以實踐為導向的機器人教學改革探索

張奔

摘 要 針對我國高校機器人實踐教學的不足，結合三江學院開展機器人教學現狀進行分析研究，以實踐為導向，提出針對機器人教學內容、方法的多層次立體的教學改革和探索。實踐表明，改革后的教學內容和方法能有效提升學生的工程能力和創新意識，也為工科院校開展以實踐教學為導向、培養創新型人才的模式進行了有效的探索與實踐。

關鍵詞 機器人教學；教學模式；實踐教學；教學改革

中圖分類號：TP242.2 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）06-0091-02

1 前言

機器人是高度整合機械、電子、計算機、材料、控制和仿生學的產物，在工業、農業、醫學、軍事等領域中均有重要用途，機器人學已經成為近年來各國科技發展的重要方向。因此，機器人教育已經成為高等院校相關專業的重要課程。但是由于機器人學的多學科交叉性以及較強的理論和實踐性要求，只有制訂一套切實符合應用型本科教學規律及要求的課程教學方案，強化實踐，以應用為導向，才能真正意義上培養適合地方工業經濟發展的應用型人才。

本文以三江學院機械工程學院機械電子工程專業為例，在對國內外高校機器人學科教學調研的基礎上，針對本校本專業的特點，提出一些建議和改革措施，應用于近兩年的教學之中，并取得較好的教學效果[1]。

2 國內外機器人教學現狀

美國機器人教學現狀 相對于國內而言，美國等西方國家的機器人教育起步較早，從中小學到高等教育到研究生教育的機器人教學體系較為完善。如麻省理工、卡內基·梅隆、斯坦福、伯克利等著名美國高校均針對不同對象開設了機器人課程。其機器人教學具有以下特點[2]。

1）課程設置靈活。美國高校中的機器人課程設置相對比較靈活，針對不同專業課程種類較多，如麻省理工學院就開設了機器人學、機器人導論、自控機器人設計競賽、機器人編程競賽等不同的課程。這些課程的針對方向和對象都不同，教學體系安排、考核方法也有所不同。

2）課程設置交叉性強。美國高校中機器人課程設置對學生知識領域的要求較高，這和美國完善的機器人乃至科技教學體系有關。許多高校的機器人課程對學生有很多先修課程要求，而且在導論性課程以后還有相關深入性課程供學生進行選修。以麻省理工為例，機器人導論課程需要先修動力學建模與控制課程，而機器人編程課程要求先修Java編程基礎。

3）以項目為導向，實踐性強。美國高校的機器人教學，尤其是科研實力較強的高校，往往以其最新的科研成果為載體，力圖讓學生參與到科研和實踐當中，在實踐和動手過程中學習。另外，很多課程的考核方式也是以團隊項目來代替傳統意義的理論考試。

國內機器人教學現狀 國內高校在最近幾年也都在相關專業的高年級或者碩士研究生階段開設了機器人相關課程。課程設置相對國外還比較單一，基本以機器人導論性課程為主。課程中理論環節比重較大，實踐環節較少，很多高校實踐課程為零。

三江學院針對機械電子工程專業在第七學期開設機器人技術及其應用這門課程，其教學環節及過程還存在很多不足。

1）重理論輕實踐。大量的教學時間花費在機器人機構學和控制策略的講述上，而實踐動手機會很少，學生大多興趣不高，接受程度也較差。

2）教學內容較為陳舊。機器人學科發展日新月異，而機器人課程教學還是以傳統經典教材為主，教學內容落后，并不能跟上時代要求，導致學生學而無用，校園學習和工作實踐相脫節。

3 改革措施及效果

針對三江學院機器人技術及其應用課程存在的問題和不足，以實踐為導向，提出一系列課程體系改革的方法和方向。

將機器人與其他相關課程教學相結合 機器人學本身是一門多學科交叉性學科。就三江學院機械電子工程專業而言，在進行機器人課程教學之前，學生已經先修過機械設計、理論力學、C語言、單片機等相關課程，但教學中并沒有以機器人為對象進行過研究。

在機械電子工程專業學生的相關先修課程教學中，試圖以機器人為本體，在教學中對機器人的相關知識做到簡單介紹；另外在相關課程的課程設計中，如單片機課程設計中，將機器人控制系統作為設計內容，兩門課或多門課相結合進行學習，效果事半功倍。

