研究生機(jī)器人課程教學(xué)改革探索

宮赤坤　匡毅　張吉祥　夏平

【摘 要】機(jī)器人課程是面向高等學(xué)校機(jī)械工程學(xué)科研究生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是一門培養(yǎng)學(xué)生具有設(shè)計(jì)和使用方面基礎(chǔ)知識的專業(yè)課程。根據(jù)本校機(jī)器人課程特點(diǎn)與借鑒其他院校教學(xué)改革的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合研究生的教學(xué)定位，對機(jī)器人課程教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，指出目前在教學(xué)過程中存在的主要問題。通過教學(xué)方法和手段的改進(jìn)，顯著提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，提高學(xué)生學(xué)以致用的能力和素質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器人；教學(xué)方法；改革探索

Exploration on Teaching Reform of Graduate Robot Course

GONG Chi-kun KUANG Yi ZHANG Ji-xiang XIA Ping

（Mechanical Engineering College of University of Shanghai for Science and Technology ，Shanghai 200093，China）

【Abstract】Robot course is a professional basic course for graduate students of mechanical engineering. It is a professional course to cultivate students with basic knowledge of the design and use of the robot .According to the characteristics of courses in our school， the advanced experience of teaching reform of other colleges and the teaching orientation of graduate students， analyse the status of the teaching of robot course and point out the main problems existing in the current. Through the improvement of teaching methods， It can improve students learning enthusiasm and initiative， improve the studentscommunicative ability and quality.

【Key words】Robot；Teaching method；Reform and exploration

0 引言

機(jī)器人技術(shù)是近年來各國研究的熱點(diǎn)之一，它所涉及的領(lǐng)域十分廣泛，包括機(jī)械學(xué)，計(jì)算機(jī)科學(xué)，自動控制，人工智能等一系列學(xué)科，是自動控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)，先進(jìn)制造等集成的典型技術(shù)代表，在農(nóng)業(yè)，工業(yè)，國防，太空以及海洋探索等眾多領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用。

為適應(yīng)科學(xué)發(fā)展和新世紀(jì)國家對機(jī)器人人才的發(fā)展要求，原有的教學(xué)方法已很難適應(yīng)培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維的高素質(zhì)人才的需要。本文結(jié)合十幾年教學(xué)過程中不斷積累的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和我校培養(yǎng)學(xué)生的總體目標(biāo)，以培養(yǎng)創(chuàng)新人才為出發(fā)點(diǎn)，立足于科研教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的系統(tǒng)性，基礎(chǔ)性，綜合性和創(chuàng)新性，改變傳統(tǒng)的教師單一授課模式，將傳統(tǒng)的課程進(jìn)行重組與優(yōu)化，增開實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，提出一系列教學(xué)改革方法。

1 課程介紹及培養(yǎng)目標(biāo)

本校的機(jī)器人課程一般安排在研究生的第一年級，是一門系統(tǒng)介紹機(jī)器人的基礎(chǔ)課程，其內(nèi)容及學(xué)時安排如下表1所示：

由表1[1]可看出本課程主要講述機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)，運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)，軌跡規(guī)劃，控制系統(tǒng)，語言與編程等，所要求掌握的知識點(diǎn)相當(dāng)廣泛。

從國家對研究生的知識，能力和素質(zhì)培養(yǎng)與協(xié)調(diào)發(fā)展的教學(xué)要求出發(fā)，課程內(nèi)容注重理論系統(tǒng)性和實(shí)際工程應(yīng)用性的緊密結(jié)合。通過本課程的學(xué)習(xí)，要求研究生理解掌握機(jī)器人的基礎(chǔ)理論知識以及初步的工程應(yīng)用能力，掌握典型機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，運(yùn)動學(xué)，動力學(xué)理論，機(jī)器人的驅(qū)動方法和控制技術(shù)并能進(jìn)行機(jī)器人編程。培養(yǎng)研究生獨(dú)立思考和分析問題的能力，不僅讓學(xué)生充分全面的掌握機(jī)器人系統(tǒng)的理論知識，而且具有一定的解決問題的能力，使得學(xué)生能夠在較短的時間內(nèi)掌握機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用技術(shù)，為今后從事機(jī)器人的相關(guān)研究工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 當(dāng)前機(jī)器人課程教學(xué)現(xiàn)狀

