【摘要】為了更新教學(xué)理念、優(yōu)化教學(xué)策略，對(duì)國(guó)內(nèi)外一些著名高校的機(jī)器人教學(xué)情況進(jìn)行了調(diào)研。結(jié)合“能力培養(yǎng)”的主導(dǎo)思想，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面對(duì)機(jī)器人教學(xué)進(jìn)行了改革和探索。實(shí)踐表明，改革后的機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法能有效提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的實(shí)踐能力。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器人教學(xué);能力培養(yǎng);教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)方法

【中圖分類號(hào)】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【論文編號(hào)】1009—8097(2010)03—0144—03

引言

20世紀(jì)是人類科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的輝煌100年，綜合諸多前沿學(xué)科和技術(shù)的機(jī)器人的誕生和機(jī)器人學(xué)(Robotics)的建立是上世紀(jì)科學(xué)技術(shù)所取得的重大成就的代表之一。從1962年美國(guó)萬(wàn)能自動(dòng)化(Unimation)公司的第一臺(tái)機(jī)器人的投入使用到現(xiàn)在，短短40多年的時(shí)間，機(jī)器人已從無(wú)到有，現(xiàn)在已擁有“百萬(wàn)大軍”，在世界各個(gè)領(lǐng)域和人民生活的諸多方面忠誠(chéng)地為人類服務(wù)，做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。隨著機(jī)器人技術(shù)的蓬勃發(fā)展，目前全國(guó)的許多高校甚至中小學(xué)都開(kāi)設(shè)了機(jī)器人教學(xué)的相關(guān)課程，而且學(xué)生的人數(shù)在逐年增多。以北京航空航天大學(xué)(簡(jiǎn)稱北航)為例，現(xiàn)在每年選修機(jī)器人課程的學(xué)生都在上百人左右。機(jī)器人是一門多學(xué)科高度交叉的前沿學(xué)科，包括機(jī)械學(xué)、生物學(xué)、人類學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程、控制論與控制工程學(xué)、電子工程學(xué)、人工智能、社會(huì)學(xué)等，無(wú)論在基礎(chǔ)理論方面還是在實(shí)踐應(yīng)用方面其發(fā)展速度都十分驚人。為了進(jìn)一步更新教學(xué)理念，優(yōu)化教學(xué)策略，保持與國(guó)內(nèi)外機(jī)器人教學(xué)同步提高，筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外十幾所著名高校的機(jī)器人教學(xué)情況，就教學(xué)大綱、成績(jī)考核等方面進(jìn)行了調(diào)查研究與分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)筆者從事的機(jī)器人教學(xué)課程進(jìn)行了改革和探索，提出了一些建議和改革措施，并在近三年北航的《機(jī)器人學(xué)》教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行了實(shí)踐，取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。

一 國(guó)內(nèi)外機(jī)器人教學(xué)的調(diào)研

美國(guó)是機(jī)器人技術(shù)的發(fā)源地，開(kāi)展機(jī)器人教學(xué)的高校比較多，而且教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量在國(guó)際上都是首屈一指的。調(diào)研的美國(guó)高校包括MIT[1]、Stanford[2]、CMU[3]、UC-Berkeley[4]、CIT[5]五所高校，國(guó)內(nèi)高校包括清華大學(xué)[6]、上海交通大學(xué)[7]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[8，9]、吉林大學(xué)[10]、天津大學(xué)[11]、北航六所高校。調(diào)研的方式主要是收集各高校網(wǎng)站相關(guān)教學(xué)信息，包括教學(xué)大綱、成績(jī)考核等，通過(guò)分析比較，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

就所調(diào)研的國(guó)內(nèi)外高校而言，國(guó)內(nèi)外高校機(jī)器人教學(xué)特點(diǎn)可概括如下(參見(jiàn)表1和表2):

