黃文愷　陳　虹

摘要：創(chuàng)新性實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建立，關(guān)鍵是逐步改革傳統(tǒng)的以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主的實(shí)踐教學(xué)模式， 向綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變。文中從構(gòu)建新型機(jī)器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺(tái)，提高實(shí)驗(yàn)室整體創(chuàng)新水平出發(fā)，探討了機(jī)器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的意義、目的和總體規(guī)劃，并對(duì)平臺(tái)應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)踐和研究探索。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；創(chuàng)新；實(shí)踐；教學(xué)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642．44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、引言

創(chuàng)新性教學(xué)平臺(tái)是將知識(shí)、素質(zhì)、能力和創(chuàng)新融為一體的綜合性教學(xué)平臺(tái)，是大學(xué)生工程教育中的最高層次的教學(xué)平臺(tái)。從全國高校工程培訓(xùn)中心創(chuàng)新實(shí)踐發(fā)展可知，創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)獲得了一定的重視，創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)已經(jīng)在不同層次、不同類型的學(xué)校以不同覆蓋面進(jìn)行。

從部分重點(diǎn)院校的創(chuàng)新性實(shí)踐平臺(tái)可以看出，目前創(chuàng)新平臺(tái)多以機(jī)器人為主，這是因?yàn)闄C(jī)器人是一部精密機(jī)械組合體，是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，它融合了造型、機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)軟件硬件和人工智能等眾多先進(jìn)技術(shù)，是目前世界各國高校和研究所進(jìn)行教學(xué)研究和工程訓(xùn)練理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。[1]機(jī)器人涉及到機(jī)、電、控制、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多方面知識(shí)，可使學(xué)生得到跨學(xué)科綜合能力的培養(yǎng)，使學(xué)生在實(shí)施項(xiàng)目的過程中建構(gòu)廣域的工科知識(shí)基地，對(duì)材料、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)硬件、軟件科學(xué)、可編程控制和機(jī)電一體化流程有全面認(rèn)識(shí)。

我校作為地方性綜合院校，與重點(diǎn)高校相比，在各種科技創(chuàng)新活動(dòng)中，機(jī)器人類創(chuàng)新項(xiàng)目的參與程度比較低，有關(guān)機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)還只是處于起步階段，因此探索如何利用機(jī)器人模型提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力是目前迫切需要解決的問題。

二、組建機(jī)器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺(tái)的意義和目的

機(jī)器人研究是進(jìn)行創(chuàng)新思維訓(xùn)練、創(chuàng)新技能訓(xùn)練、工程實(shí)踐訓(xùn)練最理想的平臺(tái)。組建機(jī)器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺(tái)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新動(dòng)手實(shí)踐能力，對(duì)專業(yè)知識(shí)的鞏固和融會(huì)貫通、提升院校辦學(xué)質(zhì)量、提高學(xué)生就業(yè)率等方面具有重要意義。

（一）培養(yǎng)創(chuàng)新動(dòng)手實(shí)踐能力，對(duì)專業(yè)的鞏固和融會(huì)貫通。

目前許多各種工科專業(yè)都開設(shè)了電子電路、檢測(cè)技術(shù)與傳感器、嵌入式微控制器、控制原理與控制工程、單片機(jī)和微控制器、數(shù)字電子和模擬電子、數(shù)字邏輯、檢測(cè)技術(shù)與傳感器等課程，但是課堂的的學(xué)習(xí)和一些簡單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)課程不足以滿足學(xué)生的求知欲望。無法根本轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)觀念。要從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變到主動(dòng)學(xué)習(xí)，其中一個(gè)途徑就是讓學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性的訓(xùn)練，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。機(jī)器人作為一個(gè)新興的領(lǐng)域，具備多種新技術(shù)，而且具備趣味性，通過創(chuàng)新性的教學(xué)平臺(tái)能充分引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新動(dòng)手的實(shí)踐能力。

組建機(jī)器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺(tái)能為高等院校的學(xué)生和教師提供一個(gè)綜合的專業(yè)機(jī)器人教育和研究平臺(tái)，能通過采用系統(tǒng)的方法對(duì)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、方法和手段進(jìn)行創(chuàng)新，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行單片機(jī)和微控制器、數(shù)字電子和模擬電子、數(shù)字邏輯、檢測(cè)技術(shù)與傳感器等課程進(jìn)行融會(huì)和貫通

