王 劍,馬宏緒,黃茜薇,劉建平

(國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410073）

關(guān)于本科教育機(jī)器人教學(xué)的思考

王 劍,馬宏緒,黃茜薇,劉建平

(國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410073）

智能機(jī)器人在高等院校工科信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)教育中具有重要作用。本文首先簡(jiǎn)要介紹了我校在機(jī)器人教學(xué)和競(jìng)賽組織方面的基本情況,特別針對(duì)目前面向自動(dòng)化、仿真和機(jī)械專(zhuān)業(yè)本科生所開(kāi)設(shè)的“軍用機(jī)器人技術(shù)”課程,詳細(xì)介紹了它的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)以及考核方式。最后,我們結(jié)合教學(xué)實(shí)踐,從教學(xué)內(nèi)容、方法和實(shí)驗(yàn)以及與競(jìng)賽的結(jié)合等方面提出了“軍用機(jī)器人技術(shù)”的課程建設(shè)與改進(jìn)的意見(jiàn)。

機(jī)器人教學(xué);課程建設(shè);機(jī)器人實(shí)驗(yàn);機(jī)器人競(jìng)賽

0 引言

智能機(jī)器人是當(dāng)今技術(shù)前沿之一,集成了生物、機(jī)械、電子、材料、能源、計(jì)算機(jī)硬件、軟件、人工智能、多媒體技術(shù)、通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等眾多領(lǐng)域的尖端科技。因此,以機(jī)器人作為研究對(duì)象建設(shè)教學(xué)平臺(tái)具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值,有利于從系統(tǒng)角度開(kāi)拓學(xué)生視野,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和團(tuán)隊(duì)意識(shí)[1-3]。

國(guó)內(nèi)外許多高等院校都已開(kāi)展了機(jī)器人教學(xué)工作。麻省理工學(xué)院開(kāi)設(shè)了“認(rèn)知機(jī)器人學(xué)”、“機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論”、“自控機(jī)器人設(shè)計(jì)競(jìng)賽”和“機(jī)器人編程競(jìng)賽”等課程,分別在航空航天學(xué)、機(jī)械工程學(xué)和電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)專(zhuān)業(yè)中開(kāi)設(shè);俄勒岡州立大學(xué)電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系分別在“電子設(shè)計(jì)概念導(dǎo)論”、“計(jì)算機(jī)原理與匯編語(yǔ)言”和“機(jī)械設(shè)計(jì)”等多門(mén)課程中,使用TekBots機(jī)器人作為學(xué)習(xí)平臺(tái);北京郵電大學(xué)為本科生開(kāi)設(shè)了“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”,相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課為“機(jī)器人系統(tǒng)綜合性試驗(yàn)”[4];浙江大學(xué)自動(dòng)控制系為本科生開(kāi)設(shè)了“機(jī)器人學(xué)”,在校內(nèi)組織了多種形式的機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng),包括FIRA小型組足球機(jī)器人競(jìng)賽、開(kāi)放性公共目標(biāo)機(jī)器人競(jìng)賽?？傊?國(guó)內(nèi)外高校廣泛開(kāi)展了以機(jī)器人為對(duì)象的教學(xué)平臺(tái)建設(shè),開(kāi)設(shè)機(jī)器人技術(shù)課程、開(kāi)展本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)器人實(shí)踐活動(dòng)以及多層次機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)。

我校很早開(kāi)設(shè)了面向研究生的“機(jī)器人控制”課程,2000年以后,為機(jī)械、自動(dòng)化和仿真專(zhuān)業(yè)的本科生開(kāi)設(shè)了“軍用機(jī)器人技術(shù)”課程,并針對(duì)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的碩士和博士研究生增設(shè)了機(jī)器人設(shè)計(jì)高級(jí)專(zhuān)題研討。此外,我校還組織參加國(guó)內(nèi)外各種機(jī)器人競(jìng)賽,包括本科生層次的CCTV機(jī)器人大賽、智能車(chē)大賽以及面向研究生的FIRA小型組、仿真組足球機(jī)器人比賽和RoboCup中型組足球機(jī)器人和救援機(jī)器人比賽等。

1 本科機(jī)器人課程情況

我校本科生“軍用機(jī)器人技術(shù)”課程安排在第6學(xué)期。通過(guò)課程內(nèi)容的合理拓展,充分挖掘?qū)W生的潛力,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力,實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展。

1.1 課程開(kāi)設(shè)目標(biāo)

“軍用機(jī)器人技術(shù)”課程開(kāi)設(shè)的目標(biāo)主要有以下三個(gè)方面:①使學(xué)生了解機(jī)器人技術(shù)的基本發(fā)展歷程及其綜合性特點(diǎn);②突出軍事特色,使學(xué)生了解軍用機(jī)器人目前的發(fā)展現(xiàn)狀與基本技術(shù)水平;③使學(xué)生掌握軍用機(jī)器人原理和關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 教學(xué)內(nèi)容與基本教學(xué)方法

