郭東亮， 保延翔, 劉樹郁， 常莉莉

(中山大學 公共實驗教學中心， 廣州 510006)

綜合性大學自動化專業(yè)機器人實踐教學體系探索

郭東亮， 保延翔, 劉樹郁， 常莉莉

(中山大學 公共實驗教學中心， 廣州 510006)

針對綜合性大學自動化專業(yè)存在的問題，中山大學探索構建基于機器人系統(tǒng)設計與實現(xiàn)的實踐教學體系，通過在專業(yè)課程中引入機器人技術，并布置課程設計實現(xiàn)對應的功能模塊，將綜合性大學自動化專業(yè)的主要專業(yè)課程相互貫通，整合成一體化的機器人創(chuàng)新實踐教學體系，學生最終有能力實現(xiàn)完整的機器人系統(tǒng)。通過該體系的實施，一方面使大學生能宏觀把握各門專業(yè)課程之間的聯(lián)系，調動學習興趣，另一方面可以培養(yǎng)大學生的動手能力和創(chuàng)新意識，提高創(chuàng)新水平。該創(chuàng)新性實踐教學體系取得了良好的教學效果。

綜合性大學； 自動化專業(yè)； 實踐教學體系； 機器人

0 引 言

教育部等有關部門已明確增加實踐教學在高校教學中的比重，教育部財政部《關于實施高等學校本科教學質量與教學改革工程的意見》中強調：要大力加強實踐教學改革，推進高校實踐教學模式的改革與創(chuàng)新，促進學生自主創(chuàng)新興趣和能力的培養(yǎng)。綜合性大學自動化專業(yè)作為典型的工科專業(yè)，專業(yè)課程多、難度大。中山大學公共實驗教學中心電子電工平臺依托中山大學在學科建設、師資力量、科學研究和人才培養(yǎng)等方面的綜合優(yōu)勢，本文在前期教學改革的基礎上[1-5]，通過借鑒國內高校在實踐教學改革方面的成功經(jīng)驗[6-16]，以培養(yǎng)自動化創(chuàng)新型拔尖人才為目標，構建了以機器人系統(tǒng)設計與實現(xiàn)為核心的實踐教學體系，將自動化專業(yè)的主要專業(yè)課程相互貫通，在不同的課程中體現(xiàn)機器人技術，并分別實現(xiàn)對應的功能模塊，最終實現(xiàn)一個完整的機器人系統(tǒng)。

1 自動化專業(yè)課程體系及存在的問題

1.1 自動化專業(yè)課程設置

自動化技術已經(jīng)深入到工農業(yè)生產(chǎn)和國防科技等各個方面，要求學生基礎扎實、知識面寬、綜合素質高、實踐能力強，適應21世紀社會和經(jīng)濟發(fā)展的需要，能系統(tǒng)掌握控制科學與工程學科扎實的基礎理論、基本技能和方法，具有對電子電氣電路、控制系統(tǒng)、智能系統(tǒng)進行分析、設計和研究開發(fā)的能力；掌握信號自動檢測、模式識別、人工智能、數(shù)據(jù)處理的基礎知識與技能；掌握計算機與網(wǎng)絡控制技術；有嚴謹?shù)目茖W作風和創(chuàng)新能力；具有獨立進行科學研究、應用研究、分析和解決實際問題的能力。

我校自動化專業(yè)的主要專業(yè)課程按內容分類，主要有如下幾個課程群：

(1) 電子電路課程群：電路基礎理論及實驗、模擬電子技術及實驗、數(shù)字電路與邏輯設計及實驗、電子技術綜合設計、傳感器技術；

(2) 程序設計課程群：程序設計I(C語言)、程序設計II(C++)；

(3) 計算機課程群：微機原理與接口、單片機原理及接口技術、計算機通信與網(wǎng)絡、人工智能；

(4) 電力電子課程群：電力電子技術、電機與電機控制；

(5) 信號處理課程群：信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理；

(6) 圖形圖像課程群：數(shù)字圖像處理、計算機視覺；

(7) 自動控制課程群：控制原理I(自動控制原理)、控制原理II(計算機控制技術)、電氣與可編程控制器、過程控制工程、自動化綜合設計、機器人創(chuàng)新實踐訓練、機器人技術。

1.2 存在的問題

在自動化專業(yè)教學實踐中，發(fā)現(xiàn)以下兩方面突出問題：

(1) 課程多，難度大，學生對課程設置存在困惑。

由于專業(yè)的特點和技術的飛速發(fā)展，該專業(yè)課程多、難度大，在大學二、三年級每學期開設10門左右課程，容易導致教學效果下降。學生對專業(yè)課程設置、課程之間的關聯(lián)存在困惑，學習效果容易受主觀因素影響。

