新工科背景下移動機器人項目實驗教學的探索

鄺禹聰

摘 要：在新工科背景下，使用移動機器人模擬工業(yè)AGV的實際應用，以此開展實驗教學。從實驗資源的配置、實驗內(nèi)容的設計、實驗考核三方面，描述了實驗課程的情況，并實現(xiàn)了教學實踐，達成了初步的教學效果。

關(guān)鍵詞：實驗教學;新工科;移動機器人

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A

Abstract：Under the background of Emerging Engineering Education，using mobile robot to simulate the practical application of industrial AGV，in order to carry out experimental teaching.This paper describes the situation of the experimental course from three aspects：the allocation of experimental resources，the design of experimental contents and the examination of experiments，and realizes the teaching practice，achieves the preliminary teaching effect.

Key words：experiment teaching;new engineering;mobile robot

1 新工科背景下的課程要求

2017年，教育部提出了新工科的建設愿景[1]，鐘登華院士、鄭慶華教授均對建設新工科的內(nèi)涵進行了解析，并就“如何建設新工科”提出了見解[2][3]。新工科的建設，對機電專業(yè)的課程提出了新的要求：（1）培養(yǎng)多元化的創(chuàng)新型人才。（2）積極面對與適應時代的科技變化。（3）多學科融合。面對這樣新的挑戰(zhàn)，學校機械工程學院的工業(yè)自動化強化訓練課程做出新的設計，新增移動機器人實驗項目。為適應社會的科技發(fā)展，針對物流行業(yè)里的AGV（Automated Guided Vehicle）的應用情況，以及分析了AGV行業(yè)的人才需求，將AGV的應用場景引入到移動機器人項目的實驗教學中。

結(jié)合新工科的建設背景，對移動機器人實驗課程的要求是：實驗課程能應對時代的發(fā)展，能體現(xiàn)實際的工程需求，實驗平臺能夠鍛煉工程能力，訓練學生多元思考，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，人才培養(yǎng)注重過程，并在考核上體現(xiàn)出來。

以下將從實驗資源的配置、實驗課程的設計以及課程考核方式這幾方面，對實驗教學進行探索。

2 實驗資源的配置

圍繞課程的建設，搭建實驗資源，包括實驗平臺、實驗教學使用的指導書、實驗用到模塊的產(chǎn)品用戶手冊、以及實驗過程中用于實驗記錄以及實驗評價的能力考核手冊。

移動機器人實驗平臺的主體由鋁型材搭建而成，組裝靈活，方便安裝各個模塊，也為后續(xù)的機構(gòu)改進、創(chuàng)新設計留下空間。在對AGV的企業(yè)進行了工程應用的調(diào)研后，為移動機器人設計的主要功能定位為一臺磁導航的點到點搬運機器人，能實現(xiàn)手動模式與自動模式的切換。機器人的功能模塊參考了實際的工程應用，主要分為PLC與人機界面控制模塊、RFID定位模塊、激光雷達避障模塊、磁導航模塊、電機與驅(qū)動動力模塊。移動機器人主體以及功能模塊如下圖所示。實驗平臺根據(jù)實驗內(nèi)容，可以整體調(diào)試，也可以單獨使用模塊調(diào)試。

移動機器人實驗平臺圖圍繞上述的實驗平臺，開發(fā)了實驗指導書，實驗的實施由下節(jié)敘述。模塊中使用到的工業(yè)產(chǎn)品，由學生直接查閱相關(guān)的用戶手冊，鍛煉工程師閱讀手冊的能力。最后，能力考核手冊由學生進行實驗記錄，收集數(shù)據(jù)，指導老師在其上進行實驗評定。

3 實驗項目的設計與考核

3.1 實驗實施

在3周的教學時間內(nèi)，共需要完成一次設備認知講授、十一個實驗、兩個綜合任務，如下表所示。其中，實驗零為設備認知，由指導老師負責進行講授，全面講解整體設備、分模塊介紹，以及下發(fā)實驗資源。學生負責對實驗平臺進行全面認知，了解實驗平臺的使用。十一個實驗由學生自主完成，主要對實驗平臺的每個功能模塊進行控制、操作。實驗過程中可以自學、小組討論、與指導老師探討，形式多樣。兩個綜合任務由學生對整車進行調(diào)試，是對每個模塊的綜合應用。學生在實驗過程中，直接在能力考核手冊中記錄實驗過程，留下實驗數(shù)據(jù)。實驗課程結(jié)束后，應提交實驗報告書一份。

