新工科機器人工程專業機器人學課程教學模式的分析與探索

摘要：在新工科背景下，機器人工程專業的機器人學課程教學在促進創新應用型人才培養方面占有重要地位。系統分析面向機器人工程專業的機器人學課程教學模式，綜合典型教學模式的特點和優勢，結合我校機器人工程專業人才培養要求以及人工智能特色學科發展，提出適用于煤炭高校機器人工程專業機器人學課程的“課堂+課下”項目驅動式教學。教學實施方案重點體現課本知識與項目研究內容的高度融合，制定合理的學生成績考核綜合評定體系。該教學模式有望充分發揮課堂教學與項目驅動式教學的優勢，提高教學質量和教學效果，為后期教學實踐奠定基礎。

關健詞：新工科；機器人工程專業；機器人學；項目驅動式

1"問題提出

機器人工程專業是國家教育部首批新工科建設專業，主要目標是培養在機器人領域具備扎實基礎理論和專業知識、較強綜合職業能力、可解決實際工程問題的科研人員與高質量專業人才。機器人學是新工科機器人工程專業的專業必修課程，對我國人工智能的學科建設和教育發展、機器人技術的推廣和應用起著重要的促進作用。作為一門高度學科交叉的課程，傳統的教學模式已經無法滿足機器人領域高級專門人才培養的新需求，課程的學習存在諸多問題。

1.1"教材內容的理論性強，對學生專業知識、數學知識的基礎要求較高

機器人學除涉及智能機械設計相關的理論力學、材料力學和工程力學專業知識外，面對機械臂、移動本體機構需進行大量的數學建模。數學建模的過程需要學生掌握矩陣及線性代數等數學知識。若學生前置課程學習效果不佳，易造成學生對知識點的理解難度加大，甚至喪失學習動力。

1.2"教學內容章節聯系性弱，對學生的自主學習能力和教師的教學水平要求較高

機器人學的教學內容涉及多個學科最新前沿的研究，具有時效性和綜合性，各個章節講述的內容往往缺少聯系，導致學生在學習相關知識時，在理解和記憶方面存在一定困難。另外，要求教師掌握較廣的知識面、具備較高的教學水平，在數學知識、機械結構、傳感器控制等具有系統的理論體系。

1.3"教學模式單一滯后，理論與實踐教學環節聯系較弱

高校實驗設備數量和企業資源引入較少，很難開展大規模的實踐教學，導致課程教學側重理論性，模式單一。另外，實驗教學往往滯后理論教學，銜接性弱，導致學生的學習有較強割裂感。

根據以上機器人學課程教學存在的問題，分析機器人學課程的現有教學模式，探索具有行業特色、教學內容優化、理論結合實際、實踐環節豐富的教學模式。

2"機器人學課程教學模式的分析

目前，機器人學課程的教學與實踐主要有以下幾種：

2.1"案例式

案例教學是一種開放互動的教學模式，通過模擬或重現實際工程案例的一些場景，讓學生在研討過程中提高思考問題、分析問題和解決問題的能力。案例式教學在一定程度上對機器人學課程的教學內容進行了優化，增加了學生的學習興趣。但案例的選擇需不斷更新和優化，保證具有一定的前沿性和創新性，且高度適配知識點。另外，實際工程案例的系統復雜程度一般較高，無法兼顧所有學生的接受能力。與此同時，實驗室一般缺乏與實際工程案例適配的教學設備，在學生實踐能力的培養上相對薄弱。

2.2"任務驅動式

任務驅動的教學模式以真實任務和探索問題為契機，引導學生自主學習。但機器人學課程的任務驅動式教學，需要學生有扎實的專業基礎，若專業基礎不均或小組分配不合理，會造成學生個人任務或小組任務無法完成，進而影響部分學生的學習動力，甚至存在“渾水摸魚”和“敷衍”的情況，考核評價方式難以制定。

2.3"項目驅動式

項目驅動式教學著重培養學生的實踐能力，以項目為重要載體的行為引導式教學，在項目實踐過程中逐步學習專業知識和積累經驗，培養學生自主學習、實踐動手能力和團隊協作精神。但是，機器人學課程的項目驅動式教學仍存在一些問題。比如，在教材基礎上需重新進行知識點劃分，綜合考慮學生的接受能力。另外，對教師的教學能力和科研能力要求較高，還需保證有項目依托，且項目的研究內容需與教學內容高度融合，具有層次性、簡易性和全面性，具備豐富的教學資源，保證項目的可實踐性。

2.4"創新型

隨著新工科機器人工程專業人才培養目標的不斷創新和優化，教師團隊的不斷完善，企業資源的不斷融入，機器人學課程的教學也出現了一些具有特色的創新模式。比如，競賽驅動的教學模式，以產學研用為目標，引導學生參加學科競賽，引入貼合實際工程應用的實驗室軟硬件設施，激發學生的創新意識；產教融合的教學模式，高校與企業深度融合，提高機器人工程專業學生的社會適應能力和專業應用能力。但創新型教學模式在具體實踐過程中仍尚不成熟，無法保證學生的學習效率和教師的教學質量；考驗學生的自制力，脫離學校和教師的管理。