(2) 課程體系缺少明確的主線，創(chuàng)新實踐水平難以提高。

該專業(yè)的課程體系缺少明確的主線，各門課程相對獨立，技術積累、總結和提升不夠，創(chuàng)新實踐水平難以提高。

2 機器人實踐教學及教育機器人的局限

2.1 機器人是自動化專業(yè)實踐教學的理想平臺

機器人技術綜合了廣泛學科的先進技術，它涉及計算機、電子、材料、人工智能等眾多學科領域，其綜合性強、技術新、應用領域廣。2013年2月，微軟公司創(chuàng)始人比爾·蓋茨預言機器人、自動化技術及新交互技術將成為改變世界的新科技革命。2013年5月，全球最著名的管理咨詢公司麥肯錫公司評出有望改變生活、商業(yè)和全球經(jīng)濟的12大顛覆技術，機器人技術位列第5位；2014年9月，美國高通公司于美國舊金山舉行的2014移動開發(fā)者大會上，機器人成為亮點。

機器人教育在大學也越來越受到重視，并已經(jīng)引入到實踐教學中。機器人教育具有創(chuàng)新實踐性和高度的綜合性，能引導學生積極探索未知領域，提高學生的邏輯思維能力、分析和解決問題的能力、創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力?？傊瑱C器人是自動化科技的融合和集成，是自動化專業(yè)實踐教學的理想平臺。

2.2 機器人創(chuàng)新實踐提升自動化專業(yè)課程教學

圖1是典型機器人系統(tǒng)原理框圖，整個系統(tǒng)可分為傳感器、主控制器、執(zhí)行機構3個模塊。

圖1 典型機器人系統(tǒng)原理框圖

機器人系統(tǒng)各模塊與自動化專業(yè)課程的對接關系及機器人實踐教學中機器人所起的主干作用如表1所示。由表可見，自動化專業(yè)現(xiàn)有課程體系中課程之間相對獨立，向大學生傳授的知識存在 “碎片化”傾向，一些課程應用面廣，但又缺少具體、明確的應用需求。

在以機器人系統(tǒng)實現(xiàn)為主干的新的實踐教學體系中，一方面，機器人應用為各門專業(yè)課程提供了需求，專業(yè)課程的目的性明確，創(chuàng)新實踐有了具體、穩(wěn)定的應用對象，有利于提高創(chuàng)新實踐水平；另一方面，教學過程中大學生的學習興趣也起到很大作用，機器人能有效激發(fā)學生的好奇心和學習興趣，帶動學生主動學習。因此，以興趣為導向、以項目為框架的新教學體系將會收到良好的教學效果。

表1 機器人系統(tǒng)對接課程及機器人的主干作用

2.3 現(xiàn)有教育機器人無法滿足自動化專業(yè)本科生的創(chuàng)新實踐需求

國內已有很多品牌的教育機器人產(chǎn)品，教育機器人廠商為機器人技術的科普和技術創(chuàng)新做出了巨大貢獻，但是，目前市場上的教育機器人尚存在如下問題：

(1) 底層軟硬件不開放、給大學生的創(chuàng)新實踐空間不夠。以某品牌機器人創(chuàng)新設計套件為例，該套件以單片機為控制核心，以舵機為主要執(zhí)行器，在圖形化編程環(huán)境下編寫控制程序，讓機器人運動起來。該套件的核心硬件設備(主控制器、多功能調試器)是對外封閉的，學生無法深入了解硬件設備的技術細節(jié)，無法進行功能擴展，該實驗平臺的控制程序開發(fā)環(huán)境是圖形化開發(fā)軟件，使用簡單，但對編程能力訓練少?？傮w上，該套件簡單易用，但不開放底層的軟、硬件，功能相對固定，無法進行系統(tǒng)擴展，無法針對大學生層次設計創(chuàng)新性實驗，給大學生的創(chuàng)新實踐空間不夠，學生無法將專業(yè)知識應用到機器人系統(tǒng)中。該套設備實際上是一套“高級積木”，用于機器人技術入門尚可，對于自動化專業(yè)的大學生，該平臺不能滿足深入學習和創(chuàng)新設計的需求。

