機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論課程

王宇奇 周磊 曹錦江 王蕾

摘? 要 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論是應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式下的一門專業(yè)課程，提高該課程的實(shí)踐教學(xué)能力與教學(xué)質(zhì)量，能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教師的教學(xué)工作質(zhì)量。結(jié)合該課程當(dāng)前教學(xué)過程中存在的問題，提出改進(jìn)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論;應(yīng)用型人才;實(shí)踐教學(xué)能力;教學(xué)質(zhì)量

中圖分類號(hào)：G434? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）02-0129-03

Introduction to Robotics//WANG Yuqi， ZHOU Lei， CAO Jinjiang， WANG Lei

Abstract Introduction to robotics is a professional course under the training mode of applied talents. In order to improve the practical teaching ability and teaching quality of this course， combined with the problems existing in the current teaching process of this course， the improvement method is proposed to improve the teaching effect.

Key words introduction to robotics; applied talents; practical tea-ching ability; teaching quality

0 引言

機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論是一門介紹機(jī)器人學(xué)的課程，也是應(yīng)用型本科高校南京工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)、機(jī)器人工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程。機(jī)器人學(xué)是一門高度交叉的前沿學(xué)科，機(jī)器人技術(shù)也是一項(xiàng)集力學(xué)、機(jī)械學(xué)、生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程、控制理論與控制工程學(xué)、電子工程學(xué)、人工智能等多學(xué)科知識(shí)之大成的綜合性很強(qiáng)的新技術(shù)。

隨著工業(yè)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及科技的不斷發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中。機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，使得傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)面貌發(fā)生根本性變化，對(duì)人類社會(huì)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。當(dāng)前，機(jī)器人已成為必爭(zhēng)領(lǐng)域和未來競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)，也是信息、制造、能源、材料等技術(shù)的融合創(chuàng)新[1]。我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)已進(jìn)入高速增長(zhǎng)期，機(jī)器人市場(chǎng)需求潛力巨大[2]。

機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況，按區(qū)域劃分，亞洲是目前工業(yè)機(jī)器人使用量最大的地區(qū)，其次是美洲及歐洲;從國(guó)家來看，中國(guó)是新增工業(yè)機(jī)器人最多的國(guó)家，其次是日本、美國(guó)和韓國(guó)[3]。可以看出，我國(guó)在機(jī)器人應(yīng)用方面已經(jīng)跨到了前端，研究正在朝智能化、模塊化、系統(tǒng)化、微型化、多功能化及高性能、自診斷、自修復(fù)趨勢(shì)發(fā)展，以適應(yīng)多樣化、個(gè)性化的需求，向更大更寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展[4]。因此，要加大對(duì)機(jī)器人學(xué)人才的培養(yǎng)力度，提高機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論課程的教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

1 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論課程的內(nèi)容及特點(diǎn)

機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論課程內(nèi)容主要包括機(jī)器人位置運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析和力、軌跡規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。這門課程融合了多個(gè)學(xué)科，集合了機(jī)器人技術(shù)、控制技術(shù)、力學(xué)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、傳感器技術(shù)等，課程內(nèi)容豐富，覆蓋范圍非常廣泛，是一門綜合性很強(qiáng)的課程。例如：機(jī)器人學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)就包括空間任意點(diǎn)的位置和姿態(tài)變換、坐標(biāo)變換、齊次坐標(biāo)變換、物體的變換和逆變換以及通用旋轉(zhuǎn)變換等;機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)包括動(dòng)力學(xué)方程、動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性，同時(shí)涉及兩種重要的解法，即拉格朗日功能平衡法和牛頓—?dú)W拉動(dòng)態(tài)平衡法。

機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論這門課程涉及學(xué)科多，理論性知識(shí)多，重點(diǎn)、難點(diǎn)多，內(nèi)容相對(duì)比較抽象。學(xué)生在預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)中會(huì)有諸多困難，如果再不結(jié)合科研及實(shí)踐應(yīng)用，會(huì)覺得該課程艱澀難懂，從而極大地減弱學(xué)習(xí)興趣。

2 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論課程的教學(xué)目標(biāo)

機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論課程開設(shè)的目的和任務(wù)是通過教學(xué)，使學(xué)生了解機(jī)器人發(fā)展的最新技術(shù)與現(xiàn)狀，初步掌握機(jī)器人技術(shù)的基本知識(shí);從總體上了解工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展概況及相關(guān)技術(shù)，主要包括工業(yè)機(jī)器人的基本概念、機(jī)器人技術(shù)的基本原理以及機(jī)器人控制的基本思路、方法與特點(diǎn)，并了解在制造業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)與工程中工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)工業(yè)機(jī)器人從基本概念到應(yīng)用有一個(gè)大致的了解。同時(shí)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程起到引導(dǎo)作用。

