培養(yǎng)應(yīng)用與創(chuàng)新能力的機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)設(shè)計(jì)

李尚榮 劉丹萍 李偉 吳其林

摘?要：針對研究生機(jī)器人學(xué)課程存在的應(yīng)用和創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足的問題，提出精簡理論內(nèi)容、提升實(shí)驗(yàn)效果、加強(qiáng)過程自主學(xué)習(xí)和基于效果導(dǎo)向和過程管控的多環(huán)節(jié)綜合考評等教學(xué)舉措。通過機(jī)器人實(shí)驗(yàn)與仿真教學(xué)培養(yǎng)研究生工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用能力，運(yùn)用探究性實(shí)驗(yàn)、典型機(jī)器人研究綜述的翻譯和課程論文寫作培養(yǎng)研究生的機(jī)器人創(chuàng)新能力。該課程教學(xué)設(shè)計(jì)有望為相近課程教學(xué)設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人學(xué)；創(chuàng)新；應(yīng)用能力

Teaching?Design?of?Robotics?Course?to?Cultivate?Application

and?Innovation?Ability

Li?Shangrong*?Liu?Danping?Li?Wei?Wu?Qilin

School?of?Advanced?Manufacturing?Engineering，Hefei?University?AnhuiHefei?230601

Abstract：In?view?of?the?problem?of?insufficient?application?and?innovation?ability?training?in?graduate?robotics?courses，teaching?measures?such?as?streamlining?theoretical?content，improving?experimental?effects，strengthening?process?independent?learning，and?multilink?comprehensive?evaluation?based?on?effect?orientation?and?process?control?are?proposed.Cultivate?graduate?students'?industrial?robot?application?ability?through?robot?experiment?and?simulation?teaching；Use?exploratory?experiments，translation?of?typical?robotics?research?reviews，and?course?paper?writing?to?cultivate?graduate?students'?robotics?innovation?capabilities.The?teaching?design?of?this?course?is?expected?to?provide?some?reference?for?the?teaching?design?of?similar?courses.

Keywords：Robotics；Innovation；Application?ability

智能制造是中國由制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)的必由之路，機(jī)器人是智能制造的重要裝備，也是驗(yàn)證人工智能的絕佳載體。機(jī)器人學(xué)涉及機(jī)械、電子、控制和計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科，具有理論多、難度高、多學(xué)科交叉等特點(diǎn)?，F(xiàn)有的教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)條件導(dǎo)致機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)尚存在若干不足［12］：（1）學(xué)生對課程前后認(rèn)可度差異大。初始大多興趣盎然，隨后知識難度增大和灌輸式教學(xué)過多，學(xué)生難以為繼。（2）學(xué)生的機(jī)器人應(yīng)用能力沒有得到有效培養(yǎng)。缺少機(jī)器人實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少于8學(xué)時(shí)，許多學(xué)生沒得到足夠的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練。（3）機(jī)器人理論與實(shí)際應(yīng)用存在一定的脫節(jié)。工業(yè)機(jī)器人的非開放性導(dǎo)致理論知識和應(yīng)用技能間缺少深度聯(lián)系。對工程專碩研究生還存在：（4）學(xué)生基礎(chǔ)差異大。本科專業(yè)不同，機(jī)器人基礎(chǔ)知識差異較大。（5）學(xué)習(xí)動(dòng)力不足。學(xué)生認(rèn)為機(jī)器人課程與自身課題可能關(guān)系不大，難以積極主動(dòng)學(xué)習(xí)。

為改善課程教學(xué)效果，謝斌等［3］、Tijani［4］等運(yùn)用MATLAB?Robotics?Toolbox在齊次坐標(biāo)變換、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)求解和軌跡規(guī)劃等內(nèi)容中開展仿真教學(xué)與創(chuàng)新。雷靜桃［5］基于多種機(jī)器人裝置，通過修訂教材、補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、增加機(jī)器人應(yīng)用工程實(shí)例等，采用項(xiàng)目教學(xué)法，結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等活動(dòng)，實(shí)施教學(xué)改革。戰(zhàn)強(qiáng)［67］從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考評方式三方面分析了目前課程教學(xué)存在的問題，并提出了具有建設(shè)性的課程改革方案。另外，還分析了中美多所著名高校的機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)實(shí)施情況，如：美國對本科生多采用“講解+實(shí)驗(yàn)+討論”授課形式，研究生階段開設(shè)“高級機(jī)器人學(xué)”等更深層次的課程，實(shí)驗(yàn)與課堂講解的學(xué)時(shí)比例在1∶1.5左右，而國內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)與講解的比例最高為1∶3.2，許多高校沒有實(shí)驗(yàn)課時(shí)。機(jī)器人學(xué)是機(jī)器人工程專業(yè)開設(shè)的一門重要課程，許多工程碩士生期望獲得機(jī)器人應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。基于多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，筆者提出理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)、仿真、課程論文等教學(xué)舉措，開展課程教學(xué)探索。

