機器人開放性實驗改革與探索

程景萌 李姍姍 李 輝 王玉潔 周 圍

（1.河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院,天津 300130；2.衡水科技工程學(xué)校,河北 衡水 053000）

機器人技術(shù)涉及運動控制、計算機視覺、人工智能、傳感器技術(shù)等研究領(lǐng)域，其代表了當(dāng)今機電一體化的最高成就[1]。工程教育專業(yè)認證是高校工程教育國際化的重要途徑，也對高校工程專業(yè)實驗教學(xué)提出了新要求。已有不少學(xué)者提出，可以通過機器人實驗來培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、發(fā)展能力以及創(chuàng)造性地分析與解決問題的能力[2]。

1 機器人實驗教學(xué)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及存在問題

目前，國外很多高校相繼開展機器人實驗課程，尤其是美國高校，普遍開設(shè)了機器人課程，并鼓勵學(xué)生積極參加機器人設(shè)計競賽活動[3]。日本多數(shù)高校都設(shè)有高水平機器人研究會，鼓勵和促進機器人教育、機器人技術(shù)和產(chǎn)品的不斷發(fā)展[4]。面對海外高校機器人課程的開設(shè)，國內(nèi)部分高校開始奮起直追：西安交通大學(xué)積極構(gòu)建機器人實驗教學(xué)平臺，主要包括開放源代碼的固高等國產(chǎn)機器人、具有示教手持盒的日本生產(chǎn)的商業(yè)機器人和進行二次開發(fā)的博時機器人應(yīng)用于研究生和本科生教學(xué)[5]；華南理工大學(xué)廣州學(xué)院安排了工業(yè)自動化強化訓(xùn)練Ⅰ和Ⅱ兩個課程，將機器人控制系統(tǒng)作為PLC和單片機強化訓(xùn)練項目來開展[6]；西安科技大學(xué)構(gòu)建了“機器人創(chuàng)新實訓(xùn)基地”[7]。

當(dāng)今我國高校在機器人實驗教學(xué)方面雖然取得了部分成就，但是仍然存在一些問題，比如：⑴ 實驗教學(xué)手段傳統(tǒng)，往往以理論和教師講解為主，學(xué)生主動性很差；⑵ 實驗平臺過于單一，相當(dāng)一部分的學(xué)校只搭建一到兩種機器人實驗平臺；⑶ 單一的考核方法，學(xué)生成績的評定基本都是由指導(dǎo)教師根據(jù)實驗報告進行評定；⑷ 學(xué)生實驗時間太受限制，學(xué)生只能在教師規(guī)定時間去實驗室進行實驗。

2 機器人開放性實驗教學(xué)模式改革內(nèi)容以及特點

2.1 設(shè)置階梯式開放性實驗項目

介于學(xué)生層次水平的不同，將開放性實驗項目按模塊劃分，單元模塊中項目之間的關(guān)系是階梯式的。實驗?zāi)K分為基本技能模塊、綜合應(yīng)用模塊和創(chuàng)新設(shè)計模塊，每個模塊內(nèi)部由多個實驗項目構(gòu)成。基本技能模塊主要設(shè)置有舵機控制、機器人傳感器使用；綜合應(yīng)用模塊設(shè)置有小車主動避障、示蹤，人機對話等；創(chuàng)新設(shè)計模塊需要與科研及國內(nèi)外競賽項目緊密結(jié)合，如擂臺賽機器人等。

通過對實驗項目的合理設(shè)置，可以滿足不同專業(yè)、年級的學(xué)生，構(gòu)建一個能夠滿足多層次需求的機器人開放性實驗教學(xué)體系。學(xué)生在親歷實驗的過程中，可以有效培養(yǎng)探索意識和解決復(fù)雜工程問題的能力。

2.2 實行以學(xué)生為主的預(yù)約式開放性實驗教學(xué)模式

開放性實驗教學(xué)模式是以學(xué)生為主體、而教師著重對學(xué)生進行啟發(fā)與引導(dǎo)的一種實踐性教學(xué)模式。該模式下，學(xué)生在一個完全自主學(xué)習(xí)與思考的環(huán)境中進行專業(yè)技能的鍛煉，當(dāng)學(xué)生在實驗過程中遇到問題時，實驗老師只需給予適度的啟發(fā)和引導(dǎo)。學(xué)生進入實驗室的時間需提前預(yù)約，方便學(xué)生根據(jù)自己的時間進行實驗，不拘泥于以往教學(xué)中規(guī)定好的實驗學(xué)時數(shù)，從而讓其能夠充分挖掘自身潛能。競賽項目的實施更能培養(yǎng)學(xué)生的自主決策、獨立操作、分析和處理問題的能力，并能將競賽項目合理地應(yīng)用到實驗室體系中來，實現(xiàn)實驗室資源高效共享。

2.3 形成閉合反饋式考核評價方法

根據(jù)每個實驗項目的性質(zhì)采用不同的考核方式，可以采取提交實驗報告或直接提交作品、上臺演示演講、公開答辯或小組自評互評等方式，老師根據(jù)掌握的情況對實驗結(jié)果給出合理評價，將考核結(jié)果反饋給學(xué)生進行改進，形成閉合反饋的考核評價方法。

3 機器人開放性實驗教學(xué)模式改革效果

工程教育專業(yè)認證從12個方面明確了本科畢業(yè)生應(yīng)具備的素養(yǎng)和能力。基于工程教育專業(yè)認證的先進理念，有力推動了機器人實驗教學(xué)模式改革，從輸出到輸入，對教學(xué)方式和教學(xué)模式進行革新，從而有利促進教學(xué)工作，提高教學(xué)質(zhì)量，實現(xiàn)實驗室資源的高效共享。