(2) 價格昂貴，主要用于競賽，學生受益面不夠大。機器人教學需要有一個可操作的平臺。目前，市場上各種品牌的教育機器人的價格普遍昂貴，動輒幾萬元的套件，其核心控制部件常是價格較低的單片機，其他的傳感器、舵機部件、結構件的成本也較低廉，以紅外測距傳感器為例，國內廠商常采用日本SHARP公司的GP2D系列傳感器，僅設計了外殼，相對而言，其市場售價過于昂貴。教育機器人昂貴的價格催生出一個現(xiàn)象：教育機器人的使用主體是大學生，但購買主體卻是高校，教育機器人廠商通過各種形式的機器人競賽、創(chuàng)新比賽推廣自己的產(chǎn)品，教育機器人的使用者主要是參賽學生，整個大學生群體的受益面不夠大。

3 機器人實踐教學體系設計

3.1 總體實施計劃

機器人是自動化專業(yè)實踐教學的理想平臺，而市場上現(xiàn)有的教育機器人無法滿足自動化專業(yè)本科學生深入學習專業(yè)知識、將專業(yè)知識創(chuàng)造性應用的需求，因此，學校公共實驗教學中心電子電工平臺圍繞機器人系統(tǒng)實現(xiàn)，對自動化專業(yè)實踐教學體系進行改革和實踐，一方面提高水平，一方面擴大受益面，具體實施步驟如下：

(1) 在大學一年級的專業(yè)導論課中提出大學四年專業(yè)實踐總體規(guī)劃，介紹自動化專業(yè)課程體系，并確立實現(xiàn)機器人系統(tǒng)的明確目標；

(2) 在之后的專業(yè)課程學習階段，布置課程設計題目，要求學生運用所學專業(yè)知識設計制作機器人模塊；

(3) 在本科高年級階段，將機器人模塊整合，實現(xiàn)一個整體的機器人系統(tǒng)。

3.2 具體實施步驟

表2是實踐教學體系中各年級依托課程及教學目標。通過對機器人系統(tǒng)由淺入深的專業(yè)學習和創(chuàng)新設

計，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新性思維能力和動手實踐能力，也可以為各類機器人競賽儲備人才。

合理設計實驗項目，可以將專業(yè)課、畢業(yè)設計、綜合設計對接到機器人系統(tǒng)中。表3所示為圍繞機器人系統(tǒng)，部分專業(yè)課、畢業(yè)設計、綜合設計布置的設計題目舉例。

3.3 機器人實踐教學體系與現(xiàn)有課程體系的比較

表4所示為以機器人為核心的實踐教學體系與自動化專業(yè)現(xiàn)有課程體系的比較。由表可見，以機器人為核心的實踐教學體系在教學環(huán)節(jié)的多個方面相對自動化專業(yè)現(xiàn)有課程體系均有優(yōu)勢。

表2 各年級依托課程及教學目標

表3 設計題目舉例

表4 機器人實踐教學體系與現(xiàn)有課程體系的比較

3.4 滿足多層次需求

新教學體系是滿足學生知識、能力、素質培養(yǎng)需求的多層次的實踐教學體系(見圖2)。按照入門學習、強化提高、創(chuàng)新競賽、科學研究多個層次，為學生提供創(chuàng)新實踐的軟硬件條件，滿足不同層次的需求。

圖2 多層次創(chuàng)新實踐教學體系

(1) 入門學習階段。在低年級(大學一年級)階段，學生在使用機器人實驗套件過程中，需要查閱相關的技術文獻，了解平臺的硬件和軟件情況，學習使用硬件設備(主控制器、傳感器、舵機、結構件、調試器的連接和使用)和開發(fā)軟件(控制程序開發(fā)軟件、機器人舵機調試系統(tǒng))，通過學習和實踐打下良好基礎。

(2) 強化提高階段。在高年級的單片機技術、機器人技術等課程中完成課程設計，強化基本技能和動手能力，同時對已學的基本理論進行實驗驗證。

(3) 創(chuàng)新競賽階段。完成創(chuàng)新性實驗項目、參加機器人競賽，讓大學生通過實驗培養(yǎng)批判精神、探索精神和創(chuàng)新精神，學習獲取知識、進行科學研究的方法，擴展和加深本科生的專業(yè)知識，訓練創(chuàng)新思維。

(4) 科學研究階段。提供本科畢業(yè)設計、大學生科創(chuàng)項目的項目支持，通過學生自主選題、項目立項、自主研究、自主管理、結題驗收等步驟，充分調動學生參與科研的主觀能動性，為學生提供科研環(huán)境和創(chuàng)新實踐的舞臺。

