基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的機(jī)器人認(rèn)知實(shí)踐教學(xué)體系研究與探索

崔蘭花，鄭紅偉，王偉，畢海霞

（1.河北工業(yè)大學(xué) 圖書館，天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心，天津 300401；3.河北工業(yè)大學(xué) 大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心，天津 300401）

隨著機(jī)器人技術(shù)的日趨成熟，機(jī)器人開始被應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如工業(yè)制造、航空航天、日常生活等。大學(xué)生有必要在校期間根據(jù)自身需求學(xué)習(xí)與機(jī)器人相關(guān)的課程[1-2]。實(shí)踐教學(xué)是人才培養(yǎng)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)[3-4]，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和實(shí)踐應(yīng)用能力的重要一環(huán)[5]。機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺在傳授知識、塑造理想、提升技能、完善品格等方面發(fā)揮了重要作用[6]。為適應(yīng)和滿足未來社會需求，國內(nèi)諸多高校相繼建立機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺，匹配了相應(yīng)的機(jī)器人技術(shù)教學(xué)資源，開設(shè)了與之相關(guān)聯(lián)的課程。如中國礦業(yè)大學(xué)等高校以輪式移動機(jī)器人和類人機(jī)器人為載體構(gòu)，建機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，面向工科類學(xué)生開展創(chuàng)新實(shí)踐綜合性教育[7]；西安工業(yè)大學(xué)從機(jī)器人工程專業(yè)需求出發(fā)，創(chuàng)建基于跨學(xué)科知識融合的機(jī)器人理論、層次化分模塊實(shí)踐、項(xiàng)目導(dǎo)向的課外實(shí)踐等教學(xué)模式[8]；天津理工大學(xué)以優(yōu)化設(shè)計及運(yùn)動控制為研究對象，構(gòu)建了開放性同型異構(gòu)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，開展專業(yè)性較強(qiáng)的機(jī)器人實(shí)踐教育[9]。該類實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目具有專業(yè)性強(qiáng)、能力要求起點(diǎn)較高等特點(diǎn)，對于無專業(yè)基礎(chǔ)的文理科學(xué)生而言具有一定難度。鑒于此，河北工業(yè)大學(xué)搭建了一個以“認(rèn)知、實(shí)踐、創(chuàng)新”為目標(biāo)的層次化、竹節(jié)式機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系，滿足了文科生認(rèn)知了解機(jī)器人、理科生實(shí)踐搭建機(jī)器人和工科生創(chuàng)新設(shè)計機(jī)器人的需求。

1 機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系的研究

圍繞學(xué)校“雙一流”建設(shè)下的人才培養(yǎng)目標(biāo)，以滿足全年級所有專業(yè)學(xué)生實(shí)踐為目標(biāo)，依托學(xué)校的機(jī)器人實(shí)踐平臺，探索了一條不同專業(yè)、各年級適用的機(jī)器人技術(shù)認(rèn)知及實(shí)踐之路，形成了以工程認(rèn)知能力培養(yǎng)為常態(tài)、以實(shí)踐動手能力培養(yǎng)為重點(diǎn)、以創(chuàng)新意識和能力培養(yǎng)為核心、以工程素質(zhì)培養(yǎng)為目標(biāo)的層次化、竹節(jié)式機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系。具體的授課對象、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)等設(shè)置如圖1 所示。

圖1 機(jī)器人認(rèn)知實(shí)踐教學(xué)體系

1.1 確定機(jī)器人認(rèn)知實(shí)踐建設(shè)思路，構(gòu)建竹節(jié)式多層次實(shí)踐教學(xué)體系

依托機(jī)器人實(shí)踐平臺，以全員學(xué)習(xí)機(jī)器人知識為目標(biāo)，研究多層次的機(jī)器人教學(xué)體系構(gòu)建之路。根據(jù)面向授課對象不同、文理工科學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)不同、能力水平參差不齊等特征，將機(jī)器人教學(xué)劃分為了4 個層級，包括了以認(rèn)知過程為導(dǎo)向的基礎(chǔ)層、以實(shí)踐過程為導(dǎo)向的能力提高層、以創(chuàng)新意識和能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的綜合創(chuàng)新層和以工程素質(zhì)培養(yǎng)為導(dǎo)向的自主創(chuàng)新層教學(xué)。

