智能機(jī)器人實(shí)踐課程自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究

馮士剛　齊倩蕊　張俊　劉洪波　魯明羽

摘要：針對智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生的知識(shí)特點(diǎn)和被動(dòng)式教學(xué)模式，基于智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)實(shí)踐，通過分析課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建、實(shí)驗(yàn)題目設(shè)計(jì)、課程評(píng)價(jià)體系等方面，探討如何在實(shí)踐教學(xué)中加強(qiáng)學(xué)生對智能機(jī)器人設(shè)計(jì)和搭建以及進(jìn)行自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的能力，為學(xué)生進(jìn)入智能機(jī)器人這個(gè)炙手可熱的職業(yè)領(lǐng)域打好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)器人；實(shí)踐課程；自主創(chuàng)新；教學(xué)模式

1背景

隨著社會(huì)生產(chǎn)技術(shù)飛速發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。當(dāng)前機(jī)器人的研究正處于第3代智能機(jī)器人階段，即機(jī)器人可把各類傳感器收集的信息展開融合，能較好地適應(yīng)不斷變化的工作環(huán)境，有非常強(qiáng)的學(xué)習(xí)、自洽和適應(yīng)能力?？梢哉f，智能機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)隨著智能科學(xué)與技術(shù)的迅猛發(fā)展而成為現(xiàn)代信息技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的典型代表，代表著一個(gè)國家高新技術(shù)發(fā)展的綜合水平。對于智能科學(xué)技術(shù)系的學(xué)生來說，智能機(jī)器人是一個(gè)極有發(fā)展前途的就業(yè)領(lǐng)域，然而當(dāng)前智能專業(yè)設(shè)置的課程與智能機(jī)器人技術(shù)的關(guān)聯(lián)性尚顯不足。智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科，學(xué)生有軟件編程知識(shí)背景的優(yōu)勢，而自動(dòng)化控制、機(jī)電、電子和腦認(rèn)知科學(xué)方面的知識(shí)較為薄弱。多年以來，我國的高等教育模式都是以傳授模式為主，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中處于被動(dòng)接受狀態(tài)，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)沒有主動(dòng)性和興趣，缺乏實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)，對所學(xué)的知識(shí)不能活學(xué)活用，畢業(yè)后缺乏實(shí)際工作所需的創(chuàng)新技能和動(dòng)手能力，因此學(xué)校必須開展實(shí)踐創(chuàng)新教育，改革實(shí)踐教學(xué)模式，合理建設(shè)智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。

2智能機(jī)器人實(shí)踐課程建設(shè)體系

2.1合理地建設(shè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在智能機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)中，我們重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生的個(gè)體特點(diǎn)和興趣愛好，給學(xué)生更大的自主學(xué)習(xí)空間。教師從原來以課堂講授為中心的“講解者”角色，轉(zhuǎn)化為學(xué)生自主學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者和學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的服務(wù)者；學(xué)生則由原來單純聽講、接受灌輸?shù)谋粍?dòng)地位，轉(zhuǎn)變?yōu)槟茏灾鲄⑴c、自主探究和自我發(fā)現(xiàn)的主體地位。這樣能充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，使他們不僅能快樂自由地主動(dòng)學(xué)會(huì)知識(shí)，還能體驗(yàn)自己的學(xué)習(xí)方法，實(shí)踐自我發(fā)現(xiàn)的過程。針對智能專業(yè)學(xué)生智能機(jī)器人硬件知識(shí)薄弱的特點(diǎn)，本著易用性、開源性和擴(kuò)展性原則，我們構(gòu)建4個(gè)分層次的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具體包括以下幾方面。

（1）智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具備智能移動(dòng)機(jī)器人30套，能滿足2個(gè)自然班（30人，下同）2人1組的需求，如圖1所示。智能移動(dòng)機(jī)器人是面向創(chuàng)新教育的新型教學(xué)平臺(tái)，有一個(gè)功能強(qiáng)大的微處理系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)并且還能擴(kuò)展聽覺、視覺和觸覺，成為真正意義上的智能機(jī)器人。此外，它還具有基于流程圖的編程語言和交互式C語言，為學(xué)生創(chuàng)新開發(fā)智能機(jī)器人項(xiàng)目、程序與算法等提供簡單又功能強(qiáng)大的平臺(tái)。

