培養應用與創新能力的機器人學課程教學設計

李尚榮 劉丹萍 李偉 吳其林

摘?要：針對研究生機器人學課程存在的應用和創新能力培養不足的問題，提出精簡理論內容、提升實驗效果、加強過程自主學習和基于效果導向和過程管控的多環節綜合考評等教學舉措。通過機器人實驗與仿真教學培養研究生工業機器人應用能力，運用探究性實驗、典型機器人研究綜述的翻譯和課程論文寫作培養研究生的機器人創新能力。該課程教學設計有望為相近課程教學設計提供一定的借鑒。

關鍵詞：機器人學；創新；應用能力

Teaching?Design?of?Robotics?Course?to?Cultivate?Application

and?Innovation?Ability

Li?Shangrong*?Liu?Danping?Li?Wei?Wu?Qilin

School?of?Advanced?Manufacturing?Engineering，Hefei?University?AnhuiHefei?230601

Abstract：In?view?of?the?problem?of?insufficient?application?and?innovation?ability?training?in?graduate?robotics?courses，teaching?measures?such?as?streamlining?theoretical?content，improving?experimental?effects，strengthening?process?independent?learning，and?multilink?comprehensive?evaluation?based?on?effect?orientation?and?process?control?are?proposed.Cultivate?graduate?students'?industrial?robot?application?ability?through?robot?experiment?and?simulation?teaching；Use?exploratory?experiments，translation?of?typical?robotics?research?reviews，and?course?paper?writing?to?cultivate?graduate?students'?robotics?innovation?capabilities.The?teaching?design?of?this?course?is?expected?to?provide?some?reference?for?the?teaching?design?of?similar?courses.

Keywords：Robotics；Innovation；Application?ability

智能制造是中國由制造大國向制造強國邁進的必由之路，機器人是智能制造的重要裝備，也是驗證人工智能的絕佳載體。機器人學涉及機械、電子、控制和計算機等多個學科，具有理論多、難度高、多學科交叉等特點。現有的教學模式和實驗條件導致機器人學課程教學尚存在若干不足［12］：（1）學生對課程前后認可度差異大。初始大多興趣盎然，隨后知識難度增大和灌輸式教學過多，學生難以為繼。（2）學生的機器人應用能力沒有得到有效培養。缺少機器人實驗設備，實驗學時少于8學時，許多學生沒得到足夠的實驗技能訓練。（3）機器人理論與實際應用存在一定的脫節。工業機器人的非開放性導致理論知識和應用技能間缺少深度聯系。對工程專碩研究生還存在：（4）學生基礎差異大。本科專業不同，機器人基礎知識差異較大。（5）學習動力不足。學生認為機器人課程與自身課題可能關系不大，難以積極主動學習。

為改善課程教學效果，謝斌等［3］、Tijani［4］等運用MATLAB?Robotics?Toolbox在齊次坐標變換、機器人運動學求解和軌跡規劃等內容中開展仿真教學與創新。雷靜桃［5］基于多種機器人裝置，通過修訂教材、補充實驗教學內容、增加機器人應用工程實例等，采用項目教學法，結合大學生創新創業等活動，實施教學改革。戰強［67］從教學內容、教學方法、考評方式三方面分析了目前課程教學存在的問題，并提出了具有建設性的課程改革方案。另外，還分析了中美多所著名高校的機器人學課程教學實施情況，如：美國對本科生多采用“講解+實驗+討論”授課形式，研究生階段開設“高級機器人學”等更深層次的課程，實驗與課堂講解的學時比例在1∶1.5左右，而國內高校實驗與講解的比例最高為1∶3.2，許多高校沒有實驗課時。機器人學是機器人工程專業開設的一門重要課程，許多工程碩士生期望獲得機器人應用能力和創新能力。基于多年教學經驗，筆者提出理論結合實驗、仿真、課程論文等教學舉措，開展課程教學探索。

