王晶　薛光輝

摘? ?要：“機器人學”是機器人工程專業(yè)的核心課程。它的教學質(zhì)量和效果直接關(guān)系著學生專業(yè)基礎(chǔ)的掌握和技術(shù)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。本文結(jié)合我?！靶鹿た啤睂I(yè)建設(shè)背景，分析傳統(tǒng)課程教學中存在的突出問題，提出實踐性較強的課程改革方案，從而為新工科背景下的人才培養(yǎng)探索途徑，進一步的提高教學質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：機器人學? 機器人工程? 教學改革

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）03（b）-0180-02

機器人工程是“新工科”背景下建立的以培養(yǎng)機器人產(chǎn)業(yè)、智能制造等領(lǐng)域創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才為目標的多學科綜合專業(yè)[1]。我校于2019年開設(shè)機器人工程專業(yè)，匯集了機械工程、測控技術(shù)與儀器、計算機科學技術(shù)等多個優(yōu)勢學科，旨在建立多層次、多學科融合的機器人工程人才培養(yǎng)模式。機器人學課程作為機器人工程專業(yè)的專業(yè)核心課程，計劃在大三上半學年開設(shè)，是一門綜合運動學、動力學、傳感器技術(shù)、控制理論等多項基礎(chǔ)理論的綜合課程，是學生的未來進行科學研究與工程實踐的基礎(chǔ)課程。在“新工科”的背景下，需要克服以往課程體系存在的形式單一、結(jié)構(gòu)老化等諸多問題[2]。

本文結(jié)合現(xiàn)有機器人相關(guān)理論課程（“機器人學導論”，“機器人技術(shù)基礎(chǔ)”）的課堂授課經(jīng)驗，綜合理論型教學與實驗型教學課程的特點，分析教學中存在的問題以及學生特點，提出新的培養(yǎng)模式下“機器人學”課程的教學改革方案，探索增強實踐思想的課程環(huán)節(jié)，使學生在充分理解理論基礎(chǔ)的同時能夠靈活運用所學知識解決實際問題。

1? 課程特點分析

1.1 “機器人學導論”課程分析

“機器人學導論”課程是面向大四學年測控技術(shù)與儀器、機械工程專業(yè)本科生開設(shè)的導論形式的專業(yè)選修課程，開設(shè)學時為32學時的理論授課。涉及內(nèi)容包括緒論（4學時）、傳感器（4學時）、驅(qū)動器（2學時）、位姿變換（4學時）、運動學（2學時）、靜力學（2學時）、動力學（4學時）、控制技術(shù)（4學時）、軌跡規(guī)劃（4學時）、機器人計算機（2學時）等相關(guān)基礎(chǔ)知識，在學時分布上可以看出，對于相應(yīng)的運動學、動力學等內(nèi)容并未作較深入的講解。同時，在授課的過程中發(fā)現(xiàn)，大四學年的學生對于上述內(nèi)容的理解存在一定的困難，分析原因為：相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)課程一般在大一及大二年級就已結(jié)束，學生對于新知識的接受和理解需要較長時間的鞏固和預習周期，而對于大四學年的學生往往在時間上無法分配過多精力。因此，對于理論性以及基礎(chǔ)延申性較強的授課內(nèi)容不建議在大四專業(yè)開設(shè)。

1.2 “機器人技術(shù)基礎(chǔ)”課程分析

結(jié)合前期授課過程中存在的問題，我們在16級的培養(yǎng)大綱中對于大四學年的機器人技術(shù)相關(guān)課程作出了調(diào)整，將“機器人技術(shù)基礎(chǔ)”課作為專業(yè)必修課程，開設(shè)學時為32學時，其中理論環(huán)節(jié)16學時、實驗環(huán)節(jié)16學時。授課內(nèi)容結(jié)合移動機器人設(shè)計大賽，重點講述傳感器技術(shù)、移動機器人定位技術(shù)、控制技術(shù)以及機械設(shè)計等內(nèi)容。在實踐環(huán)節(jié)，使用移動平臺機器人，培養(yǎng)學生從移動機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣設(shè)備選型、控制方案以及程序軟件編寫全流程化的實踐能力，提高了學生的學習興趣，同時，加深了軟硬件知識的理解。但課程的設(shè)置弱化了機器人設(shè)計中的位姿理論、運動學、動力學等基礎(chǔ)知識，不適用于機器人工程專業(yè)的教學。

