“機(jī)器人技術(shù)”課程授課方法與考評(píng)體系設(shè)置研究

王新慶　高娟　崔學(xué)政　趙學(xué)進(jìn)　吳寶貴

摘要：針對(duì)“機(jī)器人技術(shù)”課程授課效果不理想的現(xiàn)狀，本文提出了一種基于實(shí)踐與項(xiàng)目創(chuàng)新的課程體系，并對(duì)相應(yīng)的考評(píng)方法進(jìn)行了研究。該授課方法以小組為單位，以學(xué)生的自我導(dǎo)向式理論學(xué)習(xí)方法為基礎(chǔ)；采用軟件仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的理實(shí)一體化授課方法，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)；引入以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為載體的創(chuàng)新能力培養(yǎng)方法，以深化理論知識(shí)，提高學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)仿真；實(shí)踐教學(xué)；考核方式

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）14-0162-02

“機(jī)器人技術(shù)”是一門工科類院校普遍開(kāi)設(shè)的公選課程，對(duì)激發(fā)學(xué)生的求知欲、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維具有重要作用。然而，一直以來(lái)教師往往采用“灌輸”式的教學(xué)方法，學(xué)生被動(dòng)接受[1]；理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)分別在兩個(gè)不同的空間和時(shí)間完成，學(xué)生往往“就題論題”，而到了實(shí)際運(yùn)用時(shí)完全不知道與實(shí)際問(wèn)題的關(guān)聯(lián)，再加上考核方式較為單一，很難考察學(xué)生的綜合素質(zhì)，也很容易“埋沒(méi)”一部分具有特長(zhǎng)的學(xué)生，更無(wú)法選拔優(yōu)秀學(xué)生。

一、課程教學(xué)內(nèi)容體系改革

本文之所以選擇“機(jī)器人技術(shù)”中相關(guān)的內(nèi)容為載體開(kāi)展研究，是因?yàn)閷?duì)于工科學(xué)生來(lái)說(shuō)機(jī)器人是最引人入勝的，兼具理論與實(shí)踐。課程授課方法主要涵蓋三方面內(nèi)容：課堂講授環(huán)節(jié)、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、項(xiàng)目創(chuàng)新設(shè)計(jì)及評(píng)比展示環(huán)節(jié)。

1.課堂講授環(huán)節(jié)。為了克服傳統(tǒng)教學(xué)采用的“灌輸式”授課方法，本文采用以學(xué)生為主體的自我導(dǎo)向式學(xué)習(xí)方法，從而既能夠兼顧不同學(xué)生的學(xué)習(xí)速度又允許學(xué)生在自己感興趣的方向上深入探索。在常規(guī)講課的基礎(chǔ)上，引入兩個(gè)模式：（1）個(gè)人專題模式。讓學(xué)生講解自己感興趣的機(jī)器人，培養(yǎng)學(xué)生查閱資料、歸納總結(jié)的能力，鍛煉學(xué)生的口頭表達(dá)能力。通過(guò)該方法可以彌補(bǔ)課程教材的滯后，豐富教學(xué)內(nèi)容，也有利于保持學(xué)生的興趣。每次課講15分鐘。該部分成績(jī)將作為期末考評(píng)的一部分。（2）小組競(jìng)爭(zhēng)模式。課堂上提出問(wèn)題，問(wèn)題主要圍繞每次課的重點(diǎn)內(nèi)容，小組討論得出答案，由于答案能夠在不同的小組之間及時(shí)分享，有利于形成一種小組內(nèi)的協(xié)作氛圍。

2.實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。由于機(jī)器人技術(shù)中理論較為抽象，學(xué)生普遍反映內(nèi)容枯燥，與機(jī)器人無(wú)法建立直觀的聯(lián)系。因此，本文通過(guò)實(shí)際工程應(yīng)用的剖析、講解幫助學(xué)生建立設(shè)計(jì)思維，為開(kāi)展“項(xiàng)目創(chuàng)新設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)”做準(zhǔn)備。具體采用兩種方法實(shí)施：（1）基于軟件仿真方法。軟件仿真在工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，相比于單純的理論講解，可以直觀動(dòng)態(tài)地進(jìn)行演示，又彌補(bǔ)了單純采用多媒體靈活性差的問(wèn)題，能夠極大地提高學(xué)生的認(rèn)知感受性[2]。以常用的工程軟件為主，例如SOLIDWORKS、MATLAB等，涵蓋了三維造型、控制仿真等。針對(duì)不同章節(jié)，本文擬編制相應(yīng)的演示程序，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)參，深化理論知識(shí)。演示程序見(jiàn)表1。