1?課程教學(xué)設(shè)計(jì)

機(jī)器人學(xué)課程知識一般包含：緒論、機(jī)器人結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、感知、控制、軌跡規(guī)劃和機(jī)器人應(yīng)用等，講授對象多為串聯(lián)型多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人。筆者采用的教學(xué)活動(dòng)有：理論課堂或線上教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、仿真、課程論文和綜述文獻(xiàn)翻譯等。理論、實(shí)驗(yàn)和仿真等教學(xué)主要培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)器人應(yīng)用能力，課程論文、研究綜述文獻(xiàn)翻譯、仿真大作業(yè)和探索性實(shí)驗(yàn)對學(xué)生的機(jī)器人創(chuàng)新能力培養(yǎng)有重要作用。

1.1?理論教學(xué)設(shè)計(jì)

總體思路是在經(jīng)典機(jī)器人學(xué)教材重點(diǎn)內(nèi)容基礎(chǔ)上，適當(dāng)降低理論深度，突出理論的理解和意義。主要從教材、教法、學(xué)時(shí)和考核等角度簡析為：（1）課程教材。主要參考蔡自興《機(jī)器人學(xué)》、熊有倫《機(jī)器人學(xué)：建模、控制與視覺》、John?J.Craig《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論》。（2）教法。采用微視頻、動(dòng)畫、圖片等形式，結(jié)合應(yīng)用實(shí)例、仿真或?qū)嶒?yàn)的結(jié)果，輔助理論教學(xué)。針對課程理論難點(diǎn)，設(shè)置課程研究論文，如：機(jī)器人奇異點(diǎn)分析與處理、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)多解的選擇等。（3）學(xué)時(shí)調(diào)整。從理論學(xué)時(shí)中分出若干學(xué)時(shí)，用于仿真、實(shí)驗(yàn)、課程論文撰寫等教學(xué)環(huán)節(jié)。如：增加2學(xué)時(shí)介紹Robotics?Toolbox和VREP仿真工具使用，布置仿真作業(yè)。使用2學(xué)時(shí)展示典型機(jī)器人研究綜述英文翻譯和課程論文等成果，結(jié)合論文寫作和文獻(xiàn)閱讀要領(lǐng)進(jìn)行點(diǎn)評。（4）考核方式。理論知識主要通過筆試、實(shí)驗(yàn)或仿真中涉及的理論知識提問等予以考核。

1.2?實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

利用工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，開展課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)和自主探索性實(shí)驗(yàn)。如表1所示，教學(xué)實(shí)驗(yàn)10學(xué)時(shí)，設(shè)置五個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每組3人左右，在實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等方面進(jìn)行差異化設(shè)置。自主探究性實(shí)驗(yàn)，如：“基于視覺的物體識別與檢測”“氣動(dòng)柔性手爪抓取異形物體”“協(xié)作機(jī)器人軸孔裝配力位混合控制”等，因難度較大，全部同學(xué)分成三組，利用開放實(shí)驗(yàn)室同組課余合作完成。

1.3?仿真教學(xué)設(shè)計(jì)

快速發(fā)展的仿真技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)為科學(xué)研究提供一種新的驗(yàn)證方法，為機(jī)器人課程教學(xué)提供一種新手段，也為缺少機(jī)器人設(shè)備難以開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一種替代解決方案。機(jī)器人仿真的軟件主要有通用軟件和專用軟件。通用軟件，如：MATLAB/Simulink或Robotics?Toolbox、VREP、Gazebo和OpenRAVE。專用軟件，主要是工業(yè)機(jī)器人制造公司提供的仿真軟件：如：ABB的Robot?Studio，KUKA的KUKA?Sim?Pro等。另外針對機(jī)器人相關(guān)應(yīng)用，還可采用基于網(wǎng)頁的遠(yuǎn)程仿真，如：國家虛擬仿真項(xiàng)目共享平臺［9］（http：//www.ilabx.com/）。筆者課程教學(xué)中，選擇Robotics?Toolbox（①）、VREP（②）和ABB的Robot?Studio（③）作為課后自主仿真練習(xí)的軟件。針對工業(yè)機(jī)器人的“運(yùn)動(dòng)學(xué)”“動(dòng)力學(xué)”“機(jī)器人控制”“軌跡規(guī)劃”等課程內(nèi)容，設(shè)置仿真練習(xí)過程考核大作業(yè)，撰寫仿真研究報(bào)告，展示仿真結(jié)果?？蓪W(xué)生按照3個(gè)仿真軟件進(jìn)行分組，每組有若干小組，每個(gè)小組不超過3人，根據(jù)三款仿真軟件設(shè)置仿真內(nèi)容和仿真大作業(yè)。

