機器人技術基礎一流本科課程建設的探索與實踐

胡興柳　司海飛　余振中

［摘 要］機器人技術基礎課程在機器人工程和自動化等本科專業的課程體系中處于核心地位。文章以江蘇省首批一流本科課程機器人技術基礎為例，從課程內容、教學方法、實踐教學、課程思政等四個方面論述該課程建設的探索與實踐，以期為機器人工程等相關專業的課程建設和高校教學改革提供有益借鑒和參考。

［關鍵詞］機器人技術；一流本科課程；實踐教學；課程思政

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）22-0014-04

機器人技術涉及控制、機械、計算機、人工智能、儀器、傳感、通信、材料、系統工程等一系列學科，綜合了多領域的知識。隨著世界范圍內機器人產品應用的不斷拓展，近年來，我國機器人產業的新技術、新方法不斷出現，機器人技術研究范疇大幅擴張，研究內容不斷深化。為了滿足我國制造業轉型升級的迫切需求，以及積極應對新一輪科技革命和產業變革的挑戰，培養具有機器人技術基本知識和創新能力的研究型人才已迫在眉睫。

機器人技術基礎課程主要學習機器人本體機構、數學建模、控制和編程等內容，對培養學生的創新思維起著重要作用。該課程在某些學校又被稱為機器人學導論或者機器人學基礎。該課程是機器人相關專業的基礎課程，這門課學得如何，直接關系到學生對機器人學和機器人技術的興趣。如果學生喜歡這門課并認真學習，就能夠激發他們繼續學習機器人技術的熱情和動力；如果學生學習這門課的效果不好，也許會極大影響他們對后續課程的學習。目前，金陵科技學院（以下簡稱我校）機器人技術基礎課程已獲批江蘇省首批一流本科課程。在講授和建設這門課程時，課題組主要從以下幾個方面開展探索和實踐。

一、課程內容的選取與安排

（一） 課程內容梳理與選取

在進行課程教學前，課題組對上海發那科機器人有限公司、三菱電機自動化（中國）有限公司、安徽埃夫特智能裝備股份有限公司、無錫信捷電氣股份有限公司等國內機器人生產企業進行了調研，參觀了東北大學、東南大學、南方科技大學、香港中文大學（深圳）、南京工程學院等國內高校的機器人技術實驗室。課題組教師還參觀了西門子安貝格EWA工廠、寶馬雷根斯堡工廠等國外機器人應用企業，參觀了德國的安貝格應用技術大學、瑞士的蘇黎世應用科技大學等國外高校的機器人技術實驗室。

我國機器人技術基礎課程最早是在2016年開設的，當時教材的選擇面很窄。課題組參考了國內有限的幾本教材，以及我國臺灣和香港地區一些大學的授課視頻和教學資源；又參閱了國外的一些教材，學習了斯坦福大學的機器人課程授課視頻等，最終確定了課程內容。課程內容緊扣機器人技術的發展，體現前沿性和時代性；強調知識能力素質的有機融合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。在重新梳理課程內容的過程中，課題組發現了如下問題。

首先，課程內容不系統，在講授機器人運動學前，缺少對工業機器人本體的介紹，純原理介紹增加了學習難度。所以，課題組增加了工業機器人本體介紹環節，讓學生對工業機器人有直觀認識。

其次，部分教材的內容缺少年份交代，或者年份不準確、人名翻譯不準確，存在以訛傳訛的問題。所以，課題組在課程內容準備的過程中增加了對內容的核對和考證，盡量保證傳授給學生的知識準確無誤。

例如，在提到第一臺工業機器人的誕生時間時，有的教材只說是20世紀50年代，具體年份不詳，有的教材寫1954年，也有的寫1955年，還有的寫1956年。筆者在網上查詢后得知，這個專利是在1954年申請，并在1961年獲得授權的，也就是說美國的發明家喬治·德沃爾在1954年就提出了工業機器人的概念。再例如，很多教材中都列舉了巧匠偃師制造了能歌善舞的伶人木偶的例子，并說這是我國最早的有關機器人的文字記載，但并未指明其出處。通過查閱資料可知，這個例子出自《列子·湯問》。另外，很多教材也沒交代偃師是哪個朝代的人，筆者查閱資料后才知道其是西周的。