（二）提升學(xué)校的辦學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)院校知名度。

通過機(jī)器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺(tái)，能夠培養(yǎng)校園學(xué)術(shù)研究氛圍，使學(xué)校的科研水平，學(xué)生的素質(zhì)進(jìn)一步得到提高。與此同時(shí)，由于近年來國內(nèi)和國際上各種機(jī)器人比賽層出不窮，通過創(chuàng)建機(jī)器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺(tái)培養(yǎng)學(xué)生，積極參與國內(nèi)外機(jī)器人賽事，不斷取得優(yōu)異成績，這對(duì)提升院校知名度，具有重要意義。

（三）提升學(xué)生就業(yè)競爭力。

隨著產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，就業(yè)競爭在不斷加劇，企業(yè)更需要?jiǎng)邮謴?qiáng)，具備專業(yè)知識(shí)過硬的中高端人才。目前適合企業(yè)的專業(yè)人才缺口相當(dāng)大，造成這種原因的本質(zhì)是學(xué)校教育過多地注重了知識(shí)的傳授， 而忽略了創(chuàng)新技能、動(dòng)手能力和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。學(xué)生通過參與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的學(xué)習(xí)和工作，能增強(qiáng)就業(yè)競爭力，畢業(yè)后能夠廣泛適用于機(jī)電一體化、電氣工程、自動(dòng)化工程等方向的就業(yè)需求，更好的適應(yīng)社會(huì)對(duì)人才的需求，做到學(xué)有所用，學(xué)所必用。

三、機(jī)器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺(tái)的總體規(guī)劃建設(shè)

（一）硬件平臺(tái)的建設(shè)

建設(shè)機(jī)器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺(tái)需結(jié)合本校的實(shí)際情況。由于高端機(jī)器人經(jīng)費(fèi)投入較大，受益人群較小，因此采取對(duì)中低端機(jī)器人的投入為主，高端為輔的發(fā)展策略。

低端機(jī)器人采用自制設(shè)備的方式，采用AVR單片機(jī)為控制平臺(tái)，小型直流伺服電機(jī)為動(dòng)力源，加裝多種傳感器，自行設(shè)計(jì)電路板，制作小型機(jī)器人。通過調(diào)動(dòng)師資力量，開發(fā)出基本的控制程序庫，程序開源，并設(shè)計(jì)多種軟件接口，方便學(xué)生調(diào)用學(xué)習(xí)。該種機(jī)器人造價(jià)低廉，成本為千元以下，能夠配置2個(gè)班的數(shù)量，滿足人數(shù)較多的教學(xué)要求。

中端為進(jìn)階版本，采用ARM或DSP處理器作為控制核心，采用高精度數(shù)字舵機(jī)，構(gòu)建小型雙足人形機(jī)器人或多足機(jī)器人。既可以選購零組件自由搭配的產(chǎn)品，如BIOLOID的專家版機(jī)器人，也可以使用學(xué)校的車床和銑床自行加工通用型的構(gòu)件，學(xué)生能用這些構(gòu)件搭配出不同造型，風(fēng)格各異的機(jī)器人。

高端機(jī)器人技術(shù)含量較高，造價(jià)昂貴。一般針對(duì)具體比賽，如中型組足球機(jī)器人，機(jī)器魚競賽平臺(tái)等。大部分兄弟院校都是采用購買的形式，主要研究軟件開發(fā)、算法的改進(jìn)，如圖象處理等。這些機(jī)器人較適合高年級(jí)及其研究生以上使用，受眾小，不適合大規(guī)模推廣，但少量的購置對(duì)提高院校的科研能力有所幫助。

（二）課程設(shè)置與實(shí)施方法。

以機(jī)器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺(tái)為載體，針對(duì)不同專業(yè)，不同學(xué)習(xí)階段和層次的學(xué)生特點(diǎn)及專業(yè)教學(xué)的需求，組織師資力量，編寫出具有專業(yè)特色，從入門到進(jìn)階的教材，并提供創(chuàng)新性的教學(xué)、工程訓(xùn)練和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