（2）設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具備20套教學(xué)機(jī)器人搭建套件，能滿足2個(gè)自然班3人1組的需求，如圖2所示。教學(xué)機(jī)器人搭建套件具備多種組件，包括伺服電機(jī)、伺服電機(jī)搖臂、板條形連接件、x形支架、電機(jī)架、斜U形搖臂、移動(dòng)基座、直u形搖臂、控制卡等，該設(shè)備采用基于總線的運(yùn)動(dòng)模塊，位置、速度、溫度和力矩均可反饋，學(xué)生可運(yùn)用C或VC++進(jìn)行全方位開發(fā)。

（3）教學(xué)自主創(chuàng)新綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具備智能機(jī)器人綜合創(chuàng)新套件20套，能滿足2個(gè)自然班3人1組的需求，如圖3所示。智能機(jī)器人綜合創(chuàng)新套件以“六面搭建、創(chuàng)意無限”為核心設(shè)計(jì)理念，以立方體為基礎(chǔ)點(diǎn)結(jié)構(gòu)件、以梁為基礎(chǔ)線結(jié)構(gòu)件和以平板為基礎(chǔ)面結(jié)構(gòu)件，融入現(xiàn)實(shí)生活的點(diǎn)、線、面幾何原理，配合結(jié)構(gòu)、機(jī)械、傳動(dòng)、電子、傳感器、控制等教學(xué)項(xiàng)目，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中對技術(shù)產(chǎn)生親近感，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手和創(chuàng)新能力，充分體現(xiàn)技術(shù)教育的獨(dú)特魅力。

（4）競賽研究性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的智能機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)智能滅火、智能循跡、智能探測、智能定位等功能，融合機(jī)器人視覺、語音、智能人機(jī)交互、虛擬現(xiàn)實(shí)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)、傳感器檢測、控制技術(shù)、系統(tǒng)集成等核心技術(shù)。學(xué)生通過學(xué)習(xí)和使用競賽研究性智能機(jī)器人，可熟悉國內(nèi)外機(jī)器人競賽形式，著重鍛煉對策略程序的設(shè)計(jì)并逐漸增加難度，體現(xiàn)由淺入深、層層深入的原則。開展校內(nèi)機(jī)器人設(shè)計(jì)競賽在提高課程學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)使學(xué)生對所學(xué)知識(shí)進(jìn)行綜合應(yīng)用，鍛煉學(xué)生解決實(shí)際問題的能力；同時(shí)組織學(xué)生參加國內(nèi)外的機(jī)器人競賽，通過與其他學(xué)校師生的交流，達(dá)到取長補(bǔ)短和共同提高的目的。

2.2循序漸進(jìn)地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目

智能機(jī)器人實(shí)踐課程能滿足學(xué)生課內(nèi)學(xué)習(xí)和課外活動(dòng)的需要，以多層次、模塊化及開放型的模式，讓學(xué)生經(jīng)歷從方案設(shè)計(jì)、選取材料、實(shí)物搭建到運(yùn)行任務(wù)這樣一個(gè)智能機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作的基本過程，提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力、動(dòng)手實(shí)踐能力和問題解決能力。針對學(xué)生的知識(shí)特點(diǎn)，我們基于3個(gè)教學(xué)性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)初級(jí)、中級(jí)和高級(jí)3套必做實(shí)驗(yàn)題目，以滿足基本的教學(xué)要求，同時(shí)還基于競賽研究性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置一部分拓寬與提高的選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為學(xué)生的自主研究與發(fā)揮留有足夠的空間，以滿足部分學(xué)生發(fā)揮興趣特長和個(gè)性發(fā)展的需求。基本必做項(xiàng)目在課內(nèi)完成，選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可在課外完成。初級(jí)實(shí)驗(yàn)題目見表1。

2.3開展自主創(chuàng)新性教學(xué)

智能機(jī)器人實(shí)踐課程以學(xué)生實(shí)踐操作、自主創(chuàng)新發(fā)揮為特色，采用分階段、分層次及課內(nèi)外結(jié)合的開放式教學(xué)模式，按照工程系統(tǒng)方法論的思路進(jìn)行，由相關(guān)學(xué)科的教師進(jìn)行多學(xué)科聯(lián)合指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)程包括以下4個(gè)階段。

（1）智能機(jī)器人認(rèn)識(shí)階段。該階段要求學(xué)生了解智能機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)、編程軟件及相關(guān)技術(shù)，認(rèn)識(shí)智能機(jī)器人工作的基本過程以及設(shè)計(jì)或搭建過程中所涉及的技術(shù)和方法。該階段內(nèi)容要求學(xué)生在課前預(yù)習(xí)和課后答疑期間完成，教師給予簡單指導(dǎo)。