（1）以認(rèn)知過程為導(dǎo)向的基礎(chǔ)層。2016 年，新工科的概念被提出[10]，在其教育教學(xué)發(fā)展新需求中也提到了工科、新工科與人文社科之間的相互滲透關(guān)系，其具體表現(xiàn)為人文社科的專業(yè)知識無形影響工科學(xué)生文化素養(yǎng)的形成，新工科也對人文社科專業(yè)的工程認(rèn)知能力提出了新的要求[11-12]。以工科為特色的高等院校是進(jìn)行工程認(rèn)知能力培養(yǎng)的良好基地，有著學(xué)科優(yōu)勢。以“工學(xué)并舉”為特色的河北工業(yè)大學(xué)，工科是優(yōu)勢學(xué)科，有著深厚的工程文化底蘊(yùn)和豐富的實(shí)踐資源，多類型機(jī)器人設(shè)備、經(jīng)驗(yàn)豐富的教師等資源為開展機(jī)器人技術(shù)知識認(rèn)知提供了便利。依托學(xué)校資源，筆者確定了以培養(yǎng)文理工科全年級工程認(rèn)知能力和傳承“工學(xué)并舉”文化為宗旨，以了解基本知識、熟悉機(jī)器人結(jié)構(gòu)為教學(xué)目標(biāo)，通過整合輪式移動機(jī)器人、水下機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備資源，設(shè)計了融科學(xué)性、趣味性和觀賞性為一體的教學(xué)內(nèi)容。

以有趣的視頻吸引學(xué)生的注意力，如機(jī)器人跳舞、演奏等，使學(xué)生感知機(jī)器人；以工程文化之旅體驗(yàn)機(jī)器人智能化工作過程，如深入基于機(jī)器人的汽車智能化車間，近距離觀看機(jī)器人實(shí)操過程，深刻體會機(jī)器人在現(xiàn)代制造技術(shù)領(lǐng)域的重要作用，了解工程文化；以身邊實(shí)物制作過程為題引導(dǎo)學(xué)生以科學(xué)的眼光看待機(jī)器人技術(shù)，如“自行車的主車體如何完成連接？”“汽車表面噴漆如何完成？”引導(dǎo)學(xué)生深入思考，引出機(jī)器人技術(shù)在日常生活中的重要性；以實(shí)操性強(qiáng)的機(jī)器人實(shí)物演示激發(fā)學(xué)生動手實(shí)踐內(nèi)在需求，如水下機(jī)器人、輪式移動機(jī)器人和搬運(yùn)機(jī)器人等自組裝過程及競賽演示。

（2）以實(shí)踐過程為導(dǎo)向的能力提高層。實(shí)踐是高等工程教育的基本特征之一[13]，是知識轉(zhuǎn)化為能力的主要方式。故該層主要圍繞技能和實(shí)踐能力培養(yǎng)[14]，以融合多知識點(diǎn)的項(xiàng)目為載體，通過動手實(shí)踐使學(xué)生有效應(yīng)用機(jī)器人理論知識，掌握課堂所學(xué)知識點(diǎn)。

能力提高層設(shè)計了多個平行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)對一個或多個知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)以及對一個或多個技能的鍛煉，同時，多個不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也可實(shí)現(xiàn)對同一個知識點(diǎn)或同一個技能的學(xué)習(xí)和鍛煉。學(xué)生通過實(shí)踐訓(xùn)練、模型構(gòu)建、程序調(diào)試，掌握知識點(diǎn)，培養(yǎng)實(shí)踐動手能力。如學(xué)生利用舵機(jī)控制原理設(shè)計了簡易輪式移動機(jī)器人項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)速控制；利用傳感器智能識別知識，驗(yàn)證了難了具有相同功能的紅外測距傳感器和紅外接近傳感器在避障機(jī)器人系統(tǒng)中不同的應(yīng)用效果對智能機(jī)器人利用攝像頭實(shí)現(xiàn)尋物功能進(jìn)行訓(xùn)練等。

