深入完善“智能機器人”實踐課程體系，促進實踐教學(xué)

王旭仁　何　花　周　全　劉麗珍

摘要：實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)人才的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。“智能機器人”是一門實踐性非常強的工科專業(yè)課，它的實踐性教學(xué)設(shè)計思想是通過各種手段增加學(xué)生參加實踐的機會，培養(yǎng)學(xué)生的實際工作能力。本文主要論述了“智能機器人”課程實踐教學(xué)的實施方法、手段和發(fā)展方向，教學(xué)的實際結(jié)果表明，學(xué)生對該課程的實踐教學(xué)是歡迎的，教學(xué)效果也比較顯著。

關(guān)鍵詞：計算機應(yīng)用；實踐教學(xué)；智能機器人

中圖分類號：G642文獻標識碼：B

突出學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)是工科專業(yè)教育重要和顯著的特征。加強對工科專業(yè)課程的實踐教學(xué)研究，有助于教育培養(yǎng)目標的實現(xiàn)。實踐教學(xué)要改變過去一味對學(xué)生“灌”的教法，樹立學(xué)生主動學(xué)習的興趣和意識，突出學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。湖南大學(xué)孫宗禹認為，當前應(yīng)重構(gòu)實踐教學(xué)體系，因為實踐是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，所以應(yīng)該徹底改變傳統(tǒng)教育模式下實踐教學(xué)處于從屬地位的狀況。這不僅能使學(xué)生掌握扎實的基本知識與技能，而且對提高學(xué)生的綜合素質(zhì)大有好處。

1實踐教學(xué)

1.1實踐教學(xué)的含義

“實踐”一詞在中國的廣為流傳，是在唯物史觀在中國被確立為主流思想以后。尤其是1978年《實踐是檢驗真理的唯一標準》一文發(fā)表后，“實踐”成為中國大陸使用頻率最高，最為人們耳熟能詳?shù)脑~語之一，通常與“理論”對應(yīng)使用。因此，實踐教學(xué)首先是一個與理論教學(xué)相對的教育術(shù)語。有的學(xué)者認為，實踐教學(xué)是指在教學(xué)計劃內(nèi)，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和能力為主而獨立設(shè)置的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，同時，也包括列入選修課或課外科技活動的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)；前蘇聯(lián)著名教學(xué)論專家贊科夫在總結(jié)他持續(xù)16年對教學(xué)與發(fā)展問題進行實驗研究的著作《教學(xué)論與生活》一書中指出：“科學(xué)的教學(xué)論應(yīng)建立在研究教學(xué)的實踐及其改造的基礎(chǔ)之上，這是無可爭論的真理。對實踐的研究可有各種不同的形式，既可研究并概括教師的先進經(jīng)驗，也可進行實驗，而實驗是為了查明效果和解釋‘現(xiàn)成的經(jīng)驗，有時是為了創(chuàng)造新的經(jīng)驗等等?！庇蛇@些論述可以看出，實踐教學(xué)與理論教學(xué)既有密切聯(lián)系，又有相對獨立性。它對提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神與實踐能力有著理論教學(xué)不可替代的特殊作用。

1.2實踐教學(xué)的形式

實踐教學(xué)的形式多種多樣，包括實驗、實習、社會實踐、課程設(shè)計、比賽、學(xué)年論文、畢業(yè)論文等，不同類型的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)在教學(xué)計劃中的地位、順序、時間分配等方面要符合培養(yǎng)目標的要求，和相關(guān)課程相匹配。一是要追蹤課程內(nèi)容的更新；二是要加強對學(xué)生創(chuàng)新思維和綜合能力的培養(yǎng)。

1.3實踐教學(xué)的重要性

教育部《關(guān)于進一步加強高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見(征求意見稿)》(教高司函(2004)259號)指出，高等學(xué)校應(yīng)著眼于國家發(fā)展和人的全面發(fā)展需要，堅持知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展，注重能力培養(yǎng)，著力提高大學(xué)生的學(xué)習能力、實踐能力和創(chuàng)新能力。

2“智能機器人”的課程特點

2.1“智能機器人”的課程特點

“智能機器人”是我校智能科學(xué)與技術(shù)、計算機非師范專業(yè)高年級學(xué)生的一門重要的專業(yè)課程，涉及的學(xué)科范圍包括力學(xué)、機器人拓撲學(xué)、機械學(xué)、電子學(xué)與微電子學(xué)、控制論、計算機、生物學(xué)、人工智能、系統(tǒng)工程等諸多課程。因此是一門理論性、實踐性和綜合性很強的課程，也是培養(yǎng)學(xué)生具有機械設(shè)計能力、可以直接解決實際問題的課程。