再次，還有人名翻譯不準確、英文名拼寫錯誤等問題。如1920年捷克作家卡雷爾? 恰佩克（Karel Capek）發表了一部科幻劇本，其中的機器人被取名為Robota。對于這位作家卡雷爾 ? 恰佩克，很多書里的譯名各不相同，在課文講授中為了避免歧義，我們直接使用了他的英文名。

最后，有些教材部分公式推導和計算也存在問題。所以，在課程內容準備的過程中教師要認真核對和計算，有的還要通過計算機進行輔助計算和推導，并將正確的思考方法和計算方法傳授給學生。

（二）課程內容結構安排與銜接

我校是應用型本科學校，課題組經過綜合考慮，將機器人技術基礎課程最后確定為八章內容，詳細講授機器人機械結構、運動學和動力學建模、機器人控制、機器人軌跡規劃、機器人編程等方面的理論、原理、分析方法和實踐應用等內容。機器人技術基礎課程相應章節的內在聯系如圖1所示。

學生在接觸新事物的時候，會很好奇它的外形和功能等，這個是在緒論中介紹的；在對機器人和機器人技術有了初步認知的基礎上，學生會對機器人的結構組成較感興趣；在學習了機器人機械結構和組成之后，學生會很自然地想知道機器人是如何移動的，是什么力使它運動的，因此需要了解機器人的位置變換、運動學和動力學。

機器人基礎理論為學生后面研究機器人運動學、動力學和控制建模等提供了有用的數學工具；機器人運動學主要研究位姿和關節變量之間的關系，這些內容是研究機器人動力學和控制必不可少的基礎。機器人動力學問題的研究對于快速運動的機器人及其控制具有特別重要的意義；機器人軌跡規劃問題是在機械手運動學和動力學的基礎上，研究關節空間和笛卡兒空間中機器人運動的軌跡規劃和軌跡生成方法。

機器人控制問題是機器人研究的重要方向。當機器人準備運用于實際時，用戶需要決定如何針對一個特定的任務來控制機器人的動作。

編程是機器人運動和控制的結合點，也是實現人與機器人通信的主要方法。

機器人技術基礎作為概論性基礎課程，在教學中不可能所有知識點都細講，教師在具體授課過程中要針對授課對象來進行課程內容的取舍。比如機器人工程專業后續有專門的機器人運動學課程，機器人技術基礎課程的任課教師就可以跟機器人運動學課程的任課教師協調，明確機器人技術基礎課程中運動學這一章需要講授到什么程度。再比如自動化專業后續沒有機器人運動學課程，那就要在該專業的機器人技術基礎課程中增加運動學章節的課時。

二、教學方法的綜合應用

機器人技術基礎課程作為基礎課，其內容覆蓋范圍廣，幾乎涉及機器人技術的方方面面。如何選擇合適的教學方法，使學生分層次地、盡可能多地掌握這些知識和技能，是非常重要的。為什么要分層次掌握？因為有的知識點是在這門課的學習中就要求全部掌握的，而有的知識點是在后續課程中才要求全部掌握的，在本課程中只需要大概了解。所以，教學方法的選擇和設計，是教師在教學設計中需要重點思考的內容。該課程的教學主要采用如下五種方法。

（一）虛實并用的教學手段

在講授理論課程時，要對課程內容進行分解融合，提煉核心內容，運用仿真軟件、動畫演示、模型顯示等多種教學方式輔助完成理論教學。譬如在運用仿真軟件方面，可以借助MATLAB軟件對機器人的運動學、動力學特性進行分析，實現對機器人的仿真控制，使學生對算法應用和控制過程有具體認識。在講授機器人本體時可通過實物模型在課堂上進行展示，在講授工業機器人編程示教時可通過工業機器人實物進行現場教學。如此可以幫助學生更好地理解機器人的自由度、各關節轉動方式、傳動部件、機構設計等知識，收到事半功倍的效果。