3 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論課程當(dāng)前存在的問題

課程課時(shí)短? 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論課程雖然是一門專業(yè)課程，但是學(xué)院對(duì)這門課程定的是選修性質(zhì)，且設(shè)定的課程學(xué)時(shí)是32學(xué)時(shí)。機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論總共十章，且每章節(jié)的知識(shí)內(nèi)容繁多，理解起來難度大。32個(gè)學(xué)時(shí)的課時(shí)使得該課程的講解變得比較倉(cāng)促，講解內(nèi)容比較淺顯，流于基本概念和原理，不能進(jìn)一步深入和擴(kuò)展相關(guān)內(nèi)容。同時(shí)，由于這門課是選修課，且安排在大三時(shí)期，大三期間有一些學(xué)生面臨準(zhǔn)備考研等現(xiàn)實(shí)問題，投入課程的時(shí)間變少，這些問題都使得學(xué)生對(duì)這門課程不夠重視，上課心不在焉，學(xué)習(xí)的積極性也很難調(diào)動(dòng)起來，最終對(duì)這門課程的理論知識(shí)不能徹底理解，更別提實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)了。

教學(xué)以理論為主? 機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論包含機(jī)械學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及控制學(xué)等理論內(nèi)容，也涉及不少高等數(shù)學(xué)內(nèi)容，理論性非常強(qiáng)。在教學(xué)方面，對(duì)于該課程以教授理論知識(shí)為主，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)缺乏關(guān)注[5]。教學(xué)方式通過板書和多媒體相結(jié)合，在整個(gè)教學(xué)過程中，教師雖然通過提問來調(diào)動(dòng)活躍課堂氛圍，使得理論知識(shí)便于理解，但是通過課后調(diào)查以及與學(xué)生的談話發(fā)現(xiàn)，此種授課方式并不能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，授課效果不理想。

缺乏實(shí)踐環(huán)節(jié)? 培養(yǎng)大學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神是提高本科教學(xué)質(zhì)量的重要目標(biāo)，也是高等教育教學(xué)的重要組成部分[6]。但是，在機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論課程教學(xué)中，基本沒有關(guān)于該課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)院也沒有安排相應(yīng)的實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)。對(duì)于應(yīng)用型本科高校來講，實(shí)踐環(huán)節(jié)的缺乏將會(huì)導(dǎo)致畢業(yè)生質(zhì)量下降以及用人單位認(rèn)可度下降，不能滿足企業(yè)需求，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致畢業(yè)生的就業(yè)方向模糊不清。另外，很多高校對(duì)該課程也沒有設(shè)置對(duì)應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)，因此導(dǎo)致該課程的教學(xué)結(jié)果是理論無法深入、實(shí)踐教學(xué)難以開展且沒有明確的目標(biāo)。

應(yīng)用實(shí)例少? 機(jī)器人學(xué)的研究推動(dòng)了許多人工智能思想的發(fā)展，在科學(xué)研究、工業(yè)及生活中得到廣泛應(yīng)用。但是，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)未能獲得長(zhǎng)足發(fā)展，除了傳統(tǒng)觀念影響和政府政策支持力度不夠，未能進(jìn)行全國(guó)性的產(chǎn)學(xué)研大合作是一個(gè)主要原因。因此，要激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將理論與應(yīng)用實(shí)例相結(jié)合，在課程中增加更多的應(yīng)用實(shí)例。

4 應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式下教師實(shí)踐教學(xué)能力與教學(xué)質(zhì)量提升

增加課程的課時(shí)量? 由于機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論課程的內(nèi)容比較抽象，涉及的學(xué)科范圍廣，難度較大，而且每個(gè)章節(jié)的內(nèi)容又比較重要，32個(gè)學(xué)時(shí)的課時(shí)量是無法保證教學(xué)質(zhì)量的。因此，只有增加該課程的課時(shí)量，教師才能詳細(xì)講解每章節(jié)的內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量。

準(zhǔn)確把握課程的基本特點(diǎn)，明確課程的重點(diǎn)內(nèi)容? 教師要準(zhǔn)確把握該課程的基本特點(diǎn)，明確其教學(xué)目標(biāo)及重點(diǎn)內(nèi)容。在內(nèi)容講解方面，要直奔主題，直接講解重點(diǎn)內(nèi)容，同時(shí)向?qū)W生說明機(jī)器人學(xué)在一些領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中都采用了哪些方法、哪些技術(shù)。在教學(xué)內(nèi)容中，要實(shí)時(shí)合理地把理論內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合在一起，突出重點(diǎn)特色，并融合應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生更加愿意學(xué)習(xí)本課程。