機(jī)器人的硬件兩大構(gòu)成要素是機(jī)械部件和電氣電子部件。機(jī)器人硬件的基本結(jié)構(gòu)由機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)成，操作和運(yùn)動(dòng)由電氣電子部件控制。機(jī)械部件主要包括減速機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和同步帶傳動(dòng)等。電氣電子部件包括伺服電機(jī)、電源模塊、計(jì)算機(jī)、微處理機(jī)、嵌入式系統(tǒng)、傳感器和控制電路等。采用機(jī)器人模型作為創(chuàng)新性實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，是因?yàn)闄C(jī)器人堪稱機(jī)械設(shè)計(jì) 、電子工程、工業(yè)自動(dòng)化及自動(dòng)控制等專業(yè)課程實(shí)踐的最佳載體，可以在實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)機(jī)械加工、機(jī)械傳動(dòng)、氣動(dòng)技術(shù)、電子電路和軟件編程等相關(guān)知識(shí)有更深刻的理解。[2]而軟件則主要涉及計(jì)算機(jī)和應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)，含括了圖象處理、語音識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式匹配、專家系統(tǒng)、智能路徑算法等方面。

因此在課程設(shè)置與實(shí)施上，一是可以結(jié)合學(xué)科的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，發(fā)揮學(xué)科特色。

例如：機(jī)電學(xué)生能夠結(jié)合數(shù)控加工課程，設(shè)計(jì)與加工機(jī)器人零件，進(jìn)行安裝、調(diào)試及運(yùn)動(dòng)控制；自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生可以結(jié)合嵌入式課程的學(xué)習(xí)，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行PID閉環(huán)控制等課程設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生結(jié)合圖象處理課程，開設(shè)機(jī)器人視覺識(shí)別等進(jìn)階課程。

二是開展綜合性的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生利用學(xué)科交叉的知識(shí)，打破孤立的知識(shí)體系，不同專業(yè)學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，進(jìn)

行多學(xué)科綜合性的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

四、機(jī)器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用

經(jīng)過一段時(shí)間的機(jī)器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺(tái)的實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行創(chuàng)新思維訓(xùn)練時(shí)，大多數(shù)學(xué)生對(duì)于機(jī)械創(chuàng)新和機(jī)器人創(chuàng)新興趣濃厚，但對(duì)于其中涉及到的機(jī)電一體化的、智能化的、對(duì)控制技術(shù)要求較高的知識(shí)，就會(huì)覺得不知道從何下手，甚至失去信心。

通過機(jī)器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺(tái)，進(jìn)行一段時(shí)間綜合學(xué)習(xí)與創(chuàng)新訓(xùn)練以后，學(xué)生對(duì)材料的種類和用途、機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)械傳動(dòng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器和電子器件、單片機(jī) 、機(jī)器人控制 、機(jī)器人編程等有了比較直觀認(rèn)知，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了自己創(chuàng)意，組合出可控制的機(jī)器人后，增強(qiáng)了自信心 ，激發(fā)濃厚的興趣。

在機(jī)器人創(chuàng)新性教學(xué)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，除了綜合創(chuàng)新學(xué)習(xí)訓(xùn)練，我們組織了多個(gè)課題組，如多功能搜救機(jī)器人，迎賓機(jī)器人等，讓學(xué)有余力的學(xué)生參與進(jìn)來。實(shí)現(xiàn)更高層次的項(xiàng)目創(chuàng)新活動(dòng)。通過自主研制各種機(jī)械產(chǎn)品和機(jī)器人，學(xué)生得以進(jìn)一步提高自己的創(chuàng)新能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。

我們?cè)诰C合訓(xùn)練和項(xiàng)目創(chuàng)新訓(xùn)練的過程中，通過組織去兄弟院校去參觀學(xué)習(xí)，舉辦機(jī)器人講座，介紹機(jī)器人最新成果等活動(dòng)，提高學(xué)生的參與意識(shí)和興趣。由此不僅可以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力 ，而且使他們積累比賽經(jīng)驗(yàn)，以便在省級(jí)和全國級(jí)的各種比賽中能發(fā)揮出更好的水平。由于本校的機(jī)器人教學(xué)仍在起步階段，因此該平臺(tái)還要在實(shí)踐中不斷改進(jìn)完善，更好的為本校師生服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介

第一作者黃文愷，男，1981年生，2007年畢業(yè)于廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，獲碩士學(xué)位，助理實(shí)驗(yàn)師；主要從事信號(hào)與信息處理的研究。