3.5 持續(xù)建設，服務產(chǎn)學研

機器人開發(fā)實驗平臺服務于產(chǎn)學研的實踐教學體系示意圖如圖3所示。

(1) 實踐教學持續(xù)建設。近年來，實驗教學中心積極探索并實踐以機器人為核心的實踐教學體系。實驗中心電子電工平臺自動化專業(yè)實驗室承擔我校本科學生的機器人創(chuàng)新實踐訓練、機器人技術實驗等自動化本科專業(yè)課程，取得良好的教學效果。實驗中心積極為各類大學生機器人競賽提供設備和場地，在全國機器人大賽等各類賽事中，我校代表隊均取得優(yōu)異成績。

(2) 實踐教學向科研延伸。充分利用學校智能科學與自動化專業(yè)博士學位授權點的軟、硬件條件，將實踐教學向科學研究方向延伸，積極引導大學生參加教師科研項目，依托“大學生科技創(chuàng)新大賽”等項目，征集教師提出的科研訓練課題，學生根據(jù)研究內容組隊提出申請，經(jīng)審批后進入教師課題組開展相關研究，并充分利用實驗教學中心電子電工平臺自動化專業(yè)實驗室的設備和場地條件，將教師科研團隊的研究成果和實驗室的軟、硬件資源相結合，進行算法驗證和樣機試制，使教師科研團隊的科研成果得以轉化為生產(chǎn)力。

(3) 實踐教學向產(chǎn)業(yè)化延伸。整合實驗教學中心電子電工平臺的技術力量，將開發(fā)的機器人實驗教學平臺推向科教儀器市場，在各類本科高校、高職院校中推廣，一方面可根據(jù)市場需求優(yōu)化設計產(chǎn)品，提升實驗平臺的品質，另一方面可以樹立我校自動化學科的品牌，獲得經(jīng)濟效益和社會效益。此外，基于已有技術積累，可以承接企業(yè)界的橫向課題，直接服務于廣東省區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。

圖3 機器人開發(fā)實驗平臺服務于產(chǎn)學研

4 結 語

我校公共實驗教學中心在實踐教學的教學理念、教學內容與方法、資源整合與利用等方面進行了長期探索與建設，中心電子電工平臺確立了面向自動化專業(yè)的機器人實踐教學體系。該實踐教學體系在教學方面對專業(yè)課程的教學起到引導和啟蒙作用，通過合理設計實驗項目可以對接多門主干專業(yè)課程，同時由于有了機器人創(chuàng)新實踐這一明確的主線，可以整合各方面技術資源，不斷提高創(chuàng)新實踐水平。該教學體系面向多層次、多方面創(chuàng)新實踐需求，并立足于服務產(chǎn)學研，使綜合效益最大化。

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·名人名言·

用一個大圓圈所學到的知識，但是圓圈之外是那么的空白，對我來說就意味著無知。由此可見，我感到不懂的地方還大得很呢。

——愛因斯坦

Exploration of the Practical Teaching System of Robots for Automation Specialty in the Comprehensive Universities

GUODongliang,BAOYanxiang,LIUShuyu,CHANGLili

(Public Experimental Teaching Center, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510006, China)

Due to the professional characteristics and the rapid development of technology, the courses of automation specialty in comprehensive universities increase and become difficult. Students are confused about the set and relationship of the professional courses, and the learning effect is easily influenced by the subjective factors. On the other hand, the professional course system lack of clear main line, each course is independent, and it is difficult to improve the level of innovation and practice. Aiming at these problems, Sun Yat-sen University explored how to set up a practical teaching system based on the design and implementation of the robot system. Through introduction of robot technology in the professional course and curriculum design, the corresponding function module is achieved, the main professional courses of automation specialty in a comprehensive university are integrated to all-in-one innovation practice teaching system of robots, and students will eventually have the ability to achieve a complete robot system. Through the implementation of the system, on the one hand, the students can grasp the relationship among the professional courses, mobilize the learning interest, on the other hand, it can cultivate the students' ability and innovation consciousness, improve the level of innovation. The innovative practical teaching system has achieved good teaching effect.

comprehensive universities; automation specialty; practical teaching system; robots

2016-04-25

中山大學信息技術國家級實驗教改示范中心實驗教學改革項目(2013008)；2015年中山大學校級教改項目(02088-16310010)

郭東亮(1976-)，男，黑龍江北安人，博士，講師，主要研究方向：數(shù)字信號處理，電路與系統(tǒng)設計的科研和實驗教學。

Tel.：13533451885； E-mail: guodl@mail.sysu.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)03-0212-05