“智能機器人”實踐教學(xué)體系主要包括實驗教學(xué)和課程設(shè)計兩部分。要真正學(xué)好本課程，除了理論課外，更重要的是將知識應(yīng)用于實踐。

2.2實踐教學(xué)基礎(chǔ)

(1)講授機器人課程

教學(xué)小組已經(jīng)多次為智能科學(xué)與技術(shù)、計算機師范和非師范專業(yè)高年級本科生開設(shè)機器人課程，具備進行實踐課程建設(shè)的理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)思想。并進行了“智能機器人”課程建設(shè)。

(2)單獨開設(shè)“智能機器人”實踐課程

從2008年春季學(xué)期開始，為了重視實踐課程的開展，獨立開設(shè)了1學(xué)分的“智能機器人”實踐課程，共18學(xué)時。徹底改變“智能機器人”實踐教學(xué)處于從屬地位的狀況，對“智能機器人”實踐課程體系的建設(shè)起到重要支撐作用。

(3)配置機器人實驗設(shè)備

信息工程學(xué)院機器人實驗室購買了廣茂達機器人、南京工業(yè)大學(xué)的示教——再現(xiàn)機器人、機器人足球小型組機器人等設(shè)備以及Matlab軟件，為開設(shè)機器人實驗提供了良好的實驗設(shè)備和環(huán)境。

(4)開展機器人實驗課程在上述實驗條件的基礎(chǔ)上，授課小組為智能科學(xué)與技術(shù)、計算機師范和非師范專業(yè)已經(jīng)開設(shè)過累計4學(xué)期以上的實驗，積累了實踐教學(xué)的經(jīng)驗。

(5)開展機器人實驗科研

在已有設(shè)備的基礎(chǔ)上，積極指導(dǎo)學(xué)生開展學(xué)生科研和申請校級實驗室項目3項，指導(dǎo)學(xué)生參加Robtic機器人足球小型組比賽。我校學(xué)生在2007年Robtic機器人足球小型組比賽中獲得大學(xué)組第六名。拓展學(xué)生動手能力，培養(yǎng)學(xué)生探索精神。

3深入完善“智能機器人”實踐課程體系

我們一方面完善機器人實驗課程體系，在常規(guī)實驗教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實驗動手能力，使項目研究成果促進實驗教學(xué)質(zhì)量的提高，進一步改革實驗教學(xué)。另一方面，在進行實驗教學(xué)時即可根據(jù)學(xué)生的特點和能力進行個性化教學(xué)和培養(yǎng)，在掌握基本技能的同時充分發(fā)揮學(xué)生的能動性和主體性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

3.1實驗教學(xué)研究

在實驗課程體系建設(shè)過程中，注重實驗的選擇和比較，形成完善的實驗手冊。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)是使學(xué)生掌握相關(guān)的實驗方法和技術(shù)，并利用這些方法對理論課的內(nèi)容進行驗證，加深和鞏固理論知識。這些固然重要，但卻在客觀上造成了學(xué)生缺乏思考的后果，對于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新精神極為不利。因此，完善機器人實驗課程的宗旨是，既要讓學(xué)生能夠掌握有關(guān)的技術(shù)，鍛煉學(xué)生的動手能力，又能夠開發(fā)學(xué)生科學(xué)研究的潛力，鍛煉和培養(yǎng)他們的創(chuàng)造力。

3.2基于硬件設(shè)備的實驗內(nèi)容研究

首先，利用已有的實驗設(shè)備——廣茂達能力風暴大學(xué)版機器人和創(chuàng)新模塊、南京工業(yè)大學(xué)的示教——再現(xiàn)機器人、機器人足球小型組機器人等設(shè)備，進行機器人的控制系統(tǒng)實驗、感覺系統(tǒng)實驗、機器人離線編程實驗、機器人軌跡規(guī)劃等實驗改革，按照“由淺入深、循序漸進”的方式編寫程序，使學(xué)生對機器人課程知識的融會貫通，讓學(xué)生學(xué)會提出問題、分析和解決問題，不斷提高實踐能力和創(chuàng)新能力。

圖1是某個學(xué)生小組花了5個實驗課時，利用廣茂達能力風暴大學(xué)版機器人和創(chuàng)新模塊所搭建的“三自由度自動加工機床”，學(xué)生們從實踐中檢驗了所學(xué)的理論，體驗到成功的喜悅!