1?課程教學設計

機器人學課程知識一般包含：緒論、機器人結構、運動學、靜力學、動力學、感知、控制、軌跡規劃和機器人應用等，講授對象多為串聯型多關節工業機器人。筆者采用的教學活動有：理論課堂或線上教學、實驗、仿真、課程論文和綜述文獻翻譯等。理論、實驗和仿真等教學主要培養學生的機器人應用能力，課程論文、研究綜述文獻翻譯、仿真大作業和探索性實驗對學生的機器人創新能力培養有重要作用。

1.1?理論教學設計

總體思路是在經典機器人學教材重點內容基礎上，適當降低理論深度，突出理論的理解和意義。主要從教材、教法、學時和考核等角度簡析為：（1）課程教材。主要參考蔡自興《機器人學》、熊有倫《機器人學：建模、控制與視覺》、John?J.Craig《機器人學導論》。（2）教法。采用微視頻、動畫、圖片等形式，結合應用實例、仿真或實驗的結果，輔助理論教學。針對課程理論難點，設置課程研究論文，如：機器人奇異點分析與處理、逆運動學多解的選擇等。（3）學時調整。從理論學時中分出若干學時，用于仿真、實驗、課程論文撰寫等教學環節。如：增加2學時介紹Robotics?Toolbox和VREP仿真工具使用，布置仿真作業。使用2學時展示典型機器人研究綜述英文翻譯和課程論文等成果，結合論文寫作和文獻閱讀要領進行點評。（4）考核方式。理論知識主要通過筆試、實驗或仿真中涉及的理論知識提問等予以考核。

1.2?實驗教學設計

利用工業機器人實驗室設備，開展課程教學實驗和自主探索性實驗。如表1所示，教學實驗10學時，設置五個實驗項目，每組3人左右，在實驗參數、實驗要求和實驗內容等方面進行差異化設置。自主探究性實驗，如：“基于視覺的物體識別與檢測”“氣動柔性手爪抓取異形物體”“協作機器人軸孔裝配力位混合控制”等，因難度較大，全部同學分成三組，利用開放實驗室同組課余合作完成。

1.3?仿真教學設計

快速發展的仿真技術和數字孿生技術為科學研究提供一種新的驗證方法，為機器人課程教學提供一種新手段，也為缺少機器人設備難以開展實驗教學提供一種替代解決方案。機器人仿真的軟件主要有通用軟件和專用軟件。通用軟件，如：MATLAB/Simulink或Robotics?Toolbox、VREP、Gazebo和OpenRAVE。專用軟件，主要是工業機器人制造公司提供的仿真軟件：如：ABB的Robot?Studio，KUKA的KUKA?Sim?Pro等。另外針對機器人相關應用，還可采用基于網頁的遠程仿真，如：國家虛擬仿真項目共享平臺［9］（http：//www.ilabx.com/）。筆者課程教學中，選擇Robotics?Toolbox（①）、VREP（②）和ABB的Robot?Studio（③）作為課后自主仿真練習的軟件。針對工業機器人的“運動學”“動力學”“機器人控制”“軌跡規劃”等課程內容，設置仿真練習過程考核大作業，撰寫仿真研究報告，展示仿真結果。可將學生按照3個仿真軟件進行分組，每組有若干小組，每個小組不超過3人，根據三款仿真軟件設置仿真內容和仿真大作業。

