森林工程專業(yè)的機器人技術(shù)基礎(chǔ)課程改革研究

歷美岑，辛 穎

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

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森林工程專業(yè)的機器人技術(shù)基礎(chǔ)課程改革研究

歷美岑，辛 穎*

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

摘要機器人技術(shù)基礎(chǔ)是東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院森林工程專業(yè)的選修課，是機械、電子、控制、檢測、通信和計算機相關(guān)知識的有機融合。筆者結(jié)合森林工程專業(yè)的辦學(xué)定位，分析該課程在森林工程教學(xué)中的作用和現(xiàn)狀，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、課程學(xué)習(xí)評價等方面，提出了機器人技術(shù)基礎(chǔ)的課程改革辦法。這些改革辦法的實施不僅培養(yǎng)了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，還適應(yīng)了社會發(fā)展對復(fù)合型人才的需求，也提高了整個課程的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞機器人技術(shù)基礎(chǔ)；課程改革；森林工程

森林工業(yè)機器人的研究在我國林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展中具有十分重要的地位，已完成的國家“863”項目“林木球果采集機器人”“伐根清理機器人”和“旋切智能定心上木機器人”等已經(jīng)得到應(yīng)用[1]。隨著機器人技術(shù)的迅速發(fā)展，機器人技術(shù)方面的基礎(chǔ)知識不僅是森林工程專業(yè)對學(xué)生進行能力培養(yǎng)的重要內(nèi)容之一，而且逐步成為森林工程專業(yè)綜合實踐課程的良好載體。

機器人技術(shù)基礎(chǔ)是森林工程專業(yè)的專業(yè)選修課，是機械、電子、控制、檢測、通信和計算機知識的有機融合。該課程注重將機器人基礎(chǔ)理論與應(yīng)用相結(jié)合，力求反映國內(nèi)外機器人研究領(lǐng)域的新進展。開設(shè)該課程的目的是讓學(xué)生能夠獲得有關(guān)機器人的基本理論、知識和技能，結(jié)合實際案例，使學(xué)生能自行設(shè)計簡單的機器人系統(tǒng)，進而鍛煉學(xué)生的工程實踐能力[2]，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力[3]，提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力[4]，為今后從事森林工程專業(yè)相關(guān)機械裝備工作、機器人設(shè)計與維護和攻讀碩士學(xué)位打下堅實的基礎(chǔ)。筆者就機器人技術(shù)基礎(chǔ)在森林工程教學(xué)中存在的問題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和課程學(xué)習(xí)評價3個方面的改革入手，以培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力為導(dǎo)向，提出課程改革的方案，并在教學(xué)實踐中進行了嘗試。

1教學(xué)目標(biāo)

1.1使學(xué)生獲得機器人的理論知識學(xué)生通過機器人技術(shù)基礎(chǔ)課程可以學(xué)到關(guān)于機器人運動學(xué)、機器人動力學(xué)、機器人控制、機器人軌跡規(guī)劃、傳感器等理論知識。對這些機器人方面基礎(chǔ)知識的掌握有助于學(xué)生進行更深入的學(xué)習(xí)。

1.2培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力學(xué)生掌握理論知識后，更應(yīng)該注重實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。機器人技術(shù)基礎(chǔ)課程涉及很多實驗內(nèi)容，需要學(xué)生動手操作，以鍛煉學(xué)生的實踐能力。該課程要求學(xué)生在學(xué)習(xí)完成后，可以自行設(shè)計出簡單的機器人系統(tǒng)，在此過程中鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新能力，進而提高了學(xué)生的綜合設(shè)計能力。

1.3為學(xué)生以后從事相關(guān)工作打下基礎(chǔ)森林工程的畢業(yè)生中有部分會選擇機械類的工作，因其學(xué)習(xí)了機器人的基礎(chǔ)知識和綜合設(shè)計內(nèi)容，已經(jīng)具備從事相關(guān)工作的基本能力。所以，學(xué)生通過對該課程的學(xué)習(xí)，掌握了機器人技術(shù)的理論知識，并通過實驗環(huán)節(jié)提高了綜合設(shè)計能力，這兩個方面都為學(xué)生以后從事相關(guān)工作打下了堅實的基礎(chǔ)。

