人形机器人教学平台的设计

冯文芹

【摘 要】人形机器人是信息技术发展的前沿领域，是一门具有高度综合渗透性、前瞻未来性、创新实践性的学科，蕴涵着极其丰富的教育资源。人形机器人教学平台的设计紧随我国中高职类院校科技发展的趋势，能够提高中高职类院校的科技创新水平，能够成为中高职类院校培养学生创新能力和动手操作能力的平台，能够融入校园文化建设与学校的办学理念、育人环境、办学特色等形成和谐统一的整体。

【关键词】中职院校发展 人形机器人 教学平台设计

一、人形机器人概述

人形机器人的研究起步于1960年代后期，目标是解决人形机器人的双足行走问题。进入1990年代，人形机器人在控制方法和人工智能等方面的研究成果不断出现，从而推动了人形机器人技术的快速发展，此后机器人的行走能力、智能化和功能都越来越强大，最著名的人形机器人就是本田公司的ASIMO。

人形机器人的出现是计算机科学、传感器技术、机械科学等学科的技术进步，也是人类日常生活需要的产物。目前我国人口老龄化问题日益显现，在以后的几十年时间里必将影响社会的发展。人形机器人的出现一定程度上能够缓解人口老龄化带来的劳动力资源紧张的局面，同时人形机器人能够代替人类在恶劣以及高危环境下工作。

二、建立人形机器人教学平台的必要性

我国的人形机器人研究起步于1986年启动的国家高技术计划，经过二十多年的研究，取得了丰硕的成果。如北京理工大学研制的机器人“汇童”有32和自由度，能根据自身平衡状态和地面高度变化实现未知路面的稳定行走。进入21世纪，机器人已经不再局限于工业上的应用，而应该在社会的各个行业合理利用。如何让人形机器人在教育应用上发挥其应有的作用成为当前研究的重点。随着全国乃至国际各类机器人大赛的日益升温，各类职业院校迫切希望能在机器人大赛中获得成绩来提升学校综合竞争力以及知名度，因此职业院校建立人形机器人教学平台成为需要，同时也能有效地激发学生的学习兴趣，有很好的趣味性和挑战性。

让机器人教育走进学校，开发机器人文化的教育功能和发掘智能机器人的教育价值，对推进教育创新，促进教育改革和教育现代化，对创造型、研究型、专家型教师队伍的形成，对提高学生的创新和实践能力，同时对我国机器人事业的发展、人才高地的建设，都具有重要的现实意义和战略意义。

因此，建立人形机器人教学平台是十分必要的，它适合于机电一体化、电气自动化、机械制造及其自动化、机械电子工程、机械设计与理论、数控技术、自动控制等相关专业的一体化教学和培训。

三、教学平台实施步骤

（一）加强学校硬件设备的建设

学校积极筹措资金、充实有关设备。准备购买新机器人器材的资金，为机器人活动添加硬件设备，以此来创设良好的机器人学习环境，推动机器人教学。根据总体设计方案的要求，我们购买了两台机器人的配件，一台用于项目组前期做实验，另一台则用于高级班的机器人一体化教学。

（二）提高教师专业素质，提升学校软实力

我们着力通过培训、教研、讲座三个环节来提高参与师生素质。

首先是培训，教师对机器人技术的认识决定着机器人教学的成败。因为教师是方案的直接参与者，只有当教师充分认识到机器人技术的价值，对课题研究充满信心并热情投入时，课题研究才能收到良好的效果。为此，我们加强了参与教师的理论学习。首先要抓的是教育观念的更新，我们准备通过学习先进的教学资料，组织教师认真学习相关教育理论和文件。帮助教师从理论上提高对课题实验的必要性、重要性的认识，促进教师进一步树立正确的教育观念，为实验的顺利开展奠定坚实的思想基础。

其次是教研。为适应课题研究的需要，我们要进一步开展参与教师专题讨论，组织教师开展课外机器人活动的现场观摩，并进行案例分析，积累实际教学经验，提高教师把机器人技术融入教学实践的能力；组织校内外机器人竞赛活动，使参与教师在相互交流中提高，在实践探索中成长。

三是讲座。学校领导邀请专家来校讲座，进一步提高课题组成员的理论基础，并请专家进行现场指导，对涌现出的好做法、好经验，及时总结、推广；对发现的问题，面对面地进行指导帮助。有效地调动了教师的积极性，确保平台实施的顺利进行。

