基于機(jī)器人發(fā)展和應(yīng)用的機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)探討

摘? 要 通過(guò)分析機(jī)器人技術(shù)課程的主要教學(xué)內(nèi)容和特點(diǎn)，探討適合于機(jī)器人技術(shù)課程的教學(xué)策略和方法，為機(jī)器人技術(shù)課程的教學(xué)效果改進(jìn)和教學(xué)方法研究提供新思路和新方法。

關(guān)鍵詞 機(jī)器人技術(shù);教學(xué)方法;MATLAB;Simulink

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）04-0102-03

Abstract This paper analyzes the main teaching contents and characteristics of robotics courses， discusses teaching strategies and methods suitable for Robot Technology course， and provides new ideas and new methods for the improvement of teaching effects and teaching methods of Robot Technology course.

Key words robot technology; teaching method; MATLAB; Simulink

1 引言

機(jī)器人學(xué)是人類(lèi)進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)具有代表性的多學(xué)科交叉的邊緣科學(xué)，是正在蓬勃發(fā)展的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，它包括機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)、電子學(xué)、控制工程、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模式識(shí)別、人工智能、仿生學(xué)等廣泛的領(lǐng)域。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、生活中，機(jī)器人已經(jīng)逐漸成為人類(lèi)不可或缺的重要助手，據(jù)預(yù)測(cè)2050年前后將進(jìn)入機(jī)器人時(shí)代[1]。

因此，為了適應(yīng)現(xiàn)代科技和社會(huì)發(fā)展對(duì)機(jī)器人技術(shù)人才的急迫需要[2]，國(guó)內(nèi)外高校相繼開(kāi)展機(jī)器人相關(guān)課程以及機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)的建設(shè)和招生培養(yǎng)工作。機(jī)器人技術(shù)課程是機(jī)器人工程、機(jī)械工程、控制工程、人工智能等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)主干課程，作為一門(mén)新興課程，其教學(xué)策略和教學(xué)方法等都還存在極大不足。因此，進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)策略和方法的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3-4]。

2 教學(xué)內(nèi)容分析

機(jī)器人技術(shù)課程一般是國(guó)內(nèi)外機(jī)器人工程、機(jī)械工程、控制工程、人工智能等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)主干課程，其先修課程包括高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、線(xiàn)性代數(shù)、機(jī)械原理和控制工程基礎(chǔ)等，適用于機(jī)器人、機(jī)械設(shè)計(jì)及理論、機(jī)械電子工程、機(jī)械制造及其自動(dòng)化、控制理論與控制工程等專(zhuān)業(yè)，主要講述機(jī)器人學(xué)中應(yīng)用較為廣泛和成熟的基本理論和基本技術(shù)知識(shí)[5]。一般主要授課內(nèi)容包括：機(jī)器人的發(fā)展歷史、類(lèi)型、組成等;機(jī)器人學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ);機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué);機(jī)器人逆向運(yùn)動(dòng)學(xué);機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃;機(jī)器人動(dòng)力學(xué);機(jī)器人控制技術(shù);機(jī)器人的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)等[6]。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟悉機(jī)器人和機(jī)器人學(xué)的基本概念，初步掌握機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析和控制技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，了解國(guó)內(nèi)外機(jī)器人學(xué)發(fā)展概況和機(jī)器人技術(shù)前沿及其發(fā)展趨勢(shì)，為今后繼續(xù)學(xué)習(xí)與機(jī)器人相關(guān)課程及到機(jī)電企事業(yè)單位實(shí)習(xí)或工作奠定良好基礎(chǔ)。

在機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容中較為廣泛地涉及了數(shù)學(xué)微分方程、三角函數(shù)、矩陣?yán)碚摗⑻摴υ怼⑦_(dá)朗貝爾原理（DAlembert principle）、拉格朗日方程（Lagrangeequation）、牛頓—?dú)W拉動(dòng)力學(xué)（Newton-Euler dynamics）、控制技術(shù)等理論知識(shí)，對(duì)學(xué)生在數(shù)學(xué)、力學(xué)、控制理論等方面的相關(guān)知識(shí)提出高要求，這為機(jī)器人技術(shù)課程的教學(xué)實(shí)施帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

不難看出，機(jī)器人技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容大體上可以分為兩大部分，即機(jī)器人的常識(shí)部分和理論知識(shí)部分。對(duì)于機(jī)器人常識(shí)部分的教學(xué)內(nèi)容，可以通過(guò)圖片、視頻和認(rèn)知性實(shí)驗(yàn)教學(xué)等教學(xué)方法來(lái)完成，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，擴(kuò)展學(xué)生機(jī)器人知識(shí)視野;對(duì)于機(jī)器人理論知識(shí)部分，則應(yīng)采用由淺入深的理論知識(shí)講解、例題分析、習(xí)題練習(xí)以及重點(diǎn)知識(shí)討論等方式，再結(jié)合仿真模擬動(dòng)畫(huà)或視頻以及操作性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)技能，達(dá)到學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的有效吸收和基礎(chǔ)理論知識(shí)的熟練掌握[7-8]。