2教學(xué)現(xiàn)狀

2.1教學(xué)手段不夠完善學(xué)生接受信息的途徑不斷增多，不同階段學(xué)生的特點也不同。機器人技術(shù)不斷發(fā)展，知識也在不斷更新，這些因素都給教師的授課方式提出了更高的要求，需要不斷更新和完善教學(xué)方法。因此，探索新的教學(xué)方法勢在必行。

2.2相應(yīng)的課程網(wǎng)站建設(shè)不足在互聯(lián)網(wǎng)如此發(fā)達的時代，很多學(xué)生會從互聯(lián)網(wǎng)獲取學(xué)習(xí)資源。該課程在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面并沒有對應(yīng)的網(wǎng)站或網(wǎng)上資源，不能實現(xiàn)學(xué)生和教師的資源共享。為了加強教學(xué)資源共享，完善教師和學(xué)生的網(wǎng)上互動答疑、討論，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，與機器人技術(shù)基礎(chǔ)課程相對應(yīng)的網(wǎng)站建設(shè)是十分必要的。

2.3教學(xué)研究力度不夠教師對該課程的研究力度直接決定了學(xué)生的知識接受程度，而目前教師對于該課程的研究力度的現(xiàn)狀就是缺乏高水平的教研論文，這就對授課教師提出了更高的要求。授課教師應(yīng)該通過外出學(xué)習(xí)等方式加深對該課程的研究，發(fā)表出高水平的教研論文來提高對該課程的研究水平，進而給學(xué)生帶來更好的學(xué)習(xí)體驗。

3課程改革辦法

課堂理論知識的講授可以使學(xué)生的認識、能力、技能等得到全面發(fā)展。為了使學(xué)生更好地接受課程相關(guān)知識，授課教師在教學(xué)過程中采用了多樣化的教學(xué)方法，完善了教學(xué)方式，更新了教學(xué)內(nèi)容。例如該課程會在整個教學(xué)過程中采用案例式的教學(xué)手段，結(jié)合SCARA型教學(xué)機器人樣機和森工特種機器人，對機器人進行系統(tǒng)講解。這些具體的參照模型都會使學(xué)生在學(xué)習(xí)中收獲更好的學(xué)習(xí)效果。教師從運動學(xué)建模、運動學(xué)分析、運動規(guī)劃等方面，分別以實際案例結(jié)合每章的設(shè)計項目問題對SCARA機器人進行系統(tǒng)、詳細的講解。教師在教學(xué)過程中還采用了交互式提問、類比等方式，這些方法不僅可以鼓勵學(xué)生獨立思考、大膽質(zhì)疑，發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，加強分析討論，還可以培養(yǎng)學(xué)生研究型學(xué)習(xí)的理念。

3.1教學(xué)方法改革

3.1.1采用案例式、討論式教學(xué)方法。教師對機器人技術(shù)基礎(chǔ)課程的授課內(nèi)容和方式進行了改革與創(chuàng)新實踐，在授課過程中，注重知識的更新，增加機器人的熱點知識，讓學(xué)生能夠掌握機器人的最新動態(tài)。在教學(xué)過程中，教師采用案例教學(xué)法、討論式教學(xué)法等，采用課堂講授、討論、自學(xué)等多樣化教學(xué)方法與多環(huán)節(jié)考評方法相結(jié)合，將森工特種機器人作為講授的案例，將森林工程的專業(yè)內(nèi)容與課程進行良好的融合。這種現(xiàn)代化教學(xué)手段可以更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。