1.3 “機器人學”課程分析

“機器人學”課程是我校針對19級機器人工程專業(yè)教學大綱開設(shè)的專業(yè)必修課，與以往非機器人工程專業(yè)的教學不同，既要加深理論基礎(chǔ)的講解，又需要保證學生對于新知識的理解和接受的程度。對于本專業(yè)“機器人學”課程的教學內(nèi)容，涵蓋了機械原理、控制理論、電工電子技術(shù)、通信工程、計算機等多門學科[3-4]，理論環(huán)節(jié)需要從以往導論課中側(cè)重機械學基礎(chǔ)理論的授課內(nèi)容中有所轉(zhuǎn)變，增加電工電子、控制理論以及計算機技術(shù)等內(nèi)容的授課環(huán)節(jié)，以保證內(nèi)容的全面性。因此，綜合以往課程教學經(jīng)驗，開設(shè)在大三上半學年較為合適，在理論教學的同時需要增設(shè)實驗課程，以鞏固學生對于理論學習的理解。

2? “機器人學”課程建設(shè)與改革思路

根據(jù)前面對于課程特點的分析總結(jié)，在“新工科”背景下機器人工程專業(yè)開設(shè)“機器人學”課程，要涵蓋全面的理論知識，同時在有限的課時下設(shè)置實操性較強的實驗環(huán)節(jié)。因此，課程總學時設(shè)置為48學時，包括44學時理論授課以及4學時實驗環(huán)節(jié)，具體課程改革思路如下。

（1）按照機器人子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，搭建課程總體框架。機器人的三大子系統(tǒng)包括運動子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)和辨識子系統(tǒng)。子系統(tǒng)的構(gòu)成涵蓋機器人設(shè)計中的各關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。因此，將課程內(nèi)容劃歸至各子系統(tǒng)中，可使學生靈活掌握所學知識。課程總體框架如圖1所示。

（2）劃分知識體系結(jié)構(gòu)，增強基礎(chǔ)知識的聯(lián)想與貫穿。鑒于“機器人學”課程的理論綜合性，在授課過程中增加知識聯(lián)想環(huán)節(jié)，啟發(fā)式的引導學生利用所學知識理解新的內(nèi)容。如，在運動控制章節(jié)的教學上，可以以問答形式啟發(fā)學生回顧控制原理的基礎(chǔ)知識，更快地理解機器人系統(tǒng)控制的要素以及控制環(huán)節(jié)的設(shè)計。

（3）結(jié)合機器人大賽，增加案例式教學環(huán)節(jié)。在教學過程中，引進機器人大賽中對機器人功能設(shè)計的要求，以實例教學的形式幫助學生理解課程內(nèi)容的意義及其在實踐中的應(yīng)用。如，在講述動力學方程時，可對移動機器人大賽中的移動小車進行案例建模，加深學生對所學知識的運用。

（4）理論與實驗環(huán)節(jié)交叉，鞏固問題理解。學校建立了機器人工程實驗室，配有移動平臺機器人、六足機器人以及智能機器人手臂等。學生在理論學習的同時配合以下四個實驗內(nèi)容：①小車平臺的動力學模型;②機械臂平臺運動學模型;③機械臂軌跡規(guī)劃;④小車的運動控制，進一步地增強學生對學習內(nèi)容的理解。

3? 結(jié)語

本文結(jié)合“新工科”背景下機器人工程專業(yè)的培養(yǎng)目標，分析和總結(jié)以往機器人相關(guān)課程的教學經(jīng)驗，提出了理論體系建立與實踐教學相結(jié)合的“機器人學”課程建設(shè)與改革方案，在創(chuàng)新型實驗的配合下，完善了48學時的課程體系建立，為學生未來從事專業(yè)研究以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供扎實的基礎(chǔ)保障。

參考文獻

[1] 蔡軍，郭鵬.“新工科”背景下以創(chuàng)新人才為培養(yǎng)導向的實驗教學改革及實踐[J].高教學刊，2019（11）：52-55.

[2] 萬琴，吳迪，林國漢.“新工科”背景下的機器人工程專業(yè)教學研究[J].科技創(chuàng)新導報，2018（30）：132-135.

[3] 劉相權(quán)，李啟光.機器人學課程教學改革的探索與實踐[J]. 教育教學論壇，2018，3（10）：126-128.

[4] 戰(zhàn)強，曹秀潔.PBL教學方法在機器人教學中的應(yīng)用研究[J].中國教育信息化，2019（19）：73-76.