（二）借助課程網絡平臺輔助教學

為了有效促進學生課后自主學習，課題組依托學校網絡教學平臺，建設了機器人技術基礎課程網站。2017年，課程網絡教學平臺建成，并進行了研究性教學試點，目前該課程也是學校的研究性課程。平臺投入運行后取得了較好的效果，2020年課程轉為線上教學，因為前期課程網絡化建設已經進行了3年，所以轉換得很順暢，這也是課程建設的一個意外收獲。該課程網絡學習交流平臺為學生提供了一個良好的在線自主學習環境，也為教師提供了一個師生互動教學平臺，提升了學生的學習效率，拓展了理論教學的時間和空間，也促進了課程教學改革的深化。

（三）小組協作學習與匯報展示

課題組改革和創新了學生獲取學科基礎知識的方法和途徑，主要有學生預習、網上學習、分組協作學習、分組討論，教師點評、講授，師生討論等方式，不同的方式解決問題的側重點也不同。學生進行預習、網上學習是為了熟悉課堂要學習的內容，對基本概念形成認知；進行分組協作學習、分組討論是為了進一步鞏固課程內容，并從小組同學和其他同學處獲取知識，拓寬學習范圍。之后，教師要進行點評、講授，即針對重點知識和小組學習情況進行總結評價，對難點進行透徹講解，同時使知識系統化和條理化。最后是師生討論，教師要對學生的學習、想法進行指導、評價，使學生正確全面地理解課程內容。

（四）企業參觀和自主調研

課外調研通過合作企業和展會進行，如南京國際博覽中心有各種博覽會，只要是和機器人相關的博覽會，課題組都會盡量組織學生去參觀。

（五）將學科競賽與課程教學相結合

課題組教師在開展科研工作時，會有意識地讓學生參與到實際科研課題中，使學生盡早進入機器人科研領域，接觸研究前沿，了解學科發展動態，以培養學生的綜合素質。課程組一直積極組織與指導學生參加各類競賽及創新項目，同時在布置畢業設計課題時設計大量與機器人課程密切相關的題目，進一步鞏固學生的理論知識，培養學生的創新思維和解決實際問題的能力，受指導的學生獲得了很多國家級和省級獎項。

三、實踐教學內容選擇和實驗設備建設

機器人技術基礎是一門既具理論性又有較強實踐性的課程，該課程的實踐教學對于學生理論聯系實際、培養操作技能來說具有重要意義。但在實際操作中，實驗教學人員能力不足和實驗設備短缺等問題制約著課程實踐內容的選擇。

一是實驗教學人員，也就是教師，特別是青年教師大多是從校門到校門，缺乏到企業的實踐鍛煉。為提高教師的實踐能力，近年來，課題組分批選送教師到武漢、上海參加ABB、發那科、三菱工業機器人的實操培訓。

二是實驗設備，也就是工業機器人硬件，本體和配套設備價格不菲，一般學校很難完全配齊。在實踐中，我們主要有針對性地采用了以下三種方法：（1）帶學生到實驗室進行現場參觀和演示，工業機器人技術實驗室配有3套工業機器人實體教學培訓工作站（分別為發那科、ABB、三菱工業機器人），教師可以當場進行操作，演示給學生看。還有一條模塊化智能制造生產線，其中配有4套ABB工業機器人工作站，可以現場組裝U盤，讓學生對工業機器人在實際工業生產線中的應用有個大概認知。（2）虛實結合，讓學生利用虛擬工業機器人教學實訓系統做實驗。采用此方法有兩點考量，一是顯著降低經費投入，1套本體設備約5萬元，再加外圍設備，基本上要10萬元左右，如果一個實驗室配20套，就要200萬元。而虛擬設備一套不到5萬元，其所配備配的系統、功能一樣不少，還可以選擇不同廠家的工業機器人，如ABB或者發那科，只要配置相應的示教器就可以了，非常靈活，還可以升級。二是顯著增加操控的安全性，因為設備都是虛擬的，機械臂活動都顯示在屏幕上，學生不會因為誤操作而受到傷害。利用虛擬工業機器人教學實訓系統，可以開展一系列實驗，譬如機器人軌跡示教、機器人搬運示教、機器人分揀示教等。（3）對于沒有硬件設備的專業，可采用虛擬仿真的方法。目前，本課程開設的計算機仿真實驗主要使用Matlab軟件，也可使用機器人仿真軟件，如RobotStudio（ABB工業機器人的仿真離線編程軟件）、Roboguide（FANUC工業機器人離線編程軟件）等。