3.1.2實施立體化教學(xué)，積極進行數(shù)字化資源建設(shè)。教師在課程中實施了理論課程、實踐教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)助學(xué)、課外研學(xué)四位一體的立體化教學(xué)模式。以理論教學(xué)為先導(dǎo)，理論課結(jié)束之后緊接著安排研究型、開放型的綜合性實踐環(huán)節(jié)，開展與課程相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)助學(xué)與課外研學(xué)活動，使得課程教學(xué)得到拓展和延伸?；诨埕~創(chuàng)意模型的機器人技術(shù)基礎(chǔ)實驗教學(xué)改革項目的實施，為機器人教學(xué)[5-9]與實驗教學(xué)方法改革[10-11]奠定了良好的基礎(chǔ)，為學(xué)生的個性化發(fā)展提供了空間。授課教師充分利用現(xiàn)代化教學(xué)手段，開發(fā)CAI課件和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，以提高機器人技術(shù)基礎(chǔ)課程的教學(xué)質(zhì)量。數(shù)字化教學(xué)資源設(shè)計與應(yīng)用是精品課程教學(xué)的重要保障。在課程建設(shè)過程中，主講教師積極進行課程網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，將課程教學(xué)資源全部上傳網(wǎng)絡(luò)，包括教學(xué)錄像、教學(xué)課件、教學(xué)大綱、習(xí)題等，為學(xué)生線上學(xué)習(xí)提供了很大的便利，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3.1.3完善師資隊伍，提高整體教學(xué)水平。森林工程教學(xué)團隊在教學(xué)方法上首先采取了“以老帶新，以新促老”的方法，提高了課程組的整體水平；其次，定期組織教學(xué)經(jīng)驗交流，通過集體備課和定期交流的方式，學(xué)習(xí)教學(xué)技巧，提升整體授課效果；再次，組織教師觀摩教學(xué)，相互聽課，及時指正教學(xué)中存在的問題和不足，促進青年教師教學(xué)水平的提高；最后實行了集體備課制度，使授課教師明確講課的內(nèi)容，熟悉和掌握每一個教學(xué)環(huán)節(jié)的要求和標(biāo)準。

3.2教學(xué)內(nèi)容改革

3.2.1重新設(shè)計課程內(nèi)容，完善課程體系。機器人技術(shù)基礎(chǔ)是為森林工程及相關(guān)專業(yè)開設(shè)的一門重要的專業(yè)選修課。隨著現(xiàn)代林業(yè)技術(shù)和機器人技術(shù)的發(fā)展，課程內(nèi)容和體系也必隨之改革和發(fā)展。機器人控制技術(shù)課程的培養(yǎng)目標(biāo)是鍛煉學(xué)生的工程實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力，提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力，而這些能力的培養(yǎng)需要貫穿于教學(xué)的全過程。所以森林工程教學(xué)團隊刪除了那些在教學(xué)內(nèi)容上為了保證課程系統(tǒng)性和理論完整性而安排的古典、抽象或深層次的知識內(nèi)容，及時把教學(xué)改革和教學(xué)研究成果及學(xué)科最新發(fā)展成果引入理論教學(xué)與實踐教學(xué)。在教學(xué)過程中，應(yīng)創(chuàng)造條件讓學(xué)生了解國內(nèi)外先進的機器人產(chǎn)品，以啟發(fā)創(chuàng)造性思維和激發(fā)創(chuàng)造欲望；讓學(xué)生對典型的機器人進行結(jié)構(gòu)、功能和控制原理分析，以便深入了解機器人；將所有章節(jié)的重點和難點均從案例中摘取出來，進行實例講解，用一個案例將所有的重點難點串到一起，在降低學(xué)習(xí)難度的同時加強知識學(xué)習(xí)的連貫性；讓學(xué)生對已有的機器人系統(tǒng)提出改進措施并進一步實現(xiàn)，形成一個完整、合理的培養(yǎng)過程。

3.2.2將教室搬到實驗室，積極開展現(xiàn)場教學(xué)。結(jié)合課程特點，在講授機器人結(jié)構(gòu)、機器人運動學(xué)和動力學(xué)等知識時，由教師帶領(lǐng)學(xué)生走進機器人實驗室，讓學(xué)生結(jié)合具體機器人進行實際分析。通過具體案例的講授與學(xué)生的實際分析，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使理論與實踐知識能夠很好地結(jié)合，使學(xué)生對知識點的掌握更加牢固。東北林業(yè)大學(xué)森林工程實驗教學(xué)中心的機器人實驗平臺開設(shè)了機器人設(shè)計型、創(chuàng)新型實驗，這些實驗都注重創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)，通過這些實驗可以有效提高學(xué)生的實際動手能力、分析和解決工程問題的能力。