（三）组建机器人实验室及学生兴趣小组

由机电科组牵头组建机器人项目实验室，从机电一体化、电气自动化、电工与电子等专业学生中挑选学习成绩比较优秀同时又对机器人制作感兴趣的学生组成学生机器人兴趣小组。由指导教师编写有关人形机器人的制作指导教材，从传感器的性能到人形机器人的组装再到程序的编写，通过对兴趣小组学生进行授课，使他们逐步进入机器人科学世界。

（四）应用到一体化教学

通过兴趣小组的引导，逐渐将机器人教学向学科课程发展。随着中职院校教学改革和课程改革的实施，机器人教学走进课堂是一种必然的发展方向。面向机电一体化以及电气自动化专业高级班学生开设《机器人制作》课程，讲解人形机器人的控制板、传感器、输出设备等硬件知识以及人形机器人控制程序的开展等软件知识。

通过项目教学法，让学生在学完本课程内容后能独立组装并调试人形机器人，让学生知道如何将学习的内容应用到生产和生活实际当中，提高学生和学校的竞争能力。

四、平台建立后所获成效

（一）人形机器人各项技术指标达标，作为机器人一体化的教具，并加以推广

通过对机、电、材料、计算机、传感器、控制技术等学科相关知识的讲解，让学生将所学的知识应用到实践中，完成对人形机器人的设计与制作，由此成为培养学生创新能力和动手操作能力的平台，让更多的学生参与其中。学生的设计成果能参加国际、国内各种机器人比赛，学校将一直保留学生的作品供师生参观学习，共同提高。同时可推广为中等专业和大学相关专业的专业基础教学和创新课程学习的教具，既教会了学生各种专业知识，又让学生通过动手、动脑实践，提高了综合素质。

（二）学生素质显著提高，与时俱进，满足社会对现代高级技工的培养要求

1.学生的逻辑思维能力显著提高

程序是机器人的思想，需要有严密的逻辑结构，使机器人按照程序进行活动。因此编写程序是机器人教学的一个重要内容。学生在了解机器人的结构、工作原理和各部件功能的基础上，根据任务来编写程序，为培养学生的逻辑思维能力提供了很好的途径。

2.学生分析问题，解决问题的能力增强

制作人形机器人是一个非常复杂的过程，设计机器人的搭建、编程、运行和调试的反复过程。学生要学会分析问题，分析是哪一个环节出现问题。学生在分析原因的同时，也要考虑解决问题的办法，根据实际情况进行修改、调试和优化，分析出错原因，提出解决问题的办法。

3.学生创新能力、实践能力明显提高

通过课题实验，充分发挥一体化教学的优势，整合课程资源，通过多维互动的课堂教学，促进了学生创新能力、实践能力的提高。

在教学中加大机器人方面的知识和实际操作培训，培养出更多数量和更高质量的“蓝领”“灰领”人才，学生的动手能力和实践能力增强了，对机器人的机械控制和电气控制等知识的了解也能够满足对各种家用和工业机器人的简单开发和使用的需要。

4.学生的团队合作能力提高

机器人教学多以小组形式开展，机器人的学习其实就是团队合作学习的过程。机器人的成功制作要求团队成员团结协作，利用集体的力量来完成个人难以完成的问题，在实践中培养团队合作能力。

（三）教师综合素质明显增强

要求教师对机器人重要性的认识进一步加深，进一步学习机器人方面的技术。同时，自身素质的提高与积极利用课程资源为机器人教学服务已成为教师的内在需求，学习中提高自己业务水平已成为绝大部分教师自觉的要求。

（四）获奖

在第九届技能节国际智能机器人竞赛暨广东省技工院校机器人制作表演赛中，我校机器人教学平台培养出来的学生经过与国内外7所知名技工院校激烈角逐后，勇夺国际智能机器人竞赛和机器人擂台比赛两个项目的三等奖和优秀组织奖。

五、结语

机器人技术是一门横跨多个学科的综合性技术，通过对人形机器人的设计和实践教学，使学生对机电控制系统和机器人系统有了完整的理解。学生对人形机器人的了解和实际操作，加强了学生对现代机械设备和操控能力，提高了学生和学校的竞争能力。学生由此知道了学习内容是如何应用到生产和生活实际当中，激发了学习的兴趣和热情，改善学习风气和学习态度。使用机器人作为学生创新能力培养的平台，本身也是对教学实践的创新，为社会培养创新性人才，为创建和谐社会、创新社会做出应有的贡献。

【参考文献】

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