（3）以創(chuàng)新意識和能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的綜合創(chuàng)新層。該層設(shè)計了基于模塊化機(jī)器人套件和基于仿生機(jī)器魚套件的兩個實(shí)踐套餐，每個套餐含有多個實(shí)踐項(xiàng)目，每個項(xiàng)目包含設(shè)計、裝配及調(diào)試或設(shè)計、加工、裝配及調(diào)試環(huán)節(jié)，所用設(shè)備需至少含有一種機(jī)器人套件、一種三維設(shè)計軟件、一種零部件加工設(shè)備。如運(yùn)球機(jī)器人項(xiàng)目，學(xué)生團(tuán)隊(duì)根據(jù)項(xiàng)目功能需求，在現(xiàn)有套件基礎(chǔ)上，采用三維軟件創(chuàng)新設(shè)計機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用3D 打印或激光切割機(jī)加工部分零部件，運(yùn)用鉗工設(shè)備進(jìn)行機(jī)器人裝配，接入編寫的控制程序開展動作調(diào)試，撰寫設(shè)計說明書。

（4）以工程素質(zhì)培養(yǎng)為導(dǎo)向的自主創(chuàng)新層。工程素質(zhì)的主要內(nèi)涵包括四個方面：①有比較扎實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)；②受過必要的工程實(shí)踐訓(xùn)練；③有分析和解決工程實(shí)際問題的能力；④能夠吃苦耐勞，適應(yīng)較艱苦的工作環(huán)境。筆者在該層以四項(xiàng)工程素質(zhì)培養(yǎng)為目標(biāo)，設(shè)置了較高科技水平的科研項(xiàng)目、校企合作項(xiàng)目、匠心訓(xùn)練項(xiàng)目和競賽項(xiàng)目等實(shí)踐內(nèi)容（見表1）。

表1 實(shí)踐項(xiàng)目與工程素質(zhì)培養(yǎng)匹配表

1.2 常規(guī)式和開放式并行的機(jī)器人實(shí)踐運(yùn)行模式

機(jī)器人實(shí)踐運(yùn)行模式根據(jù)教學(xué)層次的不同而采取了常規(guī)式和開放式混合式教學(xué)模式（如圖2 所示），實(shí)現(xiàn)了并行運(yùn)行。常規(guī)式是在固定時間、地點(diǎn)、資源的模式下進(jìn)行常態(tài)化教學(xué)，包含了工程訓(xùn)練系列必修課、公共選修課等；開放式是在時間、地點(diǎn)、資源開放模式下進(jìn)行的自主化教學(xué)，需要通過網(wǎng)上預(yù)約審核流程進(jìn)行實(shí)踐，每組4～6 名學(xué)生在教師的指導(dǎo)下于一個學(xué)期內(nèi)完成實(shí)踐項(xiàng)目。

圖2 機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系運(yùn)行模式

1.3 實(shí)訓(xùn)成績評定

教師根據(jù)學(xué)習(xí)層次的不同對學(xué)習(xí)成績做了不同的評分標(biāo)準(zhǔn)，成績評定表見表2 所示。

表2 成績評定表

2 機(jī)器人實(shí)踐效果

自2017 年開始，學(xué)校開設(shè)了面向全校專業(yè)學(xué)生的工程認(rèn)知課程，機(jī)器人技術(shù)認(rèn)知課是其中之一。近兩年的課程滿意度調(diào)查結(jié)果顯示，機(jī)器人技術(shù)認(rèn)知課在12 門認(rèn)知課中名列前三，受到了廣大學(xué)生的好評。

2018 年伊始，四個小組12 位學(xué)生參加大學(xué)生機(jī)器人競賽，經(jīng)過近半年的獨(dú)立學(xué)習(xí)，從機(jī)器人文獻(xiàn)調(diào)研、方案設(shè)計、原理設(shè)計、零件加工到實(shí)物功能實(shí)現(xiàn)，在天津市機(jī)器人賽事上獲得了一等獎和二等獎各兩項(xiàng)；在河北省機(jī)器人競賽中獲得了一等獎兩項(xiàng)和二等獎一項(xiàng)；在國賽中獲得了特等獎和三等獎各一項(xiàng)。學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練與競賽的部分作品如圖3 所示。

圖3 學(xué)生作品

3 結(jié)語

“認(rèn)知、實(shí)踐、創(chuàng)新”的層次化、竹節(jié)式機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)，一方面完善和優(yōu)化了機(jī)器人實(shí)訓(xùn)體系，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人技術(shù)知識學(xué)習(xí)的全覆蓋；另一方面也更加契合了理、工、文科不同專業(yè)學(xué)生對機(jī)器人實(shí)踐的需求。通過該系統(tǒng)下的機(jī)器人知識學(xué)習(xí)，有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)效率的提高。