宮赤坤　匡毅　張吉祥　夏平

【摘 要】機器人課程是面向高等學(xué)校機械工程學(xué)科研究生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是一門培養(yǎng)學(xué)生具有設(shè)計和使用方面基礎(chǔ)知識的專業(yè)課程。根據(jù)本校機器人課程特點與借鑒其他院校教學(xué)改革的先進經(jīng)驗，結(jié)合研究生的教學(xué)定位，對機器人課程教學(xué)現(xiàn)狀進行分析，指出目前在教學(xué)過程中存在的主要問題。通過教學(xué)方法和手段的改進，顯著提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，提高學(xué)生學(xué)以致用的能力和素質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】機器人；教學(xué)方法；改革探索

Exploration on Teaching Reform of Graduate Robot Course

GONG Chi-kun KUANG Yi ZHANG Ji-xiang XIA Ping

（Mechanical Engineering College of University of Shanghai for Science and Technology ，Shanghai 200093，China）

【Abstract】Robot course is a professional basic course for graduate students of mechanical engineering. It is a professional course to cultivate students with basic knowledge of the design and use of the robot .According to the characteristics of courses in our school， the advanced experience of teaching reform of other colleges and the teaching orientation of graduate students， analyse the status of the teaching of robot course and point out the main problems existing in the current. Through the improvement of teaching methods， It can improve students learning enthusiasm and initiative， improve the studentscommunicative ability and quality.

【Key words】Robot；Teaching method；Reform and exploration

0 引言

機器人技術(shù)是近年來各國研究的熱點之一，它所涉及的領(lǐng)域十分廣泛，包括機械學(xué)，計算機科學(xué)，自動控制，人工智能等一系列學(xué)科，是自動控制技術(shù)，計算機，先進制造等集成的典型技術(shù)代表，在農(nóng)業(yè)，工業(yè)，國防，太空以及海洋探索等眾多領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用。

為適應(yīng)科學(xué)發(fā)展和新世紀(jì)國家對機器人人才的發(fā)展要求，原有的教學(xué)方法已很難適應(yīng)培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維的高素質(zhì)人才的需要。本文結(jié)合十幾年教學(xué)過程中不斷積累的實踐教學(xué)經(jīng)驗和我校培養(yǎng)學(xué)生的總體目標(biāo)，以培養(yǎng)創(chuàng)新人才為出發(fā)點，立足于科研教學(xué)和實踐教學(xué)的系統(tǒng)性，基礎(chǔ)性，綜合性和創(chuàng)新性，改變傳統(tǒng)的教師單一授課模式，將傳統(tǒng)的課程進行重組與優(yōu)化，增開實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，提出一系列教學(xué)改革方法。

1 課程介紹及培養(yǎng)目標(biāo)

本校的機器人課程一般安排在研究生的第一年級，是一門系統(tǒng)介紹機器人的基礎(chǔ)課程，其內(nèi)容及學(xué)時安排如下表1所示：

由表1[1]可看出本課程主要講述機器人的本體結(jié)構(gòu)，運動學(xué)及動力學(xué)，軌跡規(guī)劃，控制系統(tǒng)，語言與編程等，所要求掌握的知識點相當(dāng)廣泛。

從國家對研究生的知識，能力和素質(zhì)培養(yǎng)與協(xié)調(diào)發(fā)展的教學(xué)要求出發(fā)，課程內(nèi)容注重理論系統(tǒng)性和實際工程應(yīng)用性的緊密結(jié)合。通過本課程的學(xué)習(xí)，要求研究生理解掌握機器人的基礎(chǔ)理論知識以及初步的工程應(yīng)用能力，掌握典型機器人的機械結(jié)構(gòu)，運動學(xué)，動力學(xué)理論，機器人的驅(qū)動方法和控制技術(shù)并能進行機器人編程。培養(yǎng)研究生獨立思考和分析問題的能力，不僅讓學(xué)生充分全面的掌握機器人系統(tǒng)的理論知識，而且具有一定的解決問題的能力，使得學(xué)生能夠在較短的時間內(nèi)掌握機器人的實際應(yīng)用技術(shù)，為今后從事機器人的相關(guān)研究工作打下堅實的基礎(chǔ)。