1.4?課程論文教學(xué)設(shè)計(jì)

機(jī)器人學(xué)教材主要以六關(guān)節(jié)串聯(lián)型機(jī)器人為分析的對象，其他非工業(yè)機(jī)器人正蓬勃發(fā)展，為拓展視野，了解機(jī)器人最新發(fā)展成果。設(shè)置機(jī)器人研究綜述翻譯和課程論文寫作。通過查閱常見幾類典型機(jī)器人的發(fā)展與研究綜述文獻(xiàn)、文獻(xiàn)翻譯和翻譯總結(jié)，訓(xùn)練學(xué)生文獻(xiàn)檢索、閱讀、整理和評述的方法和能力，了解綜述的寫作方法，如表2。另外，要求學(xué)生撰寫有具體應(yīng)用場景的機(jī)器人或根據(jù)課程難點(diǎn)撰寫課程論文，圍繞機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、建模、控制、材料、應(yīng)用等內(nèi)容，選擇其中一個(gè)或多個(gè)內(nèi)容，通過查閱文獻(xiàn)和小組成員合作，完成課程論文寫作。實(shí)施時(shí)，首先，由教師在課堂教學(xué)中對文獻(xiàn)閱讀和論文寫作給予指導(dǎo)性講解，提出具體要求；其次，學(xué)生利用課余時(shí)間，分組協(xié)作完成機(jī)器人研究綜述文獻(xiàn)翻譯和課程論文；最后，教師選擇優(yōu)秀翻譯和課程論文作品，在課堂或線上教學(xué)中予以展示和點(diǎn)評，以此訓(xùn)練研究生的科技論文寫作技能，提升研究生的研究與創(chuàng)新能力。選擇的典型機(jī)器人及研究綜述文獻(xiàn)檢索主題詞如表2所示。

1.5?基于效果導(dǎo)向的綜合考評

考核是保證課程教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，無論是理論或?qū)嶒?yàn)的課堂教學(xué)，還是仿真練習(xí)、探究式實(shí)驗(yàn)和課程論文等課后自主研學(xué)，教師都需要制定具體的學(xué)習(xí)任務(wù)及考核評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行必要的過程管控。教學(xué)中如果能夠做到過程與結(jié)果相結(jié)合的考核，就能夠充分調(diào)動(dòng)每個(gè)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，相對客觀地準(zhǔn)確評價(jià)每個(gè)學(xué)生學(xué)習(xí)效果。課程從卷面筆試、課堂討論與成果展示、實(shí)驗(yàn)操作與報(bào)告、仿真技術(shù)報(bào)告與答辯、課程論文翻譯或課程論文陳述與評析等五個(gè)項(xiàng)目建立綜合考評體系，每一項(xiàng)目設(shè)置了相應(yīng)的比例，如：筆試占40%，課堂討論與成果展示占10%，實(shí)驗(yàn)操作與報(bào)告占20%，仿真技術(shù)報(bào)告與答辯占10%、課程論文或翻譯占10%。各項(xiàng)指標(biāo)的比例大小可根據(jù)具體教學(xué)情況適當(dāng)調(diào)整。

2?結(jié)論

針對專碩研究生的機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)存在的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力不足問題，本文提出：（1）課堂教學(xué)中精簡理論教學(xué)和強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)。（2）課后自主學(xué)習(xí)分組合作完成典型機(jī)器人研究綜述的文獻(xiàn)檢索與翻譯、具體應(yīng)用場景或典型問題的機(jī)器人專題論文寫作、機(jī)器人仿真研究等項(xiàng)目。（3）借助線上或課堂教學(xué)，對探究性實(shí)驗(yàn)、仿真和課程論文等自主學(xué)習(xí)成果予以展示、點(diǎn)評和基于學(xué)習(xí)效果的答辯或口試等教學(xué)措施，促進(jìn)研究生對機(jī)器人學(xué)課程學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，進(jìn)而提升研究生的機(jī)器人應(yīng)用和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

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基金項(xiàng)目：［2021年合肥學(xué)院研究生質(zhì)量工程重點(diǎn)項(xiàng)目］“提升應(yīng)用與創(chuàng)新能力的機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)改革探索”（2021Yjyxm06）；［2021年安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目］“電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)線上線下混合式課程”（2021xsxxkc267）

*通訊作者：李尚榮（1972—?），男，漢族，安徽肥東人，博士，副教授，研究方向：機(jī)器人技術(shù)、機(jī)電系統(tǒng)控制。