（2）實(shí)驗(yàn)題目方案設(shè)計(jì)階段。該階段側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生對方案的構(gòu)思、比較、權(quán)衡、選擇、優(yōu)化及交流能力，注重對學(xué)生創(chuàng)新性思維及能力的培養(yǎng)。此階段由學(xué)生按照自己的興趣及能力在必做的3套實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中任選2個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)（同一小組成員不能選擇相同的題目），采用自主研究的方式，以項(xiàng)目組為單位，成員分工合作，進(jìn)行方案構(gòu)思、比較、權(quán)衡、選擇及交流。為提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，在設(shè)計(jì)過程中，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生提出多種設(shè)計(jì)方案。

（3）機(jī)器人設(shè)計(jì)或搭建階段。該階段主要要求學(xué)生根據(jù)自己提出的設(shè)計(jì)方案，以小組為單位，分工合作，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)程序，搭建并運(yùn)行智能機(jī)器人，完成實(shí)驗(yàn)題目中的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。在機(jī)器人執(zhí)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)時(shí)，要求學(xué)生錄制視頻并搭配解說。

（4）實(shí)驗(yàn)總結(jié)（實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫）階段。該階段以小組為單位開展討論并以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式對前3個(gè)階段的工作進(jìn)行展現(xiàn)和總結(jié)，要求每位學(xué)生各提交一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告中要明確指出其他小組成員在實(shí)驗(yàn)中的輔助工作內(nèi)容。總結(jié)階段的另一任務(wù)是機(jī)器人執(zhí)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)視頻的制作，視頻要求配備解說，以說明實(shí)驗(yàn)任務(wù)；還要總結(jié)設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)說明機(jī)器人設(shè)計(jì)和搭建中的自主創(chuàng)新性部分。

2.4構(gòu)建嚴(yán)格合理的考核評(píng)價(jià)體系

實(shí)驗(yàn)成績的考核評(píng)定以發(fā)展性評(píng)價(jià)為根本理念，既關(guān)注學(xué)生實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，又重視學(xué)生在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中的參與程度、操作水平、合作精神等狀況；側(cè)重考查學(xué)生對基本技能的掌握和運(yùn)用能力、創(chuàng)造性思維能力等。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)以下幾點(diǎn)。

（1）是否課前預(yù)習(xí)。依據(jù)學(xué)生對智能機(jī)器人設(shè)備的認(rèn)識(shí)程度，實(shí)驗(yàn)前要求學(xué)生提交預(yù)習(xí)報(bào)告，認(rèn)真預(yù)習(xí)者得滿分，預(yù)習(xí)不充分者得一半分，不預(yù)習(xí)者不得分。

（2）實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性和熟練性。依據(jù)學(xué)生課堂現(xiàn)場操作機(jī)器人的狀況，操作規(guī)范熟練者得滿分，規(guī)范性或熟練性不夠者得一半分，操作不規(guī)范、不熟練者不得分。

（3）實(shí)驗(yàn)的完成情況。依據(jù)課堂演示和機(jī)器人運(yùn)行視頻，完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)者得滿分，基本完成者得一半分，沒有完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的學(xué)生不得分。

（4）實(shí)驗(yàn)報(bào)告的科學(xué)性和規(guī)范性。依據(jù)學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告完整翔實(shí)者得滿分，實(shí)驗(yàn)報(bào)告不完整、內(nèi)容膚淺的學(xué)生得一半分，實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容缺失嚴(yán)重或者大部分抄襲他人的學(xué)生不得分。

（5）實(shí)驗(yàn)自主創(chuàng)新性。依據(jù)學(xué)生提交的機(jī)器人運(yùn)行視頻，在完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的基礎(chǔ)上還有自主創(chuàng)新內(nèi)容的學(xué)生得滿分，實(shí)驗(yàn)無自主創(chuàng)新但能較清楚地?cái)⑹鰧?shí)驗(yàn)過程中遇到的問題和解決方法的學(xué)生得一半分，無任何自主創(chuàng)新者不得分。

3教學(xué)成果

依據(jù)智能機(jī)器人實(shí)踐課程建設(shè)體系，我們在2014年和2015年秋季學(xué)期針對智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)開設(shè)智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)課程，取得了良好的教學(xué)效果。

3.1學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)得到加強(qiáng)