增加應(yīng)用實(shí)例及實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提高教師的實(shí)踐教學(xué)能力? 實(shí)踐教學(xué)師資隊(duì)伍和管理隊(duì)伍整體素質(zhì)與水平對(duì)深化教學(xué)改革、提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，只有加強(qiáng)隊(duì)伍建設(shè)，提高教師的實(shí)踐教學(xué)能力，才能真正高效地推動(dòng)實(shí)踐教學(xué)改革，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目標(biāo)[6]。

在教學(xué)過程中，教師根據(jù)課程內(nèi)容向?qū)W生講解傳授與課程相關(guān)的應(yīng)用實(shí)例，以幫助學(xué)生更好地理解和掌握相關(guān)理論知識(shí)。單純依靠理論知識(shí)，無法使學(xué)生真正理解有些內(nèi)容的含義，也很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而增加應(yīng)用實(shí)例能使學(xué)生更好地掌握本課程的核心內(nèi)容，提高教師的實(shí)踐教學(xué)能力。為了培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，增加實(shí)踐/實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，不僅能提高學(xué)生解決問題的能力，也會(huì)提高教師的實(shí)踐教學(xué)能力。

所增加的實(shí)踐/實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)需要學(xué)校提供必要的設(shè)備平臺(tái)和科研平臺(tái)，充分為廣大師生提供便利的實(shí)踐/實(shí)習(xí)條件，調(diào)動(dòng)廣大師生積極參與實(shí)踐教學(xué)，從而提高教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，學(xué)校也可以設(shè)立專項(xiàng)基金，鼓勵(lì)支持學(xué)生參加省內(nèi)和全國(guó)的機(jī)器人大賽，鼓勵(lì)實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)秀學(xué)生帶新手學(xué)生，從而建立一屆一屆連續(xù)傳遞的優(yōu)良傳統(tǒng)，提高學(xué)生整體參與的積極性，并且可以通過參加機(jī)器人比賽取得良好的成績(jī)來提高企業(yè)的認(rèn)可度。

優(yōu)化教學(xué)組織，提高教師的教學(xué)質(zhì)量? 依據(jù)機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論教學(xué)大綱，結(jié)合個(gè)人教學(xué)研究與教學(xué)實(shí)踐，可以在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、軌跡規(guī)劃及機(jī)器人控制技術(shù)等課程內(nèi)容中，剖析它們之間的聯(lián)系和應(yīng)用實(shí)例作為重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，以此來優(yōu)化教學(xué)組織：機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和機(jī)器人動(dòng)力學(xué)是該課程的理論基礎(chǔ)內(nèi)容，也是教學(xué)的前提，明確該部分的具體教學(xué)要求，提高教學(xué)質(zhì)量;驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)器人中的作用相當(dāng)于人體肌肉，是教學(xué)的核心內(nèi)容，重點(diǎn)分析該部分與連桿和關(guān)節(jié)的關(guān)系，從而提高教學(xué)質(zhì)量;軌跡規(guī)劃和機(jī)器人控制技術(shù)是教學(xué)重點(diǎn)，把握該部分的核心教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量。綜上所述，教師要掌握本課程每部分的特點(diǎn)，并把每章節(jié)之間進(jìn)行串聯(lián)，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

5 總結(jié)

通過以上剖析，機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論作為自動(dòng)化專業(yè)、機(jī)器人工程專業(yè)的一門專業(yè)課程，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、提高學(xué)生科研能力的技術(shù)性平臺(tái)。該課程能使學(xué)生掌握機(jī)器人的專業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生研究機(jī)器人的興趣和能力。通過對(duì)機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論課程教學(xué)實(shí)踐和教學(xué)質(zhì)量的不斷探索與提升，該課程的教學(xué)效果必然會(huì)得到增強(qiáng)，同時(shí)為培養(yǎng)應(yīng)用型人才奠定良好的基礎(chǔ)。因此，將實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)完美地結(jié)合起來，教學(xué)質(zhì)量必能得到持續(xù)提升，對(duì)學(xué)生就業(yè)、未來發(fā)展以及提高思考問題的能力具有重要意義，也是培養(yǎng)應(yīng)用型人才以及提高高等教育辦學(xué)質(zhì)量的一個(gè)有效途徑。

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