2 當(dāng)前機器人課程教學(xué)現(xiàn)狀

2.1 學(xué)科交叉覆蓋面廣，授課傳統(tǒng)學(xué)生缺乏思考

機器人課程具有非常強的學(xué)科交叉特點，課程綜合性和理論性強，難度大，對學(xué)生的數(shù)學(xué)，力學(xué)，控制理論，測試技術(shù)，機械學(xué)等先導(dǎo)課程的掌握程度要求較高，而且課程各章節(jié)之間內(nèi)容相對比較獨立，由本體結(jié)構(gòu)到運動學(xué)，由運動學(xué)到控制，很難找到一個貫穿的主線，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中搞不懂機構(gòu)的運行原理，加之學(xué)時短，學(xué)生學(xué)習(xí)起來普遍感覺晦澀難懂，這在很大程度上削減了同學(xué)的學(xué)習(xí)熱情和積極性。

通過先前的實踐，表明沿用傳統(tǒng)的老師在上講，學(xué)生在下聽的灌輸式授課方式，已遠遠不能滿足新時期研究生培養(yǎng)目標(biāo)的要求，現(xiàn)如今雖然在授課方式上采用了很多現(xiàn)代化的多媒體教學(xué)，大大減少了老師體力勞動，提高老師教學(xué)效率，凸顯老師的作用，但是傳統(tǒng)的灌輸做法還是一成不變，學(xué)生還是被動的接受知識，無法在課堂上與老師積極互動，讓學(xué)生根本沒有空余時間進行獨立思考，一堂課下來學(xué)生對授課內(nèi)容都沒有印象，學(xué)生對知識的掌握無法深入透徹，教學(xué)效果大打折扣。

2.2 重視課堂輕視動手能力

機器人課程對學(xué)生自我動手要求較高，是一門凸顯學(xué)生主體的課程，然而現(xiàn)實授課的過程中老師比較側(cè)重理論部分實踐環(huán)節(jié)相對薄弱，甚至根本無實踐，這對研究生掌握機器人技術(shù)來說是遠遠不夠的，不能從根本上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，無法從實際上改變學(xué)生從旁觀者提高到參與者，使學(xué)生具有實際解決問題的能力。

3 改革探索

針對上述提到的目前在教學(xué)中存在問題，根據(jù)國家以及學(xué)校對本課程的辦學(xué)要求和目標(biāo)，結(jié)合本課程的特點和現(xiàn)實情況，總結(jié)自身教學(xué)與借鑒其他院校教學(xué)改革的先進經(jīng)驗，提出如下教學(xué)改革措施，并在實際教學(xué)過程中加以應(yīng)用，取得一定的效果。

3.1 貫穿主線突出重點，采用現(xiàn)場教學(xué)

針對目前由于機器人課程學(xué)時安排較少，機器人涉及到的知識點較多，綜合性較強，老師在教學(xué)的過程中要根據(jù)實際合理安排課程，向?qū)W生指出貫穿各章節(jié)的主線，講解各知識點的前因后果，突出重點。可以將教學(xué)內(nèi)容大致分為三個部分，如圖1所示[2]：

（1）機械部分。機械是機器人的基礎(chǔ)，機械原理是學(xué)生對機器人的第一印象，它是由一系列連桿，關(guān)節(jié)或其他形式的運動副組成。

（2）傳感部分。傳感器是用于機器人自身與外界交流，是獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息，通過此設(shè)備可以更好的操控機器人。

（3）控制部分?？刂撇糠值娜蝿?wù)是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號，支配機器人的執(zhí)行機構(gòu)完成規(guī)定的運動和功能。

在講解基礎(chǔ)理論時，老師應(yīng)當(dāng)在多年教學(xué)實踐基礎(chǔ)上加以總結(jié)提煉，爭取在課時較緊的情況下把理論內(nèi)容教給學(xué)生，在講解新的知識點前，通過多媒體技術(shù)改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，制作集文字，圖文，聲音，動畫為一體的課件?？蓪⒔虒W(xué)內(nèi)容生動直觀表現(xiàn)出來，化抽象為直觀，在講解每個章節(jié)時，適當(dāng)引入相關(guān)知識的前沿進展，最新的科研成果，既擴大學(xué)生的知識面，又提高學(xué)生的興趣。同時在對這三大組成部分的講解之前，老師可以要求學(xué)生充分利用學(xué)校圖書館，便捷的網(wǎng)絡(luò)資源等優(yōu)勢，進行一定量的關(guān)于機器人知識的閱讀。