河北工業(yè)大學(xué)機械電子工程實驗室打破以往重復(fù)驗證為主的傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ胶鸵员粍咏邮転橹鞯膫鹘y(tǒng)學(xué)習(xí)模式，以機器人為平臺，從開放性的課程設(shè)置、實驗過程、評價體系等方面進行改革和實踐，建立以學(xué)生為主實踐創(chuàng)新培養(yǎng)體系，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。圖1和圖2為開放性實驗改革前后的實驗課程組織流程。

圖1 改革前實驗課程組織流程

圖2 改革后實驗課程組織流程

實驗教學(xué)模式改革前，實驗課程的授課方式為線性化特點，以教師講解為主，教學(xué)環(huán)節(jié)中缺少互動，課程教學(xué)內(nèi)容側(cè)重于理論課程中知識點的講授，學(xué)生自主發(fā)揮的環(huán)節(jié)比較少。實驗教學(xué)模式改革后，以學(xué)生小組為單位的研討成為課堂的重要環(huán)節(jié)。將課堂時間交給學(xué)生，要求學(xué)生以小組為單位針對具體實驗項目，以問題為導(dǎo)向，利用教材、小組頭腦風(fēng)暴以及網(wǎng)絡(luò)等多種形式，自主完成實驗項目，并清晰地將實驗過程闡述出來。實驗結(jié)束后，教師將考核結(jié)果反饋給學(xué)生，采用閉合式考核方式。這種方式使學(xué)生真正成為課堂的主體，而不再是被動的接受者，如此一來學(xué)生的自主性和積極性將得到大幅提高。

4 提高教學(xué)質(zhì)量作用和意義

以模塊化機器人為實驗平臺，通過機器人開放性實驗激發(fā)學(xué)生的主動探索的積極性，對促進教學(xué)工作，提高教學(xué)質(zhì)量的具有非常重要的作用和意義。

4.1 提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)新能力

傳統(tǒng)的機器人實驗教學(xué)，往往以理論和教師講解為主，學(xué)生則參照實驗指導(dǎo)書的操作步驟進行實驗操作，學(xué)生主動性很差，難以激發(fā)學(xué)生對機器人進行學(xué)習(xí)和操作的積極性。本項目打破傳統(tǒng)實驗驗證性的封閉性和學(xué)生被動學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)模式，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性。

4.2 增加機器人實驗教學(xué)的廣度

搭建機器人實驗平臺所需的器材費用非常高，相當(dāng)一部分的學(xué)校只能購買并搭建一到兩種機器人實驗平臺，因而能夠讓學(xué)生動手操作、親身體驗的實驗資源非常有限，導(dǎo)致機器人實驗的教學(xué)內(nèi)容比較單調(diào)。本項目通過模塊化機器人實驗教學(xué)降低實驗成本，使更多的學(xué)生參與到實驗中來，拓寬了實驗教學(xué)的廣度。

4.3 促進機械電子工程專業(yè)教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新具有重要的意義與作用

本項目研究試圖將機器人開放性實驗有機嵌合到整個機器人技術(shù)、機電一體化等相關(guān)課程的教學(xué)過程中，改變傳統(tǒng)教學(xué)中存在的重理論輕實踐的傾向，體現(xiàn)以學(xué)生能力培養(yǎng)為核心、以學(xué)生為教學(xué)主體的教學(xué)理念。

5 機器人開放性實驗教學(xué)模式改革遇到的關(guān)鍵問題

5.1 構(gòu)建良好可用的機器人開放教學(xué)實驗平臺

建立實用性比較強的開放性實驗課程管理平臺，內(nèi)容包含教師提交教學(xué)任務(wù)、學(xué)生開放預(yù)約、學(xué)生信息管理、成績反饋等等。通過教學(xué)實驗平臺的使用可以將預(yù)約式開放性實驗在管理上更加規(guī)范。

5.2 設(shè)置合理的開放性實驗項目

開放性實驗項目的選擇需要面對不同專業(yè)、年級的學(xué)生，就需要教師設(shè)定不同階梯式的實驗項目，以激發(fā)學(xué)生的興趣，否則學(xué)生無法真正達到訓(xùn)練其獨立設(shè)計、動手能力的目的，而指導(dǎo)教師也被迫不斷降低開放性實驗的要求。

5.3 建立強有力的支持體系

預(yù)約式開放性創(chuàng)新實驗的可持續(xù)開展，有賴于自學(xué)校管理層面到教師個體的完整有效的支持體系和制度保證。本科實驗教學(xué)管理辦法、開放性實驗管理辦法等全面覆蓋的制度。在激勵機制上體現(xiàn)激勵教師貢獻、認定學(xué)生學(xué)分，同時制定支持主講教師、學(xué)生便捷進入實驗室利用實驗室教學(xué)資源的預(yù)約制度。

6 結(jié)語

通過改變實驗教學(xué)模式，可以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力，保證畢業(yè)生達到行業(yè)認可的既定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，并且將開放性實驗應(yīng)用于實驗室，實現(xiàn)實驗室資源的高效共享。根據(jù)畢業(yè)要求指標(biāo)配置實驗課程內(nèi)容，利用模塊化的機器人實驗降低實驗入門的難度，減少實驗成本。開放性機器人實驗教學(xué)模式能激發(fā)學(xué)生主動探索的積極性，對促進教學(xué)工作、提高教學(xué)質(zhì)量具有非常重要的作用和意義。