劉相權　李啟光

摘要：本文對我校機器人學課程的教學現(xiàn)狀進行分析，指出目前存在的主要問題。提出通過優(yōu)化教學內容、改進教學方法和手段，提高學生學習的主動性和創(chuàng)造性；通過創(chuàng)建實驗平臺，在課程教學中增加實踐性教學內容，加強理論和實踐結合，增強學生學習興趣，從而提高教學質量。為探索培養(yǎng)創(chuàng)新型人才教學模式提供參考。

關鍵詞：機器人學；教學改革；教學方法；實驗平臺

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）10-0126-03

一、引言

當前，隨著機器人技術的高速發(fā)展，我國機器人市場進入高速增長期，其中工業(yè)機器人連續(xù)5年成為全球第一大應用市場，已廣泛應用于各個領域的工業(yè)現(xiàn)場。機器人產業(yè)的發(fā)展對機器人人才產生巨大需求，迫切需要相關高等院校對機器人課程的教育進行深化改革，培養(yǎng)適合社會需求的高層次機器人人才[1]。

機器人學是我校機械工程學科的一門重要研究生課程，該課程涉及機械學、電子技術、自動控制、計算機技術、傳感技術、人工智能等諸多領域，是一門理論性、實踐性和綜合性很強的課程。本文結合作者多年的教學經驗，以社會需求為導向，以培養(yǎng)創(chuàng)新人才為出發(fā)點，通過分析機器人學課程的教學現(xiàn)狀，指出教學過程中存在的問題，提出相應的改進措施，將傳統(tǒng)的教學內容進行重組與優(yōu)化，增開實踐性教學環(huán)節(jié)，使學生不僅具備一定的理論分析能力，同時具備較高的解決實際問題的能力。

二、教學現(xiàn)狀分析

機器人是一種自動化的、能夠通過預先編排的程序自主完成某類任務的機器裝置。機器人學課程以機械原理、機械設計、線性代數(shù)、理論力學、控制工程等為先修課程，要求學生具備較多的知識儲備以及一定的數(shù)學基礎，學生學習時普遍感到涉及知識面寬、理論性強，嚴重影響了學習的積極性。目前存在的主要問題有：

1.傳統(tǒng)的機器人學課程教學內容繁雜。傳統(tǒng)教學內容以PUMA560六自由度機器人為教學對象，講述機器人的數(shù)學基礎、機械結構、運動學、雅克比矩陣、動力學、運動規(guī)劃、傳感和控制等機器人知識，缺少對該學科的前沿進展和最新成果的介紹；同時，各章節(jié)內容之間相對獨立，在32個學時之內學成上述教學內容，學生普遍感覺晦澀難懂[2]。

2.教學方式單一，側重理論推導。該課程主要采用老師講、學生聽的“填鴨式”教學方式，學生與老師之間沒有交流討論的機會。同時，教學內容上過多注重理論知識的講解，且動力學、運動規(guī)劃、軌跡控制摻雜過多的公式推導，學生學習起來難度大，興趣不高，嚴重影響了教學質量。

3.實踐教學環(huán)節(jié)薄弱，與課堂教學脫節(jié)。由于工業(yè)機器人造價比較高，受實驗設備數(shù)量制約，實踐教學環(huán)節(jié)很難展開，實驗只占4學時，且為驗證性實驗，使得實踐性教學的力度不夠大，學生只滿足于概念理論與計算，沒有真正提高學生的實踐動手能力、創(chuàng)新能力。

綜上所述，機器人學原有的教學大綱、教學內容、教學方式和實踐內容已經難以適應培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需要。教學改革的關鍵是對課程內容進行調整和優(yōu)化，引入新的教學方法和技巧，為學生提供實驗平臺和方法[3]。

三、教學改革探索與實踐

1.優(yōu)化理論教學內容，注重因材施教。在傳統(tǒng)機器人學教學中，注重理論知識講解，學生學習起來難度較大。針對我校實際情況，兼顧知識的深度與廣度，對理論知識進行適當取舍，合理安排教學內容，并將其融入實驗教學中。具體而言，可將工業(yè)機器人認知、機械結構、數(shù)學基礎、運動學分析、示教編程、傳感器和控制等知識結合到實驗教學和案例教學中，而對具有過多公式推導的動力學、軌跡規(guī)劃等只做簡單介紹。優(yōu)化后的教學內容分為理論教學、實踐教學、案例教學共3大模塊，各模塊包含若干任務，任務內容由淺到深，調整后的學習模塊及任務如表1所示[4]。

2.注意課堂互動，改進教學方式。在講授課程內容時，運用案例、視頻、動畫、仿真軟件、現(xiàn)場認知等多種教學方式取代傳統(tǒng)填鴨式教學，激發(fā)學生學習興趣。例如，在講授任務1機器人認知時，可參觀我校卓越聯(lián)盟實驗室智慧工廠實訓平臺，并通過視頻、圖像等方式為學生介紹機器人的各種結構形式機器應用場合，如串聯(lián)機器人、并聯(lián)機器人、SCARA機器人和直角坐標機器人等。在講授任務2數(shù)學基礎時，可借助多媒體課件加深學生對各種變換的掌握，在此基礎上通過Matlab軟件完成相關計算以代替手工運算。

3.增加現(xiàn)場教學環(huán)節(jié)。機器人學課程中有些內容比較抽象，學生理解起來會有難度。采用現(xiàn)場教學法，可以使學生克服畏懼心理，提高學習效率。例如，在講授任務3中的坐標系時，可以在實驗室現(xiàn)場手動操作機器人，讓學生觀察機器人在不同的坐標系下運動，指出不同坐標系下運動的區(qū)別。在講授任務9傳感器和控制時，可以在實驗室現(xiàn)場對照6自由度機器人、直角坐標機器人、圓柱坐標機器人、SCARA機器人，講授傳感器的功能與分類、控制系統(tǒng)基本結構、電氣原理、關鍵組成部件?，F(xiàn)場教學法可使學生深刻理解相關知識點，效果顯著。