3.3基于Matlab軟件的實驗內(nèi)容研究

Matlab是一種編程語言，科學(xué)計算功能強大。在國外，

尤其是美國，早在八十年代末期，各著名大學(xué)已開設(shè)MATLAB課程。本項目添加了利用Matlab軟件進行的實驗設(shè)計，解決機器人數(shù)學(xué)問題，即對機器人學(xué)中的空間描述和變換、操作臂運動學(xué)、操作臂逆運動學(xué)、速度和靜力、操作臂動力學(xué)、操作臂的機械設(shè)計等數(shù)學(xué)問題進行實驗建設(shè)，利用Matlab的Robotics工具箱檢查運行結(jié)果，并引導(dǎo)學(xué)生對實驗結(jié)果進行討論，激發(fā)學(xué)生學(xué)習機器人理論的興趣，克服他們對數(shù)學(xué)的恐懼。

3.4課程設(shè)計研究

進行課程設(shè)計研究，把課程設(shè)計引入到機器人課程實驗中來。課程設(shè)計是真正將所學(xué)知識應(yīng)用于實踐的一次檢驗。教師鼓勵學(xué)生幾人一組，對某一感興趣的機器人課題進行調(diào)研，用所學(xué)知識進行改進，自行創(chuàng)新設(shè)計。例如，在“智能機器人”實驗課程上，學(xué)生每兩人或三人為一小組，給出課程設(shè)計的提綱，每組完成后進行答辯和演示，其他小組進行提問，答辯的問題涉及從總體方案到計算等，學(xué)生走到講臺上講自己的構(gòu)想，包括評價自己設(shè)計的不足，還可能怎么創(chuàng)新等，最后進行總體評價。因此，課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生能力，特別是創(chuàng)新能力的好機會。

3.5評價標準研究

改變以前根據(jù)幾個實驗報告或數(shù)據(jù)給成績的單一實驗評分方法。在實踐的每一個環(huán)節(jié)，包括提出問題、解決問題、答辯、演示、問題解答等，都對每個學(xué)生的能力有所評價，在指導(dǎo)過程中考察學(xué)生的設(shè)計水平，在答辯過程中發(fā)掘?qū)W生的發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，建立能真實反映學(xué)生實踐水平的評價標準。

3.6靈活多樣的實踐學(xué)習方式

由于“智能機器人”實踐內(nèi)容較多、實驗難度較高，僅僅18課時的實驗時間是遠遠不夠的。因此，除了在學(xué)校統(tǒng)一安排實驗課時外，每周安排固定時間開放實驗室，歡迎學(xué)生在開放時間內(nèi)繼續(xù)完成沒有做完的實驗或者進行自主實驗設(shè)計等，同時安排老師指導(dǎo)。

機器人技術(shù)的發(fā)展日新月異，為了讓學(xué)生了解新技術(shù)的發(fā)展狀況和水平，我們安排學(xué)生參觀機器人展覽，親眼觀看機器魚、機器狗、仿人機器人等產(chǎn)品，旁聽與機器人技術(shù)相關(guān)的學(xué)術(shù)會議，提高學(xué)生對機器人技術(shù)發(fā)展的感性認識，提高學(xué)生對機器人課程的熱愛程度。

其他實踐學(xué)習方式還包括參加機器人競賽、進行機器人畢業(yè)設(shè)計、進行機器人專業(yè)實習等。

4結(jié)論

通過“智能機器人”實踐課程建設(shè)，我們將建立完善的機器人實驗課程體系，包括實驗教學(xué)改革研究、完善基于硬件設(shè)備的機器人實驗建設(shè)、基于Matlab的機器人實驗建設(shè)、機器人課程設(shè)計建設(shè)以及實踐評價標準建設(shè)，從而促進機器人實踐教學(xué)發(fā)展，使學(xué)生對機器人課程知識融會貫通，讓學(xué)生學(xué)會提出問題、分析和解決問題，不斷提高實踐能力和創(chuàng)新能力；使學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力不斷提高，促進實踐教學(xué)的發(fā)展。