機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐

張武翔，徐 坤

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

機(jī)器人技術(shù)作為戰(zhàn)略性高新技術(shù)，已成為衡量國(guó)家科技創(chuàng)新和高端制造水平的重要指標(biāo)。世界各國(guó)都將機(jī)器人作為一種國(guó)家戰(zhàn)略來發(fā)展，如：美國(guó)提出的《機(jī)器人發(fā)展路線圖》要把互聯(lián)網(wǎng)融入到機(jī)器人的生產(chǎn)過程中；日本出臺(tái)了《機(jī)器人白皮書》、《機(jī)器人新戰(zhàn)略》等政策，將機(jī)器人與IT技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)進(jìn)行深度融合，推進(jìn)機(jī)器人在制造業(yè)、服務(wù)業(yè)、醫(yī)療護(hù)理、公共建設(shè)等領(lǐng)域的融合創(chuàng)新；《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃中的第二大領(lǐng)域就是機(jī)器人和高端數(shù)字機(jī)床產(chǎn)業(yè)，表明國(guó)家已經(jīng)把機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域放在一個(gè)非常關(guān)鍵的位置。目前，機(jī)器人技術(shù)正在成為促進(jìn)我國(guó)從制造大國(guó)到制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的重要途徑，同時(shí)在解決社會(huì)老齡化、健康服務(wù)、國(guó)防安全和資源開發(fā)等方面將成為不可替代的技術(shù)手段。機(jī)器人技術(shù)的高速發(fā)展使得國(guó)家對(duì)于掌握機(jī)器人基礎(chǔ)理論知識(shí)的人才需求巨大，且各種機(jī)器人相關(guān)的專業(yè)知識(shí)極快的更新速度迫切需要高校對(duì)機(jī)器人理論和技術(shù)基礎(chǔ)的相關(guān)課程進(jìn)行改革，培養(yǎng)適應(yīng)國(guó)家和社會(huì)需求的高層次機(jī)器人技術(shù)人才。

2016年，東南大學(xué)率先設(shè)立機(jī)器人工程專業(yè)，之后多個(gè)高校陸續(xù)開設(shè)了此專業(yè)。在我校的專業(yè)培養(yǎng)方案中，機(jī)器人學(xué)課程是機(jī)器人工程專業(yè)本科生的必修課，是一門培養(yǎng)學(xué)生了解機(jī)器人的發(fā)展歷史和基礎(chǔ)理論知識(shí)的基礎(chǔ)課程，它涵蓋了機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、自動(dòng)控制原理、傳感技術(shù)等內(nèi)容。我們針對(duì)機(jī)器人學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容和課程教授過程中出現(xiàn)的問題，對(duì)傳統(tǒng)課程內(nèi)容進(jìn)行了完善和更新，提出了相應(yīng)的改進(jìn)思路和方法，以期拓展和強(qiáng)化學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)，提高綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維，提高教學(xué)質(zhì)量。

一、教學(xué)現(xiàn)狀分析

機(jī)器人學(xué)課程目前教學(xué)過程中的講授內(nèi)容多為傳統(tǒng)工業(yè)串聯(lián)機(jī)器人常見構(gòu)型、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，缺乏對(duì)當(dāng)前各種機(jī)器人技術(shù)新知識(shí)的及時(shí)更新。而且，傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)模式存在互動(dòng)和實(shí)踐環(huán)節(jié)不足的問題。這種教學(xué)方法不能很好地激發(fā)出學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的主觀能動(dòng)性，限制了其對(duì)于重要知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，對(duì)于其創(chuàng)新能力的培養(yǎng)產(chǎn)生了一定影響。對(duì)幾年來實(shí)際授課的教學(xué)效果分析發(fā)現(xiàn)存在以下幾個(gè)突出問題。

機(jī)器人學(xué)授課內(nèi)容較為傳統(tǒng)。教學(xué)內(nèi)容主要包括機(jī)器人的發(fā)展簡(jiǎn)史、機(jī)器人的系統(tǒng)組成、空間描述和變換、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、軌跡規(guī)劃和路徑規(guī)劃等基礎(chǔ)理論，以及機(jī)器人傳感與控制的相關(guān)概念和原理。講授對(duì)象基本以傳統(tǒng)的工業(yè)串聯(lián)機(jī)器人為主，雖然具有較好的代表性，但隨著近年來機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展所出現(xiàn)的各種新型并聯(lián)機(jī)器人、仿生柔性機(jī)器人和變胞機(jī)器人等，不適宜應(yīng)用常規(guī)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。因此，需要主講教師不斷豐富和完善課程的授課內(nèi)容，從而使學(xué)生能夠了解最新的機(jī)器人研究進(jìn)展，對(duì)于其知識(shí)面的拓展可以發(fā)揮重要作用。

教學(xué)模式靈活性不足。傳統(tǒng)教學(xué)模式基本為填鴨式灌輸，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，加之教師側(cè)重理論推導(dǎo)，占用過多授課時(shí)間，比如進(jìn)行求解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)反解過程中的公式推導(dǎo)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣普遍偏低，也嚴(yán)重影響了學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)的動(dòng)力和熱情。學(xué)生即使是在掌握知識(shí)的前提下，對(duì)于如何在實(shí)際中應(yīng)用仍比較模糊。此外，實(shí)驗(yàn)課偏少，僅有4學(xué)時(shí)，且多為認(rèn)知和演示實(shí)驗(yàn)，其與理論課脫節(jié)也使得學(xué)生對(duì)于所學(xué)知識(shí)的理解和運(yùn)用不夠深入。如何將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)融合，互相促進(jìn)，使學(xué)生能夠?qū)W以致用，達(dá)到靈活運(yùn)用并能運(yùn)用于自主創(chuàng)新是教學(xué)模式改進(jìn)的重要內(nèi)容[1-2]。