3 教學(xué)策略和方法

根據(jù)機(jī)器人技術(shù)課程的特點(diǎn)，以及《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》《國(guó)家中長(zhǎng)期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”和《中國(guó)制造2025》實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)的主旨精神，契合國(guó)家培養(yǎng)創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)未來(lái)智能技術(shù)發(fā)展的工程技術(shù)人才的現(xiàn)實(shí)需要，本文提出機(jī)器人技術(shù)課程可采用的教學(xué)策略和方法。

問(wèn)題啟發(fā)式教學(xué)? 啟發(fā)式教學(xué)是一種創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，啟發(fā)學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的教學(xué)方法。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，未來(lái)機(jī)器人行業(yè)對(duì)職業(yè)者的問(wèn)題解決能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力和自學(xué)習(xí)能力等都提出新要求。因此，讓學(xué)生學(xué)會(huì)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)或探索新知識(shí)、獲取新知識(shí)，比課堂中所教授的課程新知識(shí)更重要。基于問(wèn)題啟發(fā)式教學(xué)，以啟發(fā)學(xué)生的思維為核心，通過(guò)調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，挖掘其內(nèi)在潛能，使外部教育產(chǎn)生一種內(nèi)化作用，從而提高教學(xué)的實(shí)效性。

基于問(wèn)題啟發(fā)式教學(xué)的機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)過(guò)程為：教師對(duì)所教授內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分析，提出適合啟發(fā)學(xué)生獲得新知識(shí)的問(wèn)題;針對(duì)前述問(wèn)題，教師引導(dǎo)學(xué)生思考、探索問(wèn)題，分析問(wèn)題形成的緣由和解決問(wèn)題的辦法，引入學(xué)生對(duì)新知識(shí)的學(xué)習(xí);通過(guò)前述問(wèn)題的分析和解決，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)的渴望和主動(dòng)性，逐步實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的主動(dòng)獲得和掌握，并可培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題技能和創(chuàng)新思維能力;教師進(jìn)行教學(xué)反思和改進(jìn)。

興趣引導(dǎo)式教學(xué)? 目前，在學(xué)生學(xué)習(xí)課程和內(nèi)容日益增加的同時(shí)，厭學(xué)學(xué)生的數(shù)量以及厭學(xué)現(xiàn)象也在顯著增加。厭學(xué)除了與所學(xué)課程的難易程度以及教師的教學(xué)方法有關(guān)外，更與學(xué)生的主觀原因密不可分，即學(xué)生缺乏對(duì)所學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣是引起厭學(xué)的本質(zhì)原因。心理學(xué)研究認(rèn)為，興趣就是力求探究某種事物或從事某種活動(dòng)的心理傾向。在科學(xué)教學(xué)中，教師如能設(shè)法激起學(xué)生的興趣，使之產(chǎn)生強(qiáng)烈的求知欲望，學(xué)生就能以飽滿(mǎn)的情緒投入學(xué)習(xí)，并能充分發(fā)揮主動(dòng)精神，出色地完成學(xué)習(xí)任務(wù)，教學(xué)就能獲得較大成功，正如“知之者不如好之者，好之者不如樂(lè)之者”。

在機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)過(guò)程中，可采取的興趣引導(dǎo)式教學(xué)方式有：1）根據(jù)教學(xué)計(jì)劃安排的教學(xué)時(shí)數(shù)，確定合適的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)技巧，增強(qiáng)課堂氛圍和師生互動(dòng)，使學(xué)生感到所學(xué)內(nèi)容生動(dòng)有趣和易于理解;2）利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立課程網(wǎng)站，使得師生能夠共享教學(xué)大綱、課件等教學(xué)資料，方便學(xué)生靈活自主地預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)，彌補(bǔ)機(jī)器人技術(shù)課程課時(shí)少、難度大、接受慢的缺點(diǎn);3）緊

跟機(jī)器人技術(shù)發(fā)展前沿，及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容或向?qū)W生介紹機(jī)器人研究的新成果、新應(yīng)用、新趨勢(shì)，激發(fā)學(xué)生的好奇心、求知欲和科研精神，使得學(xué)生想學(xué)習(xí)、愛(ài)學(xué)習(xí)、樂(lè)學(xué)習(xí)。

教練結(jié)合式教學(xué)? 這里提出的教練結(jié)合式教學(xué)，是指把教師的課堂講授與學(xué)生的練習(xí)相結(jié)合的一種教學(xué)方法。概括來(lái)講，教練結(jié)合式教學(xué)可以分為兩部分主要內(nèi)容，即教師的教授（簡(jiǎn)稱(chēng)教師的教）和學(xué)生的練習(xí)（簡(jiǎn)稱(chēng)學(xué)生的練，可以采用課堂練習(xí)和課下練習(xí)相結(jié)合的方式開(kāi)展），二者之間應(yīng)該是有機(jī)結(jié)合、相輔相成的關(guān)系。