注重實踐，提倡學生創新性培養 實踐教學一直是工科高校尤其是應用型本科院校的重要教學手段。機器人學也是一門典型的實踐教學課程，除了在有限的理論教學時間內，要求學生掌握機器人機構學、運動學、控制學、人工智能等各個方面的知識以外，還以實踐為導向，引導學生動手去分析和解決問題，這對學生對知識的理解和掌握更為重要[3]。

結合機械工程學院機器人綜合實驗室，借助各種機器人開發平臺，組裝機器人，編寫、調試機器人程序，讓更多的學生在更多的教學環節進入實驗室中。具體措施如下所示。

1）完善實驗室建設，增大實踐教學比重。機器人課程實踐從零開始，其比重逐年增大，實驗室已經可以針對不同的教學內容開設16個課時的針對性課內實驗。

2）以比賽促學習，調動學生學習積極性。組織學生參加各種機器人比賽，在實踐課程中就引入課內競賽的機制，一方面對實踐教學進行補充，另一方面對學生進行選拔，進而為師生構建科研團隊、構建創新性培養平臺提供有利基礎。近年來，實驗室在多項全省機器人競賽中獲得優異的成績。

3）改革課程考核體系，提高實踐比重。以往的機器人課程考核多數以理論考試為主，學生往往以此忽略實踐環節。現在采用理論考核+實驗考核+綜合作業的方式進行全面考查，而且其比重為5：2：3。尤其是在理論課程開始就下發綜合作業，要求學生以任務為導向，在理論課學習過程中，利用所學知識及時解決實際問題。將機器人理論教學與實踐教學相結合，并對課程內容進行延展，充分調動學生學習的積極性和課下自學的能力。改變以往實踐教學中標準化、程序化的弊端，使學生不受教材和結論的約束，完全做到自主性學習和研究，培養學生的創新能力、動手能力和跨專業綜合應用能力[4]。

開展校企合作，深化學生能力培養 隨著中國工業向工業4.0轉型，機器人成為工業4.0生態系統中的重要一環，尤其是近年來，由于人力成本的增高和計算機等相關行業的發展，機器人工業發展日益蓬勃。

因此，企業對機器人方面的人才需求也相應增加。通過對西門子、埃斯頓等相關機器人企業的調研，發現企業對畢業生的知識技術要求和傳統的機器人教學知識儲備存在較大的出入。造成以上矛盾的主要原因是傳統的機器人教學以理論教學為主，著重于對機器人運動學、動力學及控制學等相關學科的簡單堆砌，而缺乏以機器人為對象的實踐應用型教學。

通過和企業進行理論教學+實驗室共建+工廠實習+畢業實習+就業的多層次合作，吸收企業靈活、應用性強、知識技術更新快等優勢，增強機器人教學的實踐導向性，使學生更直觀和深入地認識機器人，掌握機器人應用的相關知識。具體措施包括[5]：

1）學習相關企業對于機器人領域崗前培訓的內容，了解企業需求，并盡可能地把企業需要的知識糅合到機器人理論教學之中；

2）和企業進行機器人實驗室共建，請企業工程師加入到實踐教學環節中，幫助學生提高實踐動手能力；

3）組織學生進行工廠參觀實習和畢業實習，讓畢業生在進行畢業實習的同時，以工程項目為背景，進行畢業設計。

4 總結與展望

通過以實踐教學為導向的機器人教學改革，加強學生對知識的掌握，提高教學質量，增強學生的動手能力和就業競爭力。通過在三江學院機械電子工程專業的教學實踐反饋來看，機器人教學改革受到學生、教師和用人單位的一致好評。如何通過以機器人教學為載體，進一步強調實踐教學重要性，通過實踐教學和理論教學相結合，激發學生的創新能力和協作能力，是進一步進行機器人教學改革和發展的方向。

參考文獻

[1]李彥林，郭建新，胡蓉，等.工程訓練課程體系中機器人模塊教學改革[J].實驗科學與技術，2010，8（5）：132-134.

[2]張存鷹，尹飛凰.關于高職院校實現機器人教學的探索與實踐[J].價值工程，2011，30（12）：198.

[3]楊維，呂棟騰，吳德君，等.高職《機器人制作與編程》課程教學改革與實踐[J].產業與科技論壇，2014（17）：207-208.

[4]戰強，閆彩霞，蔡堯，等.機器人教學改革的探索與實踐[J].現代教育技術，2010，20（3）：144-146.

[5]肖靜，余穎，張道海，等.立足機器人競賽促進創新訓練與實踐教學改革[J].東華理工大學學報：社會科學版，2013，32（2）：189-192.