開展智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的意義在于重體驗(yàn)、求過程、嘗試中經(jīng)歷，做中學(xué)、學(xué)中做、實(shí)踐中提高。在課程開展過程中，我們強(qiáng)調(diào)學(xué)生是實(shí)驗(yàn)課程的主體，學(xué)生自行選題，自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)題目的設(shè)計(jì)與實(shí)施，鼓勵(lì)學(xué)生自主探究解決問題的方法并得出結(jié)論；教師只在實(shí)驗(yàn)題目設(shè)計(jì)、機(jī)器人運(yùn)行原理和操作、編程方法論證方面為學(xué)生提供咨詢和指導(dǎo)，不過多介入實(shí)驗(yàn)過程。在實(shí)驗(yàn)考核方面，我們特別注重對自主創(chuàng)新內(nèi)容的評(píng)價(jià)。我們在實(shí)驗(yàn)的過程中實(shí)現(xiàn)學(xué)生技術(shù)學(xué)習(xí)方式的多元化，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦特別是手腦結(jié)合的能力，極大地加強(qiáng)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)，如學(xué)生在完成智能機(jī)器人軌跡運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的基礎(chǔ)上，給機(jī)器人搭建手臂，使機(jī)器人在運(yùn)行過程中會(huì)揮動(dòng)手臂，成為檢閱機(jī)器人；學(xué)生在完成紅綠燈、傳送帶和自動(dòng)小車3個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的基礎(chǔ)上，能夠綜合運(yùn)用3個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的功能，形成一個(gè)貨物運(yùn)輸系統(tǒng)，如圖4所示。

3.2學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)得到加強(qiáng)

科學(xué)家和教育學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，如果學(xué)生置身于自己喜歡的活動(dòng)中，需要解決問題的難度又正好合適，符合他們目前的知識(shí)水平，那么學(xué)習(xí)就會(huì)像呼吸一樣自然。我們在選擇課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目時(shí)，充分考慮學(xué)生的知識(shí)特點(diǎn)，使構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)易學(xué)易用且具有良好的擴(kuò)展性和開源性，同時(shí)配備簡單易學(xué)的基于流程圖的交互式c語言編程平臺(tái)；將題目設(shè)計(jì)得難易結(jié)合，令學(xué)生可自主選擇題目。課程教學(xué)進(jìn)行時(shí)，教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況及時(shí)給予鼓勵(lì)和引導(dǎo)，避免學(xué)生因?qū)σ恍┯布蛙浖夹g(shù)產(chǎn)生疑問卻得不到解決而失去實(shí)驗(yàn)興趣。在我們精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)題目的指引下，學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)的過程中能夠主動(dòng)擴(kuò)展工科知識(shí)學(xué)習(xí)范圍，并且極大地加強(qiáng)了電子、自動(dòng)化、機(jī)械、材料、計(jì)算機(jī)硬件、軟件設(shè)計(jì)等知識(shí)儲(chǔ)備。

3.3學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)得到加強(qiáng)

智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)課程是分組進(jìn)行的，每組2～3人，實(shí)驗(yàn)小組由學(xué)生自由組建。實(shí)驗(yàn)采用小組分工合作的方式，一人為主，兩人為輔，采用小組討論的方式解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問題。我們除了設(shè)計(jì)3套必做實(shí)驗(yàn)題目外，還設(shè)計(jì)選做的競賽性實(shí)驗(yàn)題目。每次課程結(jié)束后我們都開展一次“智航杯”智能設(shè)計(jì)競賽，讓學(xué)生親身參與比賽，既提高他們的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題能力，又加強(qiáng)其團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和集體榮譽(yù)感，讓學(xué)生沒有走出校門就“高人一籌”，畢業(yè)后能更好地勝任所擔(dān)任的社會(huì)角色。

4結(jié)語

針對智能專業(yè)學(xué)生的知識(shí)特點(diǎn)和被動(dòng)式的教育模式，我們設(shè)計(jì)了能夠激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新意識(shí)的智能機(jī)器人實(shí)踐課程體系。2014年和2015年兩個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐表明，該課程體系取得了良好的效果。學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)課程后，自主創(chuàng)新意識(shí)、自動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)都得到很大程度的加強(qiáng)。今后的教學(xué)實(shí)踐中，如何更好地選擇實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、更合理地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目以及更有效地改善教學(xué)模式，以達(dá)到教學(xué)相長，提高學(xué)生自主創(chuàng)新、科學(xué)實(shí)踐和自主建構(gòu)知識(shí)的能力，還要進(jìn)一步探討。

（編輯：宋文婷）