在條件允許的情況下，現(xiàn)場教學(xué)可以大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以當(dāng)下實驗室現(xiàn)有著名的kuka機器人為講解案例，如圖2所示[3]：

采用現(xiàn)場教學(xué)方法，把課堂搬到實驗室，在現(xiàn)場結(jié)合機器人實物。在講解案例的過程中要緊密聯(lián)系理論知識與實際機器人的一一對應(yīng)，目的是引導(dǎo)學(xué)生將課堂理論與應(yīng)用實際有機結(jié)合在一起。機器人中的有些內(nèi)容和概念比較抽象，晦澀難懂，比如機器人的運動學(xué)中的位姿表示，坐標(biāo)系的建立等，學(xué)生理解起來比較困難，首先由教師提出問題，讓學(xué)生通過對實際物理機器人的深入觀察，帶著問題去思考。然后由教師結(jié)合機器人的實際運動對每個機器人所涉及到的基礎(chǔ)概念進行講解，最后讓學(xué)生交流討論。由于實際無力機器人就是同學(xué)們身邊的，拉近了理論知識與學(xué)生的距離，能夠激發(fā)學(xué)生積極思考，增加學(xué)生的興趣，同時又能提高學(xué)生解決實際問題的能力。

3.2 運用實踐培養(yǎng)學(xué)生動手能力

老師要提倡學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的過程中的培養(yǎng)積極動手的能力，在動手的過程中增強感性認識，為此，提出建立提高學(xué)生動手能力的3個層次實踐體系[4]。認知層：以研究生已具有的的電子電路，單片機原理與應(yīng)用，傳感器檢測技術(shù)，PLC基礎(chǔ)等相關(guān)課程的基礎(chǔ)知識為基礎(chǔ)，例如設(shè)計一個簡單的十字路口交通信號燈，電機控制等實驗培養(yǎng)學(xué)生的實驗動手能力。提高層：結(jié)合生活實際，從生活中設(shè)計幾個課題，讓學(xué)生自由分組，自由搭配，從上述題目中選出一個，獨自思考，親自動手，從理論到實踐完成一整套一個小系統(tǒng)的設(shè)計，做出完整的方案與實物，提高學(xué)生在動手過程中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力。綜合層：通過讓學(xué)生參加競賽的方式，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的緊迫感，比如學(xué)校舉行的科技節(jié)，國家省舉辦的挑戰(zhàn)杯等各種形式的競賽，讓學(xué)生在競賽的過程中通過互相交流學(xué)習(xí)加深對機器人課程的認識。

在實踐教學(xué)過程中，大力增強學(xué)生運用各種軟件的能力，安裝Adams，Matlab等仿真軟件，實踐教學(xué)中采用新的大量的軟件，使實驗內(nèi)容不受物理設(shè)備的限制，可大大增加實驗內(nèi)容，同時生動形象讓學(xué)生更好學(xué)習(xí)，提高教學(xué)效率。

4 總結(jié)

本文結(jié)合十幾年的實際教學(xué)經(jīng)驗，從提高研究生對機器人知識理解及運用目標(biāo)出發(fā)，探索在研究生機器人課程教學(xué)過程中存在的問題和相應(yīng)的改革措施，將其運用到實際教學(xué)過程中，取得了明顯的效果，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情得到極大激發(fā)，但提高教學(xué)質(zhì)量是教育工作者永無止境的追求，改革探索不可能一蹴而就，需要教師在教學(xué)過程中不斷發(fā)現(xiàn)新問題，不斷的改進與完善。

【參考文獻】

[1]張建偉.現(xiàn)代智能機器人前景及技術(shù)[J].先進技術(shù)研究通報，2009.

[2]劉極峰.機器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2012.

[3]郭洪紅.工業(yè)機器人技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[4]董愛梅.以機器人為平臺大學(xué)生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系的研究與實踐[J].中外教育研究，2009.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]