1 美國(guó)高校的機(jī)器人啟蒙課程或機(jī)器人導(dǎo)論等開(kāi)設(shè)在本科，使本科學(xué)生對(duì)機(jī)器人有個(gè)普遍的了解，以“講解+實(shí)驗(yàn)+討論”的形式，利于形象化理解;研究生階段開(kāi)設(shè)《高級(jí)機(jī)器人學(xué)》等更深層次的課程，進(jìn)行分方向研究。開(kāi)設(shè)的專業(yè)較廣，涉及機(jī)械工程、電子工程、航空航天、計(jì)算機(jī)科學(xué)等專業(yè)，而國(guó)內(nèi)高校本科開(kāi)設(shè)機(jī)器人課程的相對(duì)較少。

2 國(guó)內(nèi)的機(jī)器人課程主要開(kāi)設(shè)在碩士第一學(xué)期，部分學(xué)校在本科階段開(kāi)設(shè)《機(jī)器人概論》課程，現(xiàn)有將《機(jī)器人學(xué)》從碩士提到本科的傾向。開(kāi)設(shè)方式多樣，如必修、專業(yè)選修、全校選修等。國(guó)內(nèi)高校選擇教材較集中，選用蔡自興《機(jī)器人學(xué)》、熊有倫《機(jī)器人學(xué)》的居多，部分高校的課外參考書(shū)為國(guó)外原版教材。

3 美國(guó)高校的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)與課堂講解的學(xué)時(shí)比例基本上在1:1.5左右，而國(guó)內(nèi)高校的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)相對(duì)較少(實(shí)驗(yàn)與講解的比例最高為1: 3.2)，半數(shù)以上高校的實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)為零。例如，MIT的課堂教學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)與北航的差不多，但實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí)數(shù)已經(jīng)達(dá)到了22學(xué)時(shí)，而北航的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)為零。

4 就考核方式而言，美國(guó)高校的機(jī)器人課程都有期中考核，國(guó)內(nèi)高校基本上沒(méi)有期中考核。此外，美國(guó)高校的機(jī)器人課程作業(yè)考核占的比重比較大，比如CMU的作業(yè)考核占到了總成績(jī)的60%。

二 北航機(jī)器人教學(xué)現(xiàn)狀

以北航機(jī)器人所為全校研究生開(kāi)設(shè)的《機(jī)器人學(xué)》這門課程為例，我們的機(jī)器人教學(xué)還有較多不合理之處:

1 教學(xué)內(nèi)容陳舊。課程的教學(xué)大綱是九十年代制定的，十幾年了沒(méi)有什么變化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。而教師在授課時(shí)基本按照教學(xué)大綱來(lái)執(zhí)行，對(duì)教學(xué)內(nèi)容的更新不多。課程設(shè)置的大多還是一些傳統(tǒng)基礎(chǔ)內(nèi)容，而從學(xué)生的反饋來(lái)看他們對(duì)該學(xué)科的前沿進(jìn)展和最新成果更加感興趣，因此需要從興趣方面引導(dǎo)學(xué)生積極地自主學(xué)習(xí)，在該學(xué)科上不但具有扎實(shí)的基礎(chǔ)同時(shí)具有寬廣的知識(shí)面。

2 教學(xué)環(huán)節(jié)上也存在諸多不合理之處，過(guò)多偏重于教師的講授，學(xué)生獨(dú)立思考、實(shí)踐的課程根本沒(méi)有。而實(shí)踐環(huán)節(jié)是檢驗(yàn)學(xué)生創(chuàng)新思維能力的最佳方法， 是鍛煉學(xué)生對(duì)信息的采集、分析、處理和應(yīng)用等必不可少的重要環(huán)節(jié)。

為了全面提高機(jī)器人教學(xué)的質(zhì)量和學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，使學(xué)生能真正學(xué)到系統(tǒng)深入的機(jī)器人知識(shí)并具有較強(qiáng)的實(shí)際運(yùn)用能力，為他們?cè)诤罄m(xù)的工程實(shí)踐和研究過(guò)程中創(chuàng)造出創(chuàng)新性的研究成果奠定基礎(chǔ)，有必要針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行《機(jī)器人學(xué)》課程教學(xué)的改革，制定合理的課程內(nèi)容和教學(xué)方案。