2.1 學(xué)科交叉覆蓋面廣，授課傳統(tǒng)學(xué)生缺乏思考

機(jī)器人課程具有非常強(qiáng)的學(xué)科交叉特點(diǎn)，課程綜合性和理論性強(qiáng)，難度大，對學(xué)生的數(shù)學(xué)，力學(xué)，控制理論，測試技術(shù)，機(jī)械學(xué)等先導(dǎo)課程的掌握程度要求較高，而且課程各章節(jié)之間內(nèi)容相對比較獨(dú)立，由本體結(jié)構(gòu)到運(yùn)動學(xué)，由運(yùn)動學(xué)到控制，很難找到一個貫穿的主線，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中搞不懂機(jī)構(gòu)的運(yùn)行原理，加之學(xué)時短，學(xué)生學(xué)習(xí)起來普遍感覺晦澀難懂，這在很大程度上削減了同學(xué)的學(xué)習(xí)熱情和積極性。

通過先前的實(shí)踐，表明沿用傳統(tǒng)的老師在上講，學(xué)生在下聽的灌輸式授課方式，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足新時期研究生培養(yǎng)目標(biāo)的要求，現(xiàn)如今雖然在授課方式上采用了很多現(xiàn)代化的多媒體教學(xué)，大大減少了老師體力勞動，提高老師教學(xué)效率，凸顯老師的作用，但是傳統(tǒng)的灌輸做法還是一成不變，學(xué)生還是被動的接受知識，無法在課堂上與老師積極互動，讓學(xué)生根本沒有空余時間進(jìn)行獨(dú)立思考，一堂課下來學(xué)生對授課內(nèi)容都沒有印象，學(xué)生對知識的掌握無法深入透徹，教學(xué)效果大打折扣。

2.2 重視課堂輕視動手能力

機(jī)器人課程對學(xué)生自我動手要求較高，是一門凸顯學(xué)生主體的課程，然而現(xiàn)實(shí)授課的過程中老師比較側(cè)重理論部分實(shí)踐環(huán)節(jié)相對薄弱，甚至根本無實(shí)踐，這對研究生掌握機(jī)器人技術(shù)來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，不能從根本上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，無法從實(shí)際上改變學(xué)生從旁觀者提高到參與者，使學(xué)生具有實(shí)際解決問題的能力。

3 改革探索

針對上述提到的目前在教學(xué)中存在問題，根據(jù)國家以及學(xué)校對本課程的辦學(xué)要求和目標(biāo)，結(jié)合本課程的特點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)情況，總結(jié)自身教學(xué)與借鑒其他院校教學(xué)改革的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，提出如下教學(xué)改革措施，并在實(shí)際教學(xué)過程中加以應(yīng)用，取得一定的效果。

3.1 貫穿主線突出重點(diǎn)，采用現(xiàn)場教學(xué)

針對目前由于機(jī)器人課程學(xué)時安排較少，機(jī)器人涉及到的知識點(diǎn)較多，綜合性較強(qiáng)，老師在教學(xué)的過程中要根據(jù)實(shí)際合理安排課程，向?qū)W生指出貫穿各章節(jié)的主線，講解各知識點(diǎn)的前因后果，突出重點(diǎn)。可以將教學(xué)內(nèi)容大致分為三個部分，如圖1所示[2]：

（1）機(jī)械部分。機(jī)械是機(jī)器人的基礎(chǔ)，機(jī)械原理是學(xué)生對機(jī)器人的第一印象，它是由一系列連桿，關(guān)節(jié)或其他形式的運(yùn)動副組成。

（2）傳感部分。傳感器是用于機(jī)器人自身與外界交流，是獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息，通過此設(shè)備可以更好的操控機(jī)器人。

（3）控制部分?？刂撇糠值娜蝿?wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號，支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成規(guī)定的運(yùn)動和功能。

