研究生機器人課程教學改革探索

宮赤坤　匡毅　張吉祥　夏平

【摘 要】機器人課程是面向高等學校機械工程學科研究生開設的專業基礎課，是一門培養學生具有設計和使用方面基礎知識的專業課程。根據本校機器人課程特點與借鑒其他院校教學改革的先進經驗，結合研究生的教學定位，對機器人課程教學現狀進行分析，指出目前在教學過程中存在的主要問題。通過教學方法和手段的改進，顯著提高學生學習的積極性和主動性，提高學生學以致用的能力和素質。

【關鍵詞】機器人；教學方法；改革探索

Exploration on Teaching Reform of Graduate Robot Course

GONG Chi-kun KUANG Yi ZHANG Ji-xiang XIA Ping

（Mechanical Engineering College of University of Shanghai for Science and Technology ，Shanghai 200093，China）

【Abstract】Robot course is a professional basic course for graduate students of mechanical engineering. It is a professional course to cultivate students with basic knowledge of the design and use of the robot .According to the characteristics of courses in our school， the advanced experience of teaching reform of other colleges and the teaching orientation of graduate students， analyse the status of the teaching of robot course and point out the main problems existing in the current. Through the improvement of teaching methods， It can improve students learning enthusiasm and initiative， improve the studentscommunicative ability and quality.

【Key words】Robot；Teaching method；Reform and exploration

0 引言

機器人技術是近年來各國研究的熱點之一，它所涉及的領域十分廣泛，包括機械學，計算機科學，自動控制，人工智能等一系列學科，是自動控制技術，計算機，先進制造等集成的典型技術代表，在農業，工業，國防，太空以及海洋探索等眾多領域有著越來越廣泛的應用。

為適應科學發展和新世紀國家對機器人人才的發展要求，原有的教學方法已很難適應培養具有創新思維的高素質人才的需要。本文結合十幾年教學過程中不斷積累的實踐教學經驗和我校培養學生的總體目標，以培養創新人才為出發點，立足于科研教學和實踐教學的系統性，基礎性，綜合性和創新性，改變傳統的教師單一授課模式，將傳統的課程進行重組與優化，增開實踐性教學環節，提出一系列教學改革方法。

1 課程介紹及培養目標

本校的機器人課程一般安排在研究生的第一年級，是一門系統介紹機器人的基礎課程，其內容及學時安排如下表1所示：

由表1[1]可看出本課程主要講述機器人的本體結構，運動學及動力學，軌跡規劃，控制系統，語言與編程等，所要求掌握的知識點相當廣泛。

從國家對研究生的知識，能力和素質培養與協調發展的教學要求出發，課程內容注重理論系統性和實際工程應用性的緊密結合。通過本課程的學習，要求研究生理解掌握機器人的基礎理論知識以及初步的工程應用能力，掌握典型機器人的機械結構，運動學，動力學理論，機器人的驅動方法和控制技術并能進行機器人編程。培養研究生獨立思考和分析問題的能力，不僅讓學生充分全面的掌握機器人系統的理論知識，而且具有一定的解決問題的能力，使得學生能夠在較短的時間內掌握機器人的實際應用技術，為今后從事機器人的相關研究工作打下堅實的基礎。

2 當前機器人課程教學現狀

2.1 學科交叉覆蓋面廣，授課傳統學生缺乏思考

機器人課程具有非常強的學科交叉特點，課程綜合性和理論性強，難度大，對學生的數學，力學，控制理論，測試技術，機械學等先導課程的掌握程度要求較高，而且課程各章節之間內容相對比較獨立，由本體結構到運動學，由運動學到控制，很難找到一個貫穿的主線，使得學生在學習過程中搞不懂機構的運行原理，加之學時短，學生學習起來普遍感覺晦澀難懂，這在很大程度上削減了同學的學習熱情和積極性。

通過先前的實踐，表明沿用傳統的老師在上講，學生在下聽的灌輸式授課方式，已遠遠不能滿足新時期研究生培養目標的要求，現如今雖然在授課方式上采用了很多現代化的多媒體教學，大大減少了老師體力勞動，提高老師教學效率，凸顯老師的作用，但是傳統的灌輸做法還是一成不變，學生還是被動的接受知識，無法在課堂上與老師積極互動，讓學生根本沒有空余時間進行獨立思考，一堂課下來學生對授課內容都沒有印象，學生對知識的掌握無法深入透徹，教學效果大打折扣。

2.2 重視課堂輕視動手能力

機器人課程對學生自我動手要求較高，是一門凸顯學生主體的課程，然而現實授課的過程中老師比較側重理論部分實踐環節相對薄弱，甚至根本無實踐，這對研究生掌握機器人技術來說是遠遠不夠的，不能從根本上激發學生的學習積極性，無法從實際上改變學生從旁觀者提高到參與者，使學生具有實際解決問題的能力。