三 改革措施與實(shí)踐效果

針對(duì)《機(jī)器人學(xué)》這門課程存在的問(wèn)題，基于“能力培養(yǎng)”的主導(dǎo)思想，對(duì)該課程進(jìn)行了改革和探索。

1 教學(xué)內(nèi)容方面的改革

教學(xué)內(nèi)容方面的改革主要包括兩方面:

(1)在教學(xué)內(nèi)容上增加了入門介紹的內(nèi)容。針對(duì)我校的大部分研究生在本科階段未上過(guò)機(jī)器人相關(guān)課程的情況，借鑒國(guó)外本科機(jī)器人教學(xué)的內(nèi)容和方式，把緒論部分的學(xué)時(shí)從原來(lái)的1學(xué)時(shí)增加到了2學(xué)時(shí)，并采用視頻、圖片、動(dòng)畫、參觀等直觀形象的方式為學(xué)生較系統(tǒng)地介紹機(jī)器人的發(fā)展歷史、分類、用途、研究方向等，讓學(xué)生在2學(xué)時(shí)的時(shí)間內(nèi)對(duì)機(jī)器人這個(gè)學(xué)科有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)，避免了過(guò)去緒論時(shí)間短，學(xué)生還未弄明白學(xué)習(xí)對(duì)象的情況下就開(kāi)始專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)。此外，在緒論里面每年都增加新的機(jī)器人的研究進(jìn)展，學(xué)生們既了解了歷史又開(kāi)闊了眼界。在過(guò)去三年的實(shí)踐中，上述教學(xué)改革得到了學(xué)生的好評(píng)。

(2)在教學(xué)內(nèi)容上注重了“深度”與“廣度”的結(jié)合。在以前的機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容中偏重于知識(shí)的深度而忽略了知識(shí)的廣度，例如偏重于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，機(jī)器人控制和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃都不講，這存在一個(gè)弊端，即如果有的學(xué)生在后期的研究中要進(jìn)行機(jī)器人控制方面的工作，相關(guān)的知識(shí)是沒(méi)有學(xué)過(guò)的，還要重新自學(xué)。因此在教學(xué)內(nèi)容上我們降低了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的講解深度，增加了機(jī)器人控制和機(jī)器人規(guī)劃方面的內(nèi)容，力求通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)讓學(xué)生們既比較深入地掌握了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)對(duì)于其他相關(guān)的理論也有一個(gè)基本基礎(chǔ)和認(rèn)識(shí)。

2 教學(xué)方法方面的改革

(1)在教學(xué)方式上增加了課堂討論的環(huán)節(jié)。以前的機(jī)器人教學(xué)，主要采用老師講、學(xué)生聽(tīng)的方式，學(xué)生與老師之間沒(méi)有交互的機(jī)會(huì)，課堂氣氛比較沉悶，學(xué)生比較容易游離于教學(xué)環(huán)節(jié)之外。為了調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，讓他們參與到機(jī)器人的學(xué)習(xí)過(guò)程中，我們?cè)诿空碌慕虒W(xué)內(nèi)容中都設(shè)置了討論的問(wèn)題，讓學(xué)生自己來(lái)表述解題的方法、對(duì)問(wèn)題的看法，并讓他們之間進(jìn)行互相的辯論，老師是作為一個(gè)仲裁者的身份進(jìn)行討論的組織和總結(jié)。在該方式最初試行的時(shí)候，由于中國(guó)學(xué)生天生的內(nèi)向性格，參入的學(xué)生比較少，但在后續(xù)的討論中，越來(lái)越多的學(xué)生敢于發(fā)表自己的觀點(diǎn)，并積極地參與辯論。在辯論中學(xué)生們都感覺(jué)收獲很大，對(duì)于一些深?yuàn)W或難理解的問(wèn)題理解地比較清楚明了了。