針對(duì)機(jī)器人技術(shù)課程的具體教學(xué)內(nèi)容，教師的教主要是指進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)課程中的基本原理（如機(jī)器人學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相關(guān)部分）、分析方法（如機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制技術(shù)等相關(guān)部分）以及理論知識(shí)推導(dǎo)（如機(jī)器人動(dòng)力學(xué)相關(guān)部分）等的講解分析，引導(dǎo)和幫助學(xué)生深入理解所學(xué)知識(shí);學(xué)生的練主要是指針對(duì)機(jī)器人技術(shù)課程的知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)讓學(xué)生實(shí)際練習(xí)（如機(jī)器人技術(shù)課程中涉及的繁雜矩陣變換計(jì)算、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等，可通過(guò)讓學(xué)生進(jìn)行簡(jiǎn)易矩陣運(yùn)算或利用MATLAB軟件編程練習(xí)，深化對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解、認(rèn)知;機(jī)器人技術(shù)課程中的控制技術(shù)部分，則可利用MATLAB軟件中的仿真工具箱Simulink進(jìn)行具體控制方法或參數(shù)的效果分析和對(duì)比驗(yàn)證）的方式，達(dá)到對(duì)所學(xué)知識(shí)熟練掌握和鞏固的目的。

實(shí)驗(yàn)操作式教學(xué)? 機(jī)器人技術(shù)課程具有鮮明的創(chuàng)新性、綜合性、探索性和實(shí)踐性等特點(diǎn)。所以，采用實(shí)驗(yàn)操作式教學(xué)方式，或在機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)中引入實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)，對(duì)學(xué)生深入理解和掌握教學(xué)內(nèi)容大有裨益，對(duì)提升學(xué)生的創(chuàng)新思維以及動(dòng)手操作能力也大有好處。

由于機(jī)器人技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容既包括常識(shí)知識(shí)部分，也包括理論知識(shí)部分，因此在設(shè)計(jì)機(jī)器人技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)操作式教學(xué)策略或?qū)嶒?yàn)課時(shí)，也應(yīng)針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容采取不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法或方式。如中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分就包括機(jī)器人虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、工業(yè)機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)、移動(dòng)機(jī)器人建圖及自主導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)、移動(dòng)機(jī)器人遙操作控制實(shí)驗(yàn)以及無(wú)人機(jī)控制及操作實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容。運(yùn)用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，教師可以結(jié)合具體的教學(xué)內(nèi)容開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)演示教學(xué)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)的運(yùn)動(dòng)展示、機(jī)器人控制方法效果演示以及學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)（讓學(xué)生親手設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試機(jī)器人等）等，充分達(dá)到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性與探索精神，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解和掌握，并能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思考能力以及實(shí)踐動(dòng)手操作能力。

科教聯(lián)合式教學(xué)? 有學(xué)者說(shuō)科研是教學(xué)的“源頭活水”，如果沒(méi)有科研做支撐，大學(xué)課堂教學(xué)就會(huì)失去“靈魂”。著名科學(xué)家錢(qián)偉長(zhǎng)指出：“教學(xué)沒(méi)有科研做底蘊(yùn)，就是一種沒(méi)有觀點(diǎn)的教育。”所以，對(duì)于正在蓬勃發(fā)展的機(jī)器人技術(shù)來(lái)講，采用科教聯(lián)合式教學(xué)方式尤為重要。教師通過(guò)機(jī)器人技術(shù)方面的科學(xué)研究，將會(huì)更透徹地理解教學(xué)內(nèi)容，更精準(zhǔn)地把握課程知識(shí)點(diǎn)，在教學(xué)過(guò)程中會(huì)更容易地做到教學(xué)內(nèi)容的深入淺出、有的放矢，也能及時(shí)為課程教學(xué)內(nèi)容補(bǔ)充新知識(shí)、新理論、新方法、新實(shí)例，這對(duì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與求知欲，提高機(jī)器人技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量都非常有利。同時(shí)，有條件的學(xué)校或教師也可通過(guò)讓學(xué)生參與機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)或科研的形式來(lái)實(shí)施部分教學(xué)內(nèi)容，這對(duì)初步培養(yǎng)學(xué)生的科研精神和創(chuàng)新能力大有好處。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)機(jī)器人技術(shù)課程的主要教學(xué)內(nèi)容和特點(diǎn)，探討提高機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)質(zhì)量的策略和方法，希望對(duì)促進(jìn)國(guó)內(nèi)機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)效果的改善和課程教改研究具有積極意義。

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