1.4?課程論文教學設計

機器人學教材主要以六關節串聯型機器人為分析的對象，其他非工業機器人正蓬勃發展，為拓展視野，了解機器人最新發展成果。設置機器人研究綜述翻譯和課程論文寫作。通過查閱常見幾類典型機器人的發展與研究綜述文獻、文獻翻譯和翻譯總結，訓練學生文獻檢索、閱讀、整理和評述的方法和能力，了解綜述的寫作方法，如表2。另外，要求學生撰寫有具體應用場景的機器人或根據課程難點撰寫課程論文，圍繞機器人的結構、建模、控制、材料、應用等內容，選擇其中一個或多個內容，通過查閱文獻和小組成員合作，完成課程論文寫作。實施時，首先，由教師在課堂教學中對文獻閱讀和論文寫作給予指導性講解，提出具體要求；其次，學生利用課余時間，分組協作完成機器人研究綜述文獻翻譯和課程論文；最后，教師選擇優秀翻譯和課程論文作品，在課堂或線上教學中予以展示和點評，以此訓練研究生的科技論文寫作技能，提升研究生的研究與創新能力。選擇的典型機器人及研究綜述文獻檢索主題詞如表2所示。

1.5?基于效果導向的綜合考評

考核是保證課程教學質量的重要環節，無論是理論或實驗的課堂教學，還是仿真練習、探究式實驗和課程論文等課后自主研學，教師都需要制定具體的學習任務及考核評價標準，并進行必要的過程管控。教學中如果能夠做到過程與結果相結合的考核，就能夠充分調動每個學生學習積極性，相對客觀地準確評價每個學生學習效果。課程從卷面筆試、課堂討論與成果展示、實驗操作與報告、仿真技術報告與答辯、課程論文翻譯或課程論文陳述與評析等五個項目建立綜合考評體系，每一項目設置了相應的比例，如：筆試占40%，課堂討論與成果展示占10%，實驗操作與報告占20%，仿真技術報告與答辯占10%、課程論文或翻譯占10%。各項指標的比例大小可根據具體教學情況適當調整。

2?結論

針對專碩研究生的機器人學課程教學存在的應用能力和創新能力不足問題，本文提出：（1）課堂教學中精簡理論教學和強化實驗教學。（2）課后自主學習分組合作完成典型機器人研究綜述的文獻檢索與翻譯、具體應用場景或典型問題的機器人專題論文寫作、機器人仿真研究等項目。（3）借助線上或課堂教學，對探究性實驗、仿真和課程論文等自主學習成果予以展示、點評和基于學習效果的答辯或口試等教學措施，促進研究生對機器人學課程學習的主動性，進而提升研究生的機器人應用和創新能力的培養。

參考文獻：

［1］張泉，張健滔，陳江萍，等.基于實踐與創新驅動的《機器人學》教學改革探索［J］.大學（學術版），2017，000（004）：3845.

［2］張彥斌，宋磊，邱明，等.面向工程教育專業認證的機器人學課程教學改革與實踐［J］.中國現代教育裝備，2017（9）：3235.

［3］謝斌，蔡自興.基于MATLAB?Robotics?Toolbox的機器人學仿真實驗教學［J］.計算機教育，2010（19）：140143.

［4］Tijani，Ismaila?B.Teaching?fundamental?concepts?in?robotics?technology?using?MATLAB?toolboxes［C］//?Global?Engineering?Education?Conference.IEEE，2016：403408.

［5］雷靜桃，劉亮，張海洪.“機器人學”課程教學改革與實踐［J］.實驗室創新與探索，2013，32（5）：179182.

［6］戰強，王東月.《機器人學》課程教學改革探討［J］.北京航空航天大學學報：社會科學版，2010（2）：117120.

［7］戰強，閆彩霞，蔡堯.機器人教學改革的探索與實踐［J］.現代教育技術，2010，20（3）：144147.

［8］國家虛擬仿真項目共享平臺［EB/OL］.http：//www.ilabx.com/，20220428.

［9］楊辰光，李智軍，許揚.機器人仿真與編程技術［M］.北京：清華大學出版社，2018.

基金項目：［2021年合肥學院研究生質量工程重點項目］“提升應用與創新能力的機器人學課程教學改革探索”（2021Yjyxm06）；［2021年安徽省質量工程項目］“電氣控制及PLC應用技術線上線下混合式課程”（2021xsxxkc267）

*通訊作者：李尚榮（1972—?），男，漢族，安徽肥東人，博士，副教授，研究方向：機器人技術、機電系統控制。