(2)在教學(xué)方式上增加了現(xiàn)場(chǎng)講解環(huán)節(jié)。為了讓學(xué)生們能夠更好地理解和掌握機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)，我們把部分課堂環(huán)節(jié)改在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，以真實(shí)的機(jī)器人為例，講解機(jī)器人的關(guān)節(jié)、坐標(biāo)系、D-H建模、正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)，如圖1所示。這種教學(xué)方式避免了以往學(xué)生學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)只是面對(duì)機(jī)器人簡(jiǎn)圖、缺乏真實(shí)案例的弊端，讓學(xué)生們的學(xué)習(xí)做到了理論與實(shí)際的結(jié)合。

(3)在教學(xué)方式上增加了專題作業(yè)論文的環(huán)節(jié)。專題作業(yè)論文是為了能夠擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，同時(shí)把課堂學(xué)習(xí)的機(jī)器人知識(shí)與自己未來(lái)的研究方向結(jié)合起來(lái)，選題的內(nèi)容由學(xué)生跟自己的導(dǎo)師商量，格式按照標(biāo)準(zhǔn)的期刊論文的格式來(lái)寫，必須把一個(gè)與學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的專題內(nèi)容論述清楚。比如，往屆學(xué)生有寫輪式移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的、機(jī)器人視覺(jué)的、機(jī)器人優(yōu)化控制的，如圖2所示。這種專題作業(yè)論文既讓學(xué)生練習(xí)了專業(yè)論文的寫作格式，同時(shí)又結(jié)合某個(gè)專題擴(kuò)展了學(xué)生們的知識(shí)面。

(4)在教學(xué)方式上增加了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。受我校機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的條件限制，我們一直未能正式地開(kāi)展機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)課程，但是機(jī)器人實(shí)驗(yàn)對(duì)于鍛煉學(xué)生的實(shí)際操作能力是很重要的。在08年秋季，通過(guò)整合部分機(jī)器人資源，為學(xué)生開(kāi)設(shè)了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是編程控制機(jī)器人按自設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，采用的機(jī)器人是ABB的1440。由于學(xué)生多機(jī)器人少，我們采用了四個(gè)學(xué)生一個(gè)組的方式，大家按組輪流來(lái)做實(shí)驗(yàn)。盡管學(xué)生們?cè)趯?shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了各種各樣的錯(cuò)誤，但學(xué)生們的興致很高，一直操作到每組許可的時(shí)間結(jié)束。學(xué)生們反映這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)于他們鍛煉的價(jià)值很大，因?yàn)榘牙碚摵蛯?shí)際之間的這層窗戶紙給打通了，讓學(xué)生們對(duì)于這門機(jī)器人的課程有了一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和理解。

四 結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人課程在各高校中變得越來(lái)越普遍，如何結(jié)合機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展搞好機(jī)器人的教學(xué)工作是許多機(jī)器人教育者關(guān)心的問(wèn)題。筆者通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外部分高校的機(jī)器人教學(xué)進(jìn)行調(diào)研，并結(jié)合我校機(jī)器人教學(xué)的實(shí)際情況，對(duì)《機(jī)器人學(xué)》這門研究生課程進(jìn)行了改革與探索，在過(guò)去三年的改革與實(shí)踐過(guò)程中，取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。

本論文得到了北京航空航天大學(xué)研究生教育與發(fā)展研究專項(xiàng)基金的資助，在此表示感謝。

參考文獻(xiàn)

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Research and Practice in Teaching of a Robotics Lesson

ZHAN Qiang YAN Cai-xia CAI Yao

(Robotics Institute， Beihang University， Beijing 100191， China)

Abstract: In order to update teaching ideas and optimize teaching methods， the robotics teaching conditions of several famous universities are investigated. In accordance with the principal idea of “capability cultivating”， the robotics teaching in Beihang University is innovated from teaching contents and teaching methods. The practice results show that the reformed teaching contents and teaching methods can efficiently improve the teaching quality and the practice ability of students.

Keywords: Robotics Teaching; Capability Cultivating; Teaching Contents; Teaching Methods編輯:陳墨