綜合以上機器人學課程教學模式的特點和優勢，基于本校煤炭高校屬性和機器人工程專業培養方案，提出機器人學課程的“課堂+課下”項目驅動式教學模式，制定教學實施方案及成績考核綜合評定體系。

3"“課堂+課下”項目驅動式教學實施方案的制定

3.1"教材內容和教學目標

教學團隊制定的機器人工程專業培養方案中，機器人學課程使用的教材為熊蓉主編的《自主移動機器人》，教材章節、教學內容和教學目標如圖1所示。

教學內容分為5個知識鏈。知識鏈1重點學習概念和共性數學基礎知識。知識鏈2重點學習常用的運動學建模方法。知識鏈3重點學習移動機器人實現自主移動的導航規劃方法。知識鏈4簡單學習移動機器人的定位建圖技術。知識鏈5為實驗和解決項目研究內容。教學目標：

（1）課程基礎目標：學生掌握機器人、移動機器人的相關概念。熟知移動機器人的應用、類別及關鍵性能。了解國內市場需求和關鍵技術難點以及國內外前沿的研究動態。深刻理解實現自主移動需要解決的關鍵問題及模塊架構。

（2）專業技能目標：學生具有扎實的專業知識與工程技能。能夠運用共性數學基礎知識、運動學建模方法、導航規劃方法及定位建圖技術完成移動機器人的設計。具備使用專業軟件開展移動機器設計與研究的能力。

（3）實踐技能目標：學生具備理論結合實踐從事移動機器人領域相關工作的能力。掌握一些通用機器人的操作。熟悉相關標準和規范。

（4）綜合素質提升：學生具備持續性、周期性學習的能力。具有創新能力和一定的國際視野，適應社會發展要求。具有良好的工程職業道德、個人修養和社會責任感。具有良好的溝通能力和協作精神，能夠從事移動機器人領域的科學研究工作，成為專業型、研究型人才。

3.2"項目研究內容

針對煤礦防爆環境下材料的安全高效切割問題，結合前混合磨料水射流的特種冷切割技術優勢，開展自主移動煤礦智能切割機器人的設計與研究。研究內容：

3.2.1"機械系統整體設計

學生根據煤礦機器人的設計標準和規范以及相關設計指標和性能要求，基于前混合磨料水射流切割系統和常見移動機器人系統組成，分析自主移動煤礦智能切割機器人的組成并形成不同的設計方案。

3.2.2"移動本體結構設計

學生基于獲取的課堂知識，如移動結構類型、共性數學基礎知識及運動學建模方法，完成自主移動煤礦智能切割機器人的移動本體結構設計以及運動學建模。

3.2.3"機械臂設計

學生根據前混合磨料水射流切割系統的特點，設計噴嘴夾持機械臂并分析自由度及運動過程，完成機械臂的運動特性分析、運動規劃及軌跡規劃。

3.2.4"導航規劃

學生根據煤礦井下工作環境，利用導航規劃方法進行自主移動煤礦智能切割機器人的路徑規劃、避障規劃和軌跡規劃，實現其安全快速的從起始點到目標點。

3.2.5"定位建圖

學生利用傳感器數據對煤礦環境進行建模，基于相鄰兩次傳感器數據進行自主移動機器人的里程估計，融合多幀傳感器數據構建全局一致地圖并實現自主定位。

3.2.6"控制、分析與優化

學生利用Python語言編程在實驗室內對移動本體結構和機械臂進行控制。構建自主移動煤礦智能切割機器人的三維模型、對關鍵部件進行靜力學分析和優化、對移動本體結構和機械臂運動部件進行運動特性分析。得到運動學模型、運動加速度曲線和速度曲線，驗證建模結果。

3.3"教學實施方案

教學實施方案流程如圖2所示，難點在于項目研究內容與課本重點知識的高度融合。采用課堂課下組合方式進行，包括40學時理論課和8學時實驗課。學生利用課堂學習的知識及時解決相關項目研究內容。

3.4"教學資源

實驗室擁有相關實驗設備可供學生認知和操作，使學生熟知機器人及移動機器人的系統框架，如圖3所示。

4"學生成績考核的綜合評定體系

根據教學實施過程，學生成績考核的綜合評定體系采用5：3：2方式（50%考試成績，30%平時成績，20%實驗成績）。每個模塊均有具體的考核環節，如表1所示。

結語

提出了適用于本校機器人工程專業機器人學課程的“課堂+課下”項目驅動式教學模式。基于課本重點知識的課堂教學、以項目研究內容為導向，提高學生分析問題及解決問題的能力，對于激發學生的學習興趣、提高實踐創新能力具有重要意義，有望提升學生的綜合素質和提高教學質量。制定了教學實施方案及學生成績考核評定體系，為后期的教學實踐奠定基礎。

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項目基金：長三角高水平行業特色大學聯盟專項課題重點項目（CSJZD202304）；安徽理工大學教育教學改革研究重點項目（AUST2023026）

作者簡介：張西洋（1995—""），漢族，安徽淮北人，博士研究生，講師，研究方向：機器人學教育與機器人工程、智能機械設計。