4.建設教學實驗平臺，拓展實踐教學內容。課堂教學主要是對學生進行理論知識的傳授，而實踐教學可以培養(yǎng)學生的自學能力，訓練學生的基本實驗技能，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，是機器人學課程教學的重要組成部分[5]。依托我校卓越聯(lián)盟實驗室建設，結合已有的實驗儀器，構建機器人實驗教學平臺，在機器人學課程教學中增加實踐性教學環(huán)節(jié)。

（1）多類型機器人變結構設計實訓平臺。該實訓平臺包含了模塊化積木式可拆裝串聯(lián)機器人、圓柱坐標機器人、高級智能語音人形機器人、爬樓梯機器人、履帶機器人、高級多類型仿生機器人綜合訓練套裝、彈跳機器人、智能掃地機器人、擦玻璃機器人等設備，平臺貼近于工業(yè)應用，又立足于教學，使學生能夠了解各類型機器人的基本結構，了解和掌握各類型機器人的基本知識，使學生對機器人及其控制系統(tǒng)有一個完整的理解。

在講授任務5機器人機械結構時，結合可拆裝串聯(lián)機器人進行拆裝實驗。該機器人6個自由度的每個關節(jié)模塊可以獨立運行操作，并能按照統(tǒng)一接口任意組合成2—6自由度機器人。6個關節(jié)模塊的結構形式涉及齒輪傳動、行星減速、諧波減速、蝸桿傳動、同步帶傳動等工業(yè)機器人常用的結構形式，通過拆裝實驗，便于學生了解掌握工業(yè)機器人的機械結構與傳動原理。

（2）智慧工廠微型實訓平臺。通過運用工業(yè)物聯(lián)網、工業(yè)服務網和智能控制等相關技術，該實訓平臺實現(xiàn)了制造的智能化和無人化。實訓平臺是以印章為加工對象，實現(xiàn)工件的智能倉儲、智能加工、智能檢測和智能裝配的全過程仿真。平臺內部包含1臺YASKAWA機器人、1臺直角坐標機器人和1臺YAMAHA機器人，分別實現(xiàn)分選、搬運和裝配功能。

在講述任務7的機器人手動操作、示教編程與調試時，可利用YASKAWA機器人或YAMAHA機器人進行實驗，使學生了解機器人系統(tǒng)的操作過程，了解工業(yè)機器人示教再現(xiàn)的概念、原理和實現(xiàn)方法，學會用示教器對機器人進行示教編程，用示教再現(xiàn)方法實現(xiàn)某一指定軌跡。

（3）虛擬仿真教學平臺。采用虛擬仿真教學，可使學生在實際操作之前，對工業(yè)機器人的手動操作、示教編程、軌跡規(guī)劃等建立直觀印象，同時可以避免誤操作對人員和設備造成的損傷[6]。在講述任務8虛擬仿真時，可使用ABB公司的機器人仿真軟件RobotStudio進行工業(yè)機器人的基本操作、功能設置、示教編程、軌跡規(guī)劃等。采用虛擬仿真軟件，能保證每個學生都能夠擺脫實訓設備和場地的限制，提高學習效率。

在Matlab環(huán)境下，運用Robotics Toolbox工具箱，可以建立機器人運動模型，進行正逆運動求解、空間軌跡規(guī)劃。在講述任務6運動學仿真時，通過編寫程序語句，快速完成對機器人的正逆運動學求解、軌跡規(guī)劃仿真。通過仿真，可以直接觀察到機器人各個關節(jié)的運動情況，并且所需數(shù)據能夠以圖形表示出來。

5.改進考核方式，強化過程管理。課程考核方式采用了期末考試和平時作業(yè)、實踐活動相結合的方式，期末考試以考查基本概念、理論知識為主，約占總成績的50%；平時作業(yè)除課后作業(yè)外，每位學生寫一篇專題論文，通過查閱文獻、收集資料，介紹某類型機器人的應用領域、研究進展等情況，約占總成績的20%；實踐活動以考查實踐能力為重點，包括實驗步驟、小組協(xié)作、實驗報告、答辯等環(huán)節(jié)，約占總成績的30%。通過改進考核方式，提高了學生的學習興趣和學習主動性，其實踐能力得到很大提高。

四、結束語

綜上所述，本文結合學校的實際情況，分析機器人學課程在教學中存在的問題，提出了相應的改革措施。通過對課程理論內容的優(yōu)化設置，對教學方式、實踐內容及考核方式的不斷改革創(chuàng)新，大大提升了學生解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才打下了堅實的基礎。

參考文獻：

[1]戰(zhàn)強，閆彩霞，蔡堯.機器人教學改革的探索與實踐[J].現(xiàn)代教育技術，2010，20（3）：144-146.

[2]閻世梁，張華，肖曉萍.高等工程教育中的機器人教育探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2013，32（8）：149-152.

[3]程仙國，孫慧平，李占濤.《工業(yè)機器人技術》課程教學改革與實踐[J].寧波工程學院學報，2015，（4）：104-108.

[4]李霞，周強，等.《機器人技術基礎》課程教學探究[J].農業(yè)網絡信息，2015，（1）：132-135.

[5]雷靜桃，劉亮，張海洪.“機器人學”課程教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2013，32（5）：179-182.

[6]楊薇，葉暉，胡威.仿真教學應用在工業(yè)機器人技術課程教學中的必要性[J].科技視界，2014，（32）：18-19.