研討式案例教學(xué)在機(jī)器人教學(xué)中的實(shí)踐研究

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(中國石油大學(xué)〈北京〉機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院)

一、機(jī)器人課程特點(diǎn)及問題

1.《機(jī)器人技術(shù)》課程特點(diǎn)

在《機(jī)器人技術(shù)》課程學(xué)習(xí)中，要求學(xué)生具有工程數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、控制理論和技術(shù)、電子電路、測試技術(shù)、制造技術(shù)等學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，因此是一門多學(xué)科交叉的課程，學(xué)習(xí)難度較大。該課程的教學(xué)目的與任務(wù)是使學(xué)生了解一般工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的歷史和發(fā)展，通過學(xué)習(xí)機(jī)器人的基本概念和分類，掌握其基本結(jié)構(gòu)組成及功能，重點(diǎn)學(xué)習(xí)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)建模方法及控制技術(shù)，能夠進(jìn)行簡單機(jī)器人的設(shè)計(jì)與控制。

2.存在的問題

(1)教材不統(tǒng)一。在目前的機(jī)器人教學(xué)中，存在多種版本的教材，有的偏向于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論，有的偏向于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有的偏向于控制，很難有一本教材做到覆蓋面廣，通俗易懂來適合本科生教學(xué)使用。

(2)教學(xué)形式單一。從教學(xué)環(huán)節(jié)來看，傳統(tǒng)教學(xué)模式中的課堂教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)實(shí)驗(yàn)和考試等環(huán)節(jié)都存在弊端。教學(xué)內(nèi)容陳舊，專業(yè)面狹窄，沒有反映現(xiàn)代機(jī)器人發(fā)展的水平。授課方式主要以教師講授為主，教學(xué)手段單一，學(xué)生被動(dòng)聽講，缺少教師與學(xué)生的互動(dòng)和課堂交流。

(3)與工程實(shí)際脫離嚴(yán)重。教學(xué)以基本理論為主，實(shí)驗(yàn)課基本上為演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單調(diào)，實(shí)驗(yàn)方式是按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書所給定的實(shí)驗(yàn)步驟，按部就班地進(jìn)行操作。這樣的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ脚c工程實(shí)際脫離嚴(yán)重，從而制約了學(xué)生主觀能動(dòng)性的發(fā)揮，阻礙了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

二、研討式案例教學(xué)方法在機(jī)器人課程中的實(shí)踐

1.在課堂教學(xué)中的實(shí)踐

我們首先在緒論部分引入目前世界最新機(jī)器人研究成果，引發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，結(jié)合工程實(shí)際，讓學(xué)生們調(diào)研和討論在石油開發(fā)中哪些領(lǐng)域可以應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)來提高工作效率。學(xué)生基于所學(xué)的石油課程背景以小組為單位匯報(bào)和總結(jié)，有的提出了深水石油開發(fā)機(jī)器人，有的提出了油氣存儲(chǔ)輸運(yùn)裝置的維搶修機(jī)器人，有的則提出了全天候的檢測機(jī)器人，并闡述了他們的結(jié)構(gòu)和功能。學(xué)生在課堂上充分發(fā)揮想象力，各抒己見，老師只起到引導(dǎo)和輔助的作用，學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中熱情高漲，取得了很好的效果。

同時(shí)，在學(xué)習(xí)各章節(jié)基礎(chǔ)知識(shí)中，我們引入了六自由度機(jī)械手，并應(yīng)用Maltlab動(dòng)畫模擬來進(jìn)行案例教學(xué)，以此增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的直觀性。首先，通過預(yù)先設(shè)定一條隨機(jī)離散點(diǎn)的正方形軌跡來學(xué)習(xí)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)中的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)。其次，通過此案例來計(jì)算正方形軌跡運(yùn)動(dòng)過程中的機(jī)械手速度和關(guān)節(jié)速度，以此引出雅可比矩陣知識(shí)點(diǎn)。由于正方形的軌跡設(shè)置的是隨機(jī)離散點(diǎn)，因此關(guān)節(jié)速度必然不連續(xù)，從而引出軌跡規(guī)劃的概念，通過應(yīng)用多項(xiàng)式和拋物線插值方法解決速度不連續(xù)問題。從上可以看出，通過一個(gè)好的案例來貫穿整個(gè)教學(xué)過程，讓學(xué)生在整個(gè)過程中進(jìn)行思考，針對(duì)問題提出解決方案，從而層層引出各章的知識(shí)點(diǎn)，明顯提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

2.在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐

在實(shí)驗(yàn)中，我們采用高精度多自由度機(jī)器手，該機(jī)器手可以進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析、機(jī)器人的軌跡規(guī)劃等實(shí)際操作訓(xùn)練，學(xué)生可以通過對(duì)機(jī)器人的親自組裝、調(diào)試和應(yīng)用開發(fā)等創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，全面掌握機(jī)電一體化技術(shù)的基本原理、典型應(yīng)用、集成技術(shù)和應(yīng)用開發(fā)。

我們在實(shí)驗(yàn)前先給學(xué)生講解實(shí)際工程中機(jī)械手做焊接、搬運(yùn)等工作時(shí)的工況要求，然后結(jié)合所學(xué)知識(shí)讓學(xué)生自己做方案設(shè)計(jì)。學(xué)生以小組形式開展調(diào)研和討論，然后在下一次課堂上進(jìn)行匯報(bào)研討。小組將推選代表在課堂上進(jìn)行闡述，從而全班師生一起進(jìn)行課堂研討，教師則在聽取學(xué)員的匯報(bào)、明確學(xué)員的理解難點(diǎn)后，給出學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)論，指明下一步學(xué)習(xí)的方向。

3.考核評(píng)價(jià)方法的改進(jìn)

由于采用研討式案例教學(xué)方法，我們在評(píng)價(jià)體系中加大了課堂研討的比重。研討課主要以小組為單位進(jìn)行，每個(gè)小組推選代表進(jìn)行匯報(bào)，其他小組提問并討論。所以其考核評(píng)價(jià)方式將與傳統(tǒng)的教師唯一評(píng)價(jià)方式不同。首先學(xué)生需要給自己組內(nèi)其他同學(xué)評(píng)分，同時(shí)也需要為其他組評(píng)分，以此建立一套公開互評(píng)的評(píng)價(jià)機(jī)制。每位學(xué)生既是評(píng)價(jià)者，也是被評(píng)價(jià)者，從而可以避免教師單方面評(píng)價(jià)的弊端，并可以解決評(píng)價(jià)過程中出現(xiàn)的不公開公正的現(xiàn)象，進(jìn)一步提高了學(xué)生在研討過程中的熱情和積極性。

三、總結(jié)

在機(jī)器人課程中引入研討式案例教學(xué)方法，以此活躍課堂氣氛，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，引導(dǎo)學(xué)生由被動(dòng)走向主動(dòng)學(xué)習(xí)，啟發(fā)了學(xué)生思維和創(chuàng)造力，并鍛煉了他們分析問題和解決問題的能力。同時(shí)通過預(yù)設(shè)的特定案例來引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考并提出解決方案，以此層層引出各章的知識(shí)點(diǎn)，明顯提升了學(xué)生對(duì)于重要知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，從而顯著改善了該課程的教學(xué)質(zhì)量和水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷靜桃，劉亮，張海洪.“機(jī)器人學(xué)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，(05) ：179-182+190.