3.2.3開發(fā)設(shè)計型、研究型實驗，為學(xué)生提供理論聯(lián)系實際的平臺。在對傳統(tǒng)實驗進行分析的基礎(chǔ)上，授課教師對實驗的內(nèi)容、方法和模式等進行了改革，將教學(xué)實驗重點放在設(shè)計型與研究型實驗的開發(fā)和建設(shè)上，因為這類實驗可以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。主講教師已對慧魚機器人的教學(xué)應(yīng)用進行了多年研究，指導(dǎo)近10篇本科畢業(yè)論文研究慧魚機器人的實驗方案，且實驗方案已經(jīng)比較成熟。因此，在機器人技術(shù)基礎(chǔ)課程實驗中增加設(shè)計型、創(chuàng)新型的慧魚機器人實驗是十分合理并可行的。慧魚機器人實驗等這類設(shè)計型、創(chuàng)新型實驗的加入會充分調(diào)動學(xué)生實驗的積極性，引導(dǎo)學(xué)生由被動走向主動學(xué)習(xí)，培養(yǎng)其動手能力，鍛煉分析問題和解決問題的能力。

3.3課程學(xué)習(xí)評價改革為了更加科學(xué)、合理地完成學(xué)生成績的考核工作，有效提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)效果，特制訂了該課程的考核原則：總成績由平時成績+實驗成績+階段考試成績+期末成績構(gòu)成。將學(xué)生分成小組，開展課外研學(xué)活動。計劃同步于課堂講授內(nèi)容，為學(xué)生布置一些相關(guān)的題目，讓學(xué)生利用課余時間和網(wǎng)絡(luò)資源查閱資料，了解相關(guān)的技術(shù)和研究進展，每組結(jié)合課程內(nèi)容要完成一個研究匯報，并在課堂上講解，學(xué)生與教師共同參與討論，該項作為平時成績之一。在階段考試和期末考試中，重點考察學(xué)生分析和解決問題的能力。

4結(jié)語

機器人技術(shù)基礎(chǔ)在森林工程專業(yè)中的教學(xué)作用不可忽視。學(xué)生通過對該課程的學(xué)習(xí)，不僅掌握了機器人相關(guān)的理論和技能，而且在一定程度上鍛煉了實踐能力和創(chuàng)新能力，總體上提高了綜合設(shè)計能力，更為今后從事機器人或其他機械相關(guān)工作打下了堅實的基礎(chǔ)。教學(xué)督導(dǎo)員、學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)、學(xué)院系主任等多次對該課程組織聽課，認為該課程教師的教學(xué)態(tài)度認真，課前準備充分，教學(xué)內(nèi)容充實，注重學(xué)生分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)，師生互動性強，使課堂從單純的知識型教學(xué)向注重工程實踐能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變，與此同時，學(xué)生關(guān)于機器人方面的知識和能力也得到了顯著提升，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性得到了調(diào)動，期末成績也得以大幅度提升。

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基金項目東北林業(yè)大學(xué)重點課程建設(shè)項目資助。

作者簡介歷美岑(1994- )，女，黑龍江雞西人，碩士研究生，研究方向：森林工程。*通訊作者，副教授，博士，從事森林工程研究。

收稿日期2016-04-20

中圖分類號S-01；S 77

文獻標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)15-257-02

Course Reform of Basic of Robot Technology Based on Forest Engeering

LI Mei-cen，XIN Ying*

(College of Engineering and Technology, Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040)

AbstractBasic of Robot Technology is an elective course of students in forest engineering, College of Engineering and Technology, Northeast Forestry University. And it is the organic integration of machinery, electronics, control, detection, communication and computer. According to the orientation of forest engineering, we analyzed the role and status of this course in teaching forest engineering, and then proposed the curriculum reform measures for Basic of Robot Technology from the aspects of teaching content, teaching methods and course evaluation. The implementation of these reform measures not only cultivated students' ability to analyze and solve problems, but also adapted to the needs of social development of compound talents, and also improved the teaching effect and teaching quality of the whole course.

Key wordsBasic of Robot Technology; Course reform; Forest engineering