3 改革探索

針對上述提到的目前在教學中存在問題，根據國家以及學校對本課程的辦學要求和目標，結合本課程的特點和現實情況，總結自身教學與借鑒其他院校教學改革的先進經驗，提出如下教學改革措施，并在實際教學過程中加以應用，取得一定的效果。

3.1 貫穿主線突出重點，采用現場教學

針對目前由于機器人課程學時安排較少，機器人涉及到的知識點較多，綜合性較強，老師在教學的過程中要根據實際合理安排課程，向學生指出貫穿各章節的主線，講解各知識點的前因后果，突出重點。可以將教學內容大致分為三個部分，如圖1所示[2]：

（1）機械部分。機械是機器人的基礎，機械原理是學生對機器人的第一印象，它是由一系列連桿，關節或其他形式的運動副組成。

（2）傳感部分。傳感器是用于機器人自身與外界交流，是獲取內部和外部環境狀態中有意義的信息，通過此設備可以更好的操控機器人。

（3）控制部分。控制部分的任務是根據機器人的作業指令程序以及從傳感器反饋回來的信號，支配機器人的執行機構完成規定的運動和功能。

在講解基礎理論時，老師應當在多年教學實踐基礎上加以總結提煉，爭取在課時較緊的情況下把理論內容教給學生，在講解新的知識點前，通過多媒體技術改變傳統教學模式，制作集文字，圖文，聲音，動畫為一體的課件。可將教學內容生動直觀表現出來，化抽象為直觀，在講解每個章節時，適當引入相關知識的前沿進展，最新的科研成果，既擴大學生的知識面，又提高學生的興趣。同時在對這三大組成部分的講解之前，老師可以要求學生充分利用學校圖書館，便捷的網絡資源等優勢，進行一定量的關于機器人知識的閱讀。

在條件允許的情況下，現場教學可以大大激發學生的學習興趣，以當下實驗室現有著名的kuka機器人為講解案例，如圖2所示[3]：

采用現場教學方法，把課堂搬到實驗室，在現場結合機器人實物。在講解案例的過程中要緊密聯系理論知識與實際機器人的一一對應，目的是引導學生將課堂理論與應用實際有機結合在一起。機器人中的有些內容和概念比較抽象，晦澀難懂，比如機器人的運動學中的位姿表示，坐標系的建立等，學生理解起來比較困難，首先由教師提出問題，讓學生通過對實際物理機器人的深入觀察，帶著問題去思考。然后由教師結合機器人的實際運動對每個機器人所涉及到的基礎概念進行講解，最后讓學生交流討論。由于實際無力機器人就是同學們身邊的，拉近了理論知識與學生的距離，能夠激發學生積極思考，增加學生的興趣，同時又能提高學生解決實際問題的能力。

3.2 運用實踐培養學生動手能力

老師要提倡學生在理論學習的過程中的培養積極動手的能力，在動手的過程中增強感性認識，為此，提出建立提高學生動手能力的3個層次實踐體系[4]。認知層：以研究生已具有的的電子電路，單片機原理與應用，傳感器檢測技術，PLC基礎等相關課程的基礎知識為基礎，例如設計一個簡單的十字路口交通信號燈，電機控制等實驗培養學生的實驗動手能力。提高層：結合生活實際，從生活中設計幾個課題，讓學生自由分組，自由搭配，從上述題目中選出一個，獨自思考，親自動手，從理論到實踐完成一整套一個小系統的設計，做出完整的方案與實物，提高學生在動手過程中發現問題，解決問題的能力。綜合層：通過讓學生參加競賽的方式，增強學生學習的緊迫感，比如學校舉行的科技節，國家省舉辦的挑戰杯等各種形式的競賽，讓學生在競賽的過程中通過互相交流學習加深對機器人課程的認識。

在實踐教學過程中，大力增強學生運用各種軟件的能力，安裝Adams，Matlab等仿真軟件，實踐教學中采用新的大量的軟件，使實驗內容不受物理設備的限制，可大大增加實驗內容，同時生動形象讓學生更好學習，提高教學效率。

4 總結

本文結合十幾年的實際教學經驗，從提高研究生對機器人知識理解及運用目標出發，探索在研究生機器人課程教學過程中存在的問題和相應的改革措施，將其運用到實際教學過程中，取得了明顯的效果，學生學習熱情得到極大激發，但提高教學質量是教育工作者永無止境的追求，改革探索不可能一蹴而就，需要教師在教學過程中不斷發現新問題，不斷的改進與完善。

【參考文獻】

[1]張建偉.現代智能機器人前景及技術[J].先進技術研究通報，2009.

[2]劉極峰.機器人技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2012.

[3]郭洪紅.工業機器人技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007.

[4]董愛梅.以機器人為平臺大學生實踐創新能力培養體系的研究與實踐[J].中外教育研究，2009.

[責任編輯：朱麗娜]