綜上所述，機(jī)器人學(xué)原有的教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和實(shí)踐內(nèi)容已經(jīng)難以適應(yīng)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需要。教學(xué)改革的關(guān)鍵是對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，引入新的教學(xué)方法，為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和方法。

二、課程內(nèi)容和教學(xué)方法改進(jìn)

(一)課程內(nèi)容的改進(jìn)

機(jī)構(gòu)是機(jī)器人裝備的骨架和執(zhí)行器。機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)是發(fā)明、分析、設(shè)計(jì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代機(jī)器人裝備設(shè)計(jì)的重要理論基礎(chǔ)。因此機(jī)構(gòu)學(xué)是機(jī)器人技術(shù)學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容，除傳統(tǒng)講授的串聯(lián)機(jī)器人構(gòu)型和自由度分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)相關(guān)知識(shí)外，還需補(bǔ)充近年來的研究熱點(diǎn)內(nèi)容，如：現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)重要分支并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)與自由度分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、工作空間和奇異性等，廣泛應(yīng)用在仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)方面的柔性機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析和建模、具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨工作任務(wù)和環(huán)境變化的變胞機(jī)構(gòu)和在航天領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景的折紙衍生機(jī)構(gòu)概念等[3-4]。在增加講授內(nèi)容廣度的同時(shí)，需要根據(jù)學(xué)生掌握的情況兼顧知識(shí)的深度。

移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合機(jī)器人系統(tǒng)，按運(yùn)動(dòng)方式的不同，可將其分為輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人和足式機(jī)器人等。機(jī)器人在某些特定的工作環(huán)境下，可有效減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率，把人從危險(xiǎn)、惡劣的工作環(huán)境下解放出來。這已成為當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在課程中，除傳統(tǒng)的輪式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模方法外，還需補(bǔ)充具有仿生結(jié)構(gòu)的足式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和步態(tài)規(guī)劃方法等，提升課程吸引力，在豐富學(xué)生知識(shí)體系外，還可為其將來從事相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)。

(二)教學(xué)方法的改進(jìn)

首先，在課堂教學(xué)方法上，講授知識(shí)過程中應(yīng)充分應(yīng)用啟發(fā)式、互動(dòng)式和研究式等方法，突出對(duì)學(xué)生主動(dòng)實(shí)踐意識(shí)以及自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。將課程教學(xué)分課內(nèi)教學(xué)與課外學(xué)習(xí)：課內(nèi)教學(xué)可采用知識(shí)講授、課堂提問和討論等形式；課外學(xué)習(xí)包括課外作業(yè)、項(xiàng)目實(shí)踐、大作業(yè)等形式。

課堂教學(xué)中采用啟發(fā)式和互動(dòng)式的教學(xué)方法，注重以科研和實(shí)際工程問題為背景的項(xiàng)目案例講解以及機(jī)器人技術(shù)與經(jīng)典機(jī)構(gòu)學(xué)理論的有機(jī)結(jié)合，同時(shí)在形式上注重課件、視頻資料、實(shí)物模型、板書和講解內(nèi)容的有機(jī)結(jié)合。每次課堂授課，對(duì)于重要的知識(shí)點(diǎn)要做到將問題來源、分析方法和解決思路、推廣應(yīng)用進(jìn)行綜合，啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，引導(dǎo)思考解決問題，鼓勵(lì)學(xué)生提出新思想，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。此外，在講授知識(shí)的過程中，要注重與學(xué)生的交流互動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生提出問題并形成自己的解決思路。課堂提問有助于了解課堂講授效果，有利于提高學(xué)生聽課的注意力及活躍課堂氣氛。

此外，注重培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)仿真能力。將虛擬仿真軟件平臺(tái)和學(xué)生作業(yè)相結(jié)合，可以加深學(xué)生對(duì)所學(xué)習(xí)知識(shí)的理解和掌握。在相關(guān)課程講授完成后，要求學(xué)生應(yīng)用MATLAB的Robotics工具箱[5]完成相關(guān)作業(yè)。該工具箱提供了機(jī)器人研究中很多重要的函數(shù)，包括齊次坐標(biāo)的運(yùn)算、模型的建立、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的正逆求解、軌跡規(guī)劃和圖形仿真。對(duì)于學(xué)生專注于機(jī)器人學(xué)本身的重要概念的理解與應(yīng)用作用顯著，可以獲得良好的教學(xué)效果。

三、結(jié)語

在機(jī)器人學(xué)課程授課過程中，我們從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法兩方面進(jìn)行了改革探索。課程內(nèi)容方面主要以講授基礎(chǔ)理論知識(shí)為主，增加了機(jī)構(gòu)學(xué)和移動(dòng)機(jī)器人的內(nèi)容，同時(shí)結(jié)合在項(xiàng)目研究過程中的典型案例，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，且可以更好幫助其理解和掌握本門課程的基礎(chǔ)理論知識(shí)。通過近兩輪教學(xué)實(shí)踐，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。