軟件仿真主要基于MATLAB Robotics Toolbox[3]，該工具箱由Peter Corke開(kāi)發(fā)，集成了典型機(jī)器人的模型，例如：SCARA，PUMA560等不同坐標(biāo)形式的機(jī)器人，并針對(duì)坐標(biāo)變換、正/逆運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、軌跡規(guī)劃等編制了相應(yīng)的M函數(shù)，進(jìn)而可以通過(guò)可視化、交互式控制界面方便地進(jìn)行機(jī)器人的建模及教學(xué)演示。以PUMA560機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)為例，只需輸入PUMA560，drivebot（p560）等簡(jiǎn)單命令即可生成PUMA560的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并可以實(shí)現(xiàn)如圖1所示的滑塊實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)方式。（2）基于實(shí)物演示方法。為了更為直觀地理解機(jī)器人的控制方法，本文搭建一套仿人機(jī)械手的控制平臺(tái)，見(jiàn)圖2。試驗(yàn)平臺(tái)為三關(guān)節(jié)仿人靈巧手指[4]，該手指可以簡(jiǎn)化為三連桿串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人，該手指采用直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，各關(guān)節(jié)處集成位置及力矩傳感器，可以提供位置/力控制或力/位混合控制所需的信息。該機(jī)械手指以FPGA/DSP為主控芯片，以基于PC機(jī)的Platform為軟件平臺(tái)，通過(guò)C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)不同的控制方法，并能夠?qū)崟r(shí)顯示各傳感器信息。

在該平臺(tái)基礎(chǔ)上，結(jié)合不同章節(jié)的內(nèi)容，安排了如表2所示的演示實(shí)驗(yàn)。

3.項(xiàng)目創(chuàng)新設(shè)計(jì)及評(píng)比展示環(huán)節(jié)。如何充分發(fā)揮每個(gè)學(xué)生的優(yōu)勢(shì)，協(xié)作完成一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作能力、溝通能力具有重要的意義。考慮到不同專業(yè)學(xué)生的先修知識(shí)不同，本文在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段分為兩個(gè)層次：基礎(chǔ)層次（機(jī)器人控制）與創(chuàng)新層次（自主設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)）。（1）基礎(chǔ)層次。需要學(xué)生基于現(xiàn)有的硬件試驗(yàn)平臺(tái)完成一項(xiàng)機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為圖2所示。（2）創(chuàng)新層次。需要學(xué)生獨(dú)立完成一項(xiàng)與機(jī)器人有關(guān)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可以采用現(xiàn)有的模塊搭建一套原理樣機(jī)；也可以完成一項(xiàng)機(jī)器人項(xiàng)目的原理驗(yàn)證、理論計(jì)算及撰寫研究報(bào)告等。完成該層次的學(xué)生一般具有一定的創(chuàng)新潛力。教師需要對(duì)選題進(jìn)行預(yù)審，因?yàn)殡y度過(guò)大的設(shè)計(jì)會(huì)影響學(xué)生的積極性。對(duì)本文選題主要圍繞機(jī)器人結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、傳感器應(yīng)用、數(shù)據(jù)采集算法編程及基本的位置/力控制編程等。

二、課程考核方式

將考核分解到日常教學(xué)中，既包括課堂知識(shí)，又涵蓋一定的課外知識(shí)；既包括理論，又強(qiáng)調(diào)實(shí)踐。具體成績(jī)分配如下：（1）兩次隨堂測(cè)驗(yàn)（每次占20%）；（2）5次課下作業(yè)（30%）；（3）5篇外文文獻(xiàn)閱讀，并就其中的一篇作口頭報(bào)告（10%）；（4）團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)項(xiàng)目研究報(bào)告/答辯（20%）；其中，團(tuán)隊(duì)合作項(xiàng)目要求為：不少于8分鐘的項(xiàng)目研究匯報(bào)、不少于5頁(yè)的研究性論文。具體評(píng)分方法如下：由于每個(gè)學(xué)生在項(xiàng)目中的貢獻(xiàn)不同，因此對(duì)其成績(jī)的評(píng)定也應(yīng)當(dāng)有差別。擬采用組間互評(píng)及小組內(nèi)互評(píng)的方法。組間互評(píng)采用五分制，評(píng)分依據(jù)見(jiàn)表3。

組間評(píng)分將作為小組內(nèi)成員的基本得分，在此基礎(chǔ)上采用組內(nèi)互評(píng)的方法來(lái)區(qū)別各組員的得分；按照名次給予階梯性的分差。設(shè)置的問(wèn)題如下：（1）參與項(xiàng)目的動(dòng)力有多大？（2）動(dòng)手能力有多大？（3）在項(xiàng)目中的創(chuàng)新性貢獻(xiàn)有多大？

三、教學(xué)改革授課效果的評(píng)價(jià)方法

一門課程改革是否有效，對(duì)授課效果的評(píng)價(jià)是重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)。本文擬采用調(diào)查問(wèn)卷的形式，設(shè)置的問(wèn)題如表4：

四、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文提出的課程體系及考核方式改革將有助于推動(dòng)學(xué)生發(fā)展更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度，提高自主學(xué)習(xí)及解決問(wèn)題的能力，以更大的熱情投入到學(xué)習(xí)中去，后期將通過(guò)課程的具體實(shí)施檢驗(yàn)本文所提出的方法。

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