“軍用機(jī)器人技術(shù)”課程的內(nèi)容包含五大部分:①機(jī)器人的基本概念、分類(lèi)方法與發(fā)展歷程;②軍用機(jī)器人的分類(lèi)及戰(zhàn)場(chǎng)作用與使用特點(diǎn);③以典型軍用機(jī)器人系統(tǒng)為例,介紹機(jī)器人系統(tǒng)原理與建模方法;④軍用機(jī)器人感知技術(shù);⑤機(jī)器人控制技術(shù)。

第①和第②部分主要用于幫助學(xué)生建立機(jī)器人的基本概念。課程的重點(diǎn)內(nèi)容在第③至第⑤部分,是學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用的基礎(chǔ)[5]。

教學(xué)方法上,一方面要能反映當(dāng)前軍用機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì),結(jié)合動(dòng)畫(huà)和錄像的演示,增強(qiáng)教學(xué)的時(shí)效性;另一方面突出基本概念,特別是機(jī)器人系統(tǒng)的概念,幫助學(xué)生真正理解機(jī)器人技術(shù)。

1.3 實(shí)驗(yàn)與考核

“軍用機(jī)器人技術(shù)”課程目前只有演示性實(shí)驗(yàn),尚無(wú)學(xué)生動(dòng)手參與的專(zhuān)項(xiàng)實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。后續(xù)教學(xué)計(jì)劃中,已經(jīng)對(duì)部分教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整,增加相應(yīng)的專(zhuān)項(xiàng)實(shí)驗(yàn),而設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)則主要通過(guò)相應(yīng)的機(jī)器人競(jìng)賽逐步開(kāi)展,如央視機(jī)器人大賽和智能車(chē)大賽等。

“軍用機(jī)器人技術(shù)”課程在考核方式上,主要考察學(xué)生自主學(xué)習(xí)和積極思考的能力。因此,筆者在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中,采用了學(xué)生組隊(duì)自主選題進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和機(jī)器人相關(guān)技術(shù)探討并撰寫(xiě)論文的方式。我們按照自愿報(bào)名的原則,用2學(xué)時(shí)左右的時(shí)間,讓部分學(xué)生上講臺(tái)宣讀其研究成果或者探討問(wèn)題,然后大家一起提問(wèn)討論。對(duì)學(xué)生經(jīng)過(guò)調(diào)研、分析和設(shè)計(jì)所形成的論文進(jìn)行綜合評(píng)審。實(shí)踐表明,這一教學(xué)形式能夠較好地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,培養(yǎng)其主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力。

2 課程建設(shè)與改進(jìn)的思考

2.1 教學(xué)內(nèi)容的更新

從工科本科生的培養(yǎng)目標(biāo)來(lái)看,機(jī)器人課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)圍繞機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行增補(bǔ)和刪減,明確哪些內(nèi)容是本科階段需要掌握的,哪些內(nèi)容可以留待研究生階段進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)。

例如,在機(jī)器人建模方法中,不必深究動(dòng)力學(xué)建模和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算方法等,而宜將重點(diǎn)放在前向運(yùn)動(dòng)學(xué)原理與計(jì)算中。當(dāng)學(xué)生應(yīng)用這些知識(shí)進(jìn)行典型機(jī)器人的規(guī)劃與控制實(shí)驗(yàn)時(shí),自然會(huì)聯(lián)想到逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題;當(dāng)進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)時(shí),學(xué)生會(huì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象認(rèn)識(shí)到動(dòng)力學(xué)特性對(duì)于控制的影響。

另外,在傳感器原理講述中,應(yīng)側(cè)重于目前機(jī)器人系統(tǒng)中應(yīng)用較多的一些傳感器,如測(cè)速碼盤(pán)、測(cè)角位置用的電位計(jì)和局部定位的激光測(cè)距儀等,而應(yīng)用較少的傳感器,如測(cè)速發(fā)電機(jī)等內(nèi)容可以刪減。同時(shí),每一學(xué)期都應(yīng)對(duì)各種類(lèi)型的傳感器案例進(jìn)行整理,補(bǔ)新刪舊,這有利于學(xué)生獲取最新的知識(shí)和信息,這對(duì)于后續(xù)的傳感器選型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等都是至關(guān)重要的。

2.2 機(jī)器人技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

(1)增加機(jī)器人的專(zhuān)項(xiàng)實(shí)驗(yàn)

專(zhuān)項(xiàng)實(shí)驗(yàn)主要包括虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際系統(tǒng)的專(zhuān)項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。如針對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題的典型機(jī)器人系統(tǒng)的規(guī)劃控制實(shí)驗(yàn)和針對(duì)傳感器基本原理的機(jī)器人單關(guān)節(jié)控制實(shí)驗(yàn)或雙輪差速小車(chē)速度伺服實(shí)驗(yàn)。

(2)開(kāi)設(shè)開(kāi)放性的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)