在講解基礎(chǔ)理論時，老師應(yīng)當(dāng)在多年教學(xué)實(shí)踐基礎(chǔ)上加以總結(jié)提煉，爭取在課時較緊的情況下把理論內(nèi)容教給學(xué)生，在講解新的知識點(diǎn)前，通過多媒體技術(shù)改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，制作集文字，圖文，聲音，動畫為一體的課件。可將教學(xué)內(nèi)容生動直觀表現(xiàn)出來，化抽象為直觀，在講解每個章節(jié)時，適當(dāng)引入相關(guān)知識的前沿進(jìn)展，最新的科研成果，既擴(kuò)大學(xué)生的知識面，又提高學(xué)生的興趣。同時在對這三大組成部分的講解之前，老師可以要求學(xué)生充分利用學(xué)校圖書館，便捷的網(wǎng)絡(luò)資源等優(yōu)勢，進(jìn)行一定量的關(guān)于機(jī)器人知識的閱讀。

在條件允許的情況下，現(xiàn)場教學(xué)可以大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以當(dāng)下實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有著名的kuka機(jī)器人為講解案例，如圖2所示[3]：

采用現(xiàn)場教學(xué)方法，把課堂搬到實(shí)驗(yàn)室，在現(xiàn)場結(jié)合機(jī)器人實(shí)物。在講解案例的過程中要緊密聯(lián)系理論知識與實(shí)際機(jī)器人的一一對應(yīng)，目的是引導(dǎo)學(xué)生將課堂理論與應(yīng)用實(shí)際有機(jī)結(jié)合在一起。機(jī)器人中的有些內(nèi)容和概念比較抽象，晦澀難懂，比如機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)中的位姿表示，坐標(biāo)系的建立等，學(xué)生理解起來比較困難，首先由教師提出問題，讓學(xué)生通過對實(shí)際物理機(jī)器人的深入觀察，帶著問題去思考。然后由教師結(jié)合機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動對每個機(jī)器人所涉及到的基礎(chǔ)概念進(jìn)行講解，最后讓學(xué)生交流討論。由于實(shí)際無力機(jī)器人就是同學(xué)們身邊的，拉近了理論知識與學(xué)生的距離，能夠激發(fā)學(xué)生積極思考，增加學(xué)生的興趣，同時又能提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

3.2 運(yùn)用實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生動手能力

老師要提倡學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的過程中的培養(yǎng)積極動手的能力，在動手的過程中增強(qiáng)感性認(rèn)識，為此，提出建立提高學(xué)生動手能力的3個層次實(shí)踐體系[4]。認(rèn)知層：以研究生已具有的的電子電路，單片機(jī)原理與應(yīng)用，傳感器檢測技術(shù)，PLC基礎(chǔ)等相關(guān)課程的基礎(chǔ)知識為基礎(chǔ)，例如設(shè)計(jì)一個簡單的十字路口交通信號燈，電機(jī)控制等實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動手能力。提高層：結(jié)合生活實(shí)際，從生活中設(shè)計(jì)幾個課題，讓學(xué)生自由分組，自由搭配，從上述題目中選出一個，獨(dú)自思考，親自動手，從理論到實(shí)踐完成一整套一個小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，做出完整的方案與實(shí)物，提高學(xué)生在動手過程中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力。綜合層：通過讓學(xué)生參加競賽的方式，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的緊迫感，比如學(xué)校舉行的科技節(jié)，國家省舉辦的挑戰(zhàn)杯等各種形式的競賽，讓學(xué)生在競賽的過程中通過互相交流學(xué)習(xí)加深對機(jī)器人課程的認(rèn)識。

在實(shí)踐教學(xué)過程中，大力增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用各種軟件的能力，安裝Adams，Matlab等仿真軟件，實(shí)踐教學(xué)中采用新的大量的軟件，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不受物理設(shè)備的限制，可大大增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時生動形象讓學(xué)生更好學(xué)習(xí)，提高教學(xué)效率。

4 總結(jié)

本文結(jié)合十幾年的實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，從提高研究生對機(jī)器人知識理解及運(yùn)用目標(biāo)出發(fā)，探索在研究生機(jī)器人課程教學(xué)過程中存在的問題和相應(yīng)的改革措施，將其運(yùn)用到實(shí)際教學(xué)過程中，取得了明顯的效果，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情得到極大激發(fā)，但提高教學(xué)質(zhì)量是教育工作者永無止境的追求，改革探索不可能一蹴而就，需要教師在教學(xué)過程中不斷發(fā)現(xiàn)新問題，不斷的改進(jìn)與完善。

【參考文獻(xiàn)】

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[4]董愛梅.以機(jī)器人為平臺大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系的研究與實(shí)踐[J].中外教育研究，2009.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]