3.2 考核方式

對于學生的考核，分為課堂評定與任務驗收兩種。

（1）課堂評定，即對要求完成的實驗，指導老師做出完成情況的評定，指出完成不好的地方以及需要改進的地方，并在學生的能力考核手冊上進行批注。以實驗二為例，要求學生掌握觸摸屏設計軟件的操作，完成一個基本的控制界面。實驗評定時，指導老師對界面細節(jié)作出改進意見，對未完成的界面作出批注。這樣，學生可以根據(jù)指導老師的意見，進行完善，即學生有繼續(xù)完成該實驗的機會。在接下來的整個課程中，指導老師可以根據(jù)此次實驗課堂評定的批注，關(guān)注學生是否有對該問題進行了學習，是否有進步。

（2）任務驗收，即對要求完成的綜合任務，進行工程甲乙方式的驗收。學生的角色類似乙方工程師，指導老師類似甲方客戶。任務驗收時，由乙方對完成的任務進行講解，按照任務的性能指標，逐項向甲方進行展示匯報。匯報過程中，甲方可以隨時提出自己的問題，乙方需要一一解答。匯報結(jié)束后，由甲方給出驗收意見。

以上兩種評定，均由指導老師將意見記錄在能力考核手冊中。學生在完成課程后，需要撰寫實驗報告，記錄整個實驗過程。學生的課程成績，最后根據(jù)能力考核手冊以及實驗報告書綜合給出。

4 課程創(chuàng)新與展望

圍繞新工科理念建設移動機器人項目實驗課程，該課程在機械學院2016級的課堂上進行了教學實踐，效果理想。課程實現(xiàn)了以下創(chuàng)新：

（1）實驗平臺貼合工程實際，模擬了AGV的實際應用，直接使用工程中使用的激光避障傳感器等元件，能夠讓學生直接體驗科技在當前工業(yè)中的應用，縮短了“實驗室”到“工程現(xiàn)場”的差距。

（2）實驗內(nèi)容分等級進行，分為認知、應用、設計以及綜合，層層推進，逐步學習，符合學習的規(guī)律。根據(jù)不同的實驗等級，對應的實驗方式、實驗平臺也會相應調(diào)整。

（3）實驗的方式先模塊后整體，在此過程中，能體會到工程師研發(fā)、設計、制造的過程，培養(yǎng)學生多元思維。模塊應用相當于工程師研發(fā)過程，熟悉每個工業(yè)產(chǎn)品元件的使用情況。然后是設計，將各元件綜合起來，設計出一個完整的AGV產(chǎn)品，并且自行完成整車的電氣搭建，熟悉了產(chǎn)品的制造過程。

（4）課程考核注重課堂評測，關(guān)注學生平時的積累與成長。對于學生的成績，不再是以最后的大作業(yè)去評價。而綜合任務的考核，則讓學生從整個項目的角度去思考問題，并且需要通過個人的表達能力，去展現(xiàn)自己的產(chǎn)品。

展望未來，課程還有提高的方向，提出以下兩點：

（1）可以結(jié)合人工智能，實現(xiàn)學科交叉融合。當今科技的發(fā)展，人工智能是一個熱門方向。人工智能+機器人，更是工業(yè)自動化領域里面，很有應用前景的學科融合。例如，結(jié)合機器學習，實現(xiàn)移動機器人的路徑自主規(guī)劃，增加行走路徑精度等。

（2）增加實驗內(nèi)容，對移動機器人進行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計。在實驗等級中，新增創(chuàng)新設計，使用三維設計軟件，對AGV的機構(gòu)，提出自己的構(gòu)想，新增牽引式、背馱式、潛伏式等AGV類型所必須的機構(gòu)。例如，牽引式的AGV需要設計一個升降機構(gòu)，以實現(xiàn)拖拽平板車的功能。

參考文獻：

[1]“新工科”建設行動路線（“天大行動”）[J].高等工程教育研究，2017（02）：24-25.

[2]鐘登華.新工科建設的內(nèi)涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（03）：1-6.

[3]鄭慶華.新工科建設內(nèi)涵解析及實踐探索[J].高等工程教育研究，2020（02）：25-30.