四、課程思政題材與形式

課程思政是近年來教育系統研究的熱點之一，也是“教書育人”的應有之義。現在的“90后”“00后”學生一出生就享受改革開放的巨大成果，物質條件更加豐富，其伴隨著互聯網一同成長，眼界更為開闊，獲得知識的途徑更多，思想觀念更為多元與兼容。但其中部分學生較為自我，更注重個人感受。在互聯網時代，他們能夠接收到的信息特別多，各種思想和價值觀對他們都會有或多或少的影響，同時他們的判斷、鑒別能力還明顯不足。有些學生特別自信，而有些學生又特別容易感到焦慮。教師需要了解學生的思維方式、認知與行為特點，因材施教，引導學生樹立正確價值取向。我們在實踐中主要從以下三個方面來進行思政教育建設。

一是找準思政內容與專業知識的契合點。遵循“思政” “專業”相長原則，明確課程中每個思政元素的切入點，厘清思政元素與專業內容之間的關系，梳理各思政元素之間的關系。

二是以學生關注的現實問題為切入點。結合專業知識，引導學生思考和探究國計民生中的熱點問題，以課堂為平臺，鼓勵學生個人或團隊進行延伸性學習或研究。

三是發掘及運用機器人工程歷史和人物的教育作用，發揮學科史、人物史的豐富教育資源，尤其是科學家的事跡風采等，用其探索科學、追求真理的精神來引導和教育學生。

在此基礎上，課題組將本課程和立德樹人的宗旨結合在一起，進行了機器人技術基礎課程思政建設，達到了如圖2所示的增強學生民族文化自信、使學生感受大國工匠精神、激發學生科技報國擔當、提升學生責任意識的目的。

在課程思政方面，本課程還有一個優勢，那就是近年來，隨著技術的發展，我國企業在機器人的很多領域都取得了突飛猛進的發展，有的領域甚至立在了技術潮頭。教師要有意識地對學生加以引導，增強學生的民族自信。比如近年來一些西方國家在圍堵和打壓中國的高科技領域，在課程中講解某個元器件產品的時候容易涉及相關話題，這能幫助學生看清“技術競爭也是國家競爭”的現實，引導學生在校期間學習專業技能，將來為我國機器人技術的進步和發展貢獻自己的力量。

五、結語

機器人技術基礎課程在機器人工程和自動化等本科專業的課程體系中處于核心地位。本文以江蘇省首批一流本科課程機器人技術基礎為例，從課程內容、教學方法、實踐教學、課程思政等四個方面論述該課程建設的探索與實踐，以期對機器人工程等相關專業的課程建設和高校教學改革提供有益借鑒和參考。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 劉濤雄， 潘資興， 劉駿. 機器人技術發展對就業的影響：職業替代的視角[J]. 科學學研究， 2022， 40（3）：443-453.

[2] 蘇笑宇， 潘泉， 王宏偉，等. 主動變形材料機器人技術研究進展[J]. 機器人， 2021， 43（1）：112-128.

[3] 周萌， 曹政才， 吳啟迪. 新工科背景下基于“五位一體”的機器人技術教學改革研究[J]. 高等工程教育研究， 2020（4）：66-70.

[4] 郝建豹， 林子其， 譚華旭. 基于“平臺引領、雙景融合、四層進階、三維對接”的機器人技術實踐教學改革[J]. 實驗技術與管理， 2021， 38（3）：246-250.

[5] 曾繁明. 基于行業標準的工業機器人技術專業課程體系和內容建設[J]. 才智， 2021（1）：55-56.

［責任編輯：劉鳳華］