生團隊與梯隊，擴大了學生競賽的參與面，提高學生參與競賽的熱情，并為學校選拔優(yōu)秀學生組隊參加國家級、省級競賽提供參考。

四、機器人創(chuàng)新工程實踐教學改革與探索

1.突出以大賽為載體的教學模式。創(chuàng)新實踐教學模式的關鍵是必須找準切實可行的載體，機器人創(chuàng)新工程實踐教學以機器人大賽為載體。通過大賽，強化教學質(zhì)量，激發(fā)學生的主觀能動性和創(chuàng)新意識，在準備期間，學生應學習相關知識，踴躍進行訓練并形成自我學習的良好習慣，使得學習和教學效果大大增強，不僅工程能力得到提高，也使得專業(yè)知識在訓練中得到鞏固和升華，競賽還有利于培養(yǎng)學生的團隊合作精神、安全意識、環(huán)保意識和成本節(jié)約意識，提升學生的操作技能和綜合素質(zhì)。

2.注重創(chuàng)新教育，將大賽獲獎作品推廣至課堂教學。一段時間的機器人創(chuàng)新工程實踐教學產(chǎn)生了大量較高水平的學生大賽獲獎作品，這些作品對于低年級的學生非常有說服力，可以激發(fā)學生的學習興趣、自信心和主動性。實踐教學可以以這些作品為內(nèi)容和對象，由任課教師進行講解，重點講解其運用的原理和解決問題的思路、方法，以及運用哪些基本理論知識的綜合，并針對某個作品發(fā)表各自的意見或者提出改進的建議，有成熟的想法和能力的同學可進行重新設計。

3.校企合作，優(yōu)勢互補，增加課堂教學工程案例。機器人技術已經(jīng)廣泛應用于周邊生產(chǎn)制造企業(yè)，把一些典型的機器人技術工程案例引入課程教學，由工程師進行講解，包括項目背景、設計要求、技術路線、詳細方案、現(xiàn)場調(diào)試過程、驗收標準以及整個項目的管理辦法。通過工程案例的講解，學生有了全面的了解和熟悉，對于增強工程意識和實踐能力非常有益。同時，加強校企合作關系，從企業(yè)選聘實踐經(jīng)驗豐富的技術人員兼職學校指導教師，把他們所掌握的知識及最新技術傳授給學生；引入和利用企業(yè)實踐基地，讓企業(yè)為學校提供校外實習基地，并由企業(yè)的技術骨干擔任實習指導教師，拓展和更新實踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容和要求，提高實踐的真實性和工程性，讓學生感受“真刀真槍”的訓練，從而形成和構建優(yōu)良的工程實踐環(huán)境。

五、成果與總結

近年來，我校學生參加中國機器人大賽暨RoboCup（中國賽區(qū)）公開賽等機器人大賽共獲得國家級和省級的亞軍和季軍獎杯7座、獎勵證書82張。說明我校在機器人創(chuàng)新工程實踐教學方面的教學改革取得了良好的教學效果。

參考文獻：

[1]畢津滔.高校機器人教學改革新思路之探索[J].信息通信，2013，（3）：266-267.

[2]戰(zhàn)強.機器人教學改革的探索與實踐[J].現(xiàn)代教育技術，2010，20（3）：144-146：139.

Robot Innovation Engineering Practice Teaching Reform and Exploration

ZHANG Yi1，WANG Bang-fu1，WANG Si-ming2

（1.Suzhou University of Science and Technology，Suzhou，Jiangsu 215009，China；

2.Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，Gansu 730070，China）

Abstract：Robot innovation engineering practice teaching aims to cultivate students' innovation consciousness and engineering practice ability. This paper expounds the practice teaching of the current situation and existing problems of robot，the training goal and the content of the teaching reform，explores the robot innovation engineering practice teaching system and teaching mode reform，as the robot in the process of practice teaching，improves students' innovative consciousness and engineering practice ability.

Key words：robot teaching；practice reform；innovation project