我們結(jié)合了某幾類(lèi)競(jìng)賽的系統(tǒng)設(shè)計(jì),作為主要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。隨著實(shí)驗(yàn)的逐步開(kāi)展,也可以設(shè)定某幾類(lèi)共同的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)室里,我們面向?qū)W生開(kāi)設(shè)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生首先提交相關(guān)的設(shè)計(jì)論證報(bào)告,指導(dǎo)教師給出相應(yīng)的意見(jiàn)。在設(shè)計(jì)論證報(bào)告通過(guò)后,實(shí)驗(yàn)室將提供一定的技術(shù)支持,在元器件和加工制作上給與經(jīng)費(fèi)支持,最終指導(dǎo)學(xué)生完成相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作,實(shí)現(xiàn)其預(yù)期功能。

2.3 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師的培訓(xùn)

由于機(jī)器人系統(tǒng)本身的特殊性和綜合性,實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和管理的難度比較大,對(duì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的能力有較高的要求。因此,需要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的相關(guān)知識(shí)與技能培訓(xùn),使他們具有自己獨(dú)特的專(zhuān)長(zhǎng),如機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與故障診斷排除、電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的專(zhuān)長(zhǎng)。

2.4 加強(qiáng)課程教學(xué)與競(jìng)賽的結(jié)合

從本科機(jī)器人教學(xué)的目標(biāo)來(lái)看,使學(xué)生掌握機(jī)器人技術(shù)基本原理,并應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)以完成某些功能最為重要。而機(jī)器人競(jìng)賽可以展現(xiàn)學(xué)生這些能力,要求學(xué)生在明確目標(biāo)和規(guī)則下完成指定的系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)任務(wù)與功能實(shí)現(xiàn)。

例如,筆者在講授傳感器原理部分時(shí),結(jié)合智能車(chē)速度控制精度與光電碼盤(pán)的選型這一競(jìng)賽中的具體問(wèn)題展開(kāi),發(fā)現(xiàn)學(xué)生很快就能理解碼盤(pán)工作的基本原理,證明這是一個(gè)可供參考的、直觀的案例,既有利于教學(xué)任務(wù)的實(shí)施,又有利于今后競(jìng)賽的開(kāi)展。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從機(jī)器人教學(xué)的重要性出發(fā),簡(jiǎn)單介紹了我校機(jī)器人教學(xué)開(kāi)展的基本情況,具體分析了我校本科機(jī)器人技術(shù)課程的現(xiàn)狀和特點(diǎn),結(jié)合筆者自身的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),提出了本科機(jī)器人課程建設(shè)與改進(jìn)的幾點(diǎn)意見(jiàn)。其中部分意見(jiàn)已在教學(xué)活動(dòng)中得到體現(xiàn),取得了良好的效果。筆者期望在今后的機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中,能夠利用各種有利條件和資源,積極創(chuàng)新,為我校機(jī)器人教學(xué)獲取更大的成績(jī)。

[1] 萬(wàn)佑紅,蔣國(guó)平.機(jī)器人教育與大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),27(4):6-9

[2] 陸承景.對(duì)機(jī)器人學(xué)科教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容的實(shí)踐與思考[J].北京:中國(guó)電化教育,27(12):72-73

[3] 吳獻(xiàn)鋼.智能機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐與改革[J].成都:實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),6(5):102-103,121

[4] 魏世民.北京郵電大學(xué)機(jī)器人教學(xué)與競(jìng)賽實(shí)踐[J].北京:機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,21(5):31-33

[5] 白井良明(日)編著,王棣棠譯.機(jī)器人工程[M].北京:科學(xué)出版社.2006

Study on Robotics Teaching for Undergraduates Education

WANG Jian,MA Hong-xu,HUANG Qian-wei,LIU Jian-ping

(Co llegeo f Mechtronic and Automa tion,NationalUn iversity o f De fense Techno logy,Changsha 410073,China)

Intelligent robot p lays an im portant role in modern engineering education in institute of high learning.This paper introduces robot teaching and robot competition organization in our university firstly.Then themain objective,content,teachingmethod,experiments and forms of examination of Technology of Military Robots course,w hich is set up for undergraduatesmajoring in automation,simulation and mechanical engineering,are exp lained in detail.Finally,com bined w ith personal teaching activities,several suggestions are proposed,which are related to content,teaching techniques,experimentsand combination with robot competitions.

robot teaching;construction of course;robot experiments;robot competition

TP242

A

1008-0686(2011)02-0019-03

2010-07-21;

2010-11-28

王 劍(1978-),男,博士,講師,主要從事機(jī)器人技術(shù)、非線性系統(tǒng)控制等教學(xué)科研工作,E-mail:jianw ang12@nudt.edu.cn

馬宏緒(1966-),男,博士,教授,主要從事智能機(jī)器人系統(tǒng)、空中機(jī)器人、仿人機(jī)器人等相關(guān)方向的教學(xué)科研工作,

E-mail:mhx1966@163.com