智能机器人实践课程自主创新能力培养研究

冯士刚　齐倩蕊　张俊　刘洪波　鲁明羽

摘要：针对智能科学与技术专业学生的知识特点和被动式教学模式，基于智能机器人实验课程的教学实践，通过分析课程教学目标、教学实验平台构建、实验题目设计、课程评价体系等方面，探讨如何在实践教学中加强学生对智能机器人设计和搭建以及进行自主创新实验的能力，为学生进入智能机器人这个炙手可热的职业领域打好基础。

关键词：智能机器人；实践课程；自主创新；教学模式

1背景

随着社会生产技术飞速发展，机器人的应用领域不断扩展。当前机器人的研究正处于第3代智能机器人阶段，即机器人可把各类传感器收集的信息展开融合，能较好地适应不断变化的工作环境，有非常强的学习、自洽和适应能力。可以说，智能机器人技术已经随着智能科学与技术的迅猛发展而成为现代信息技术和先进制造技术的典型代表，代表着一个国家高新技术发展的综合水平。对于智能科学技术系的学生来说，智能机器人是一个极有发展前途的就业领域，然而当前智能专业设置的课程与智能机器人技术的关联性尚显不足。智能科学与技术专业属于计算机科学与技术学科，学生有软件编程知识背景的优势，而自动化控制、机电、电子和脑认知科学方面的知识较为薄弱。多年以来，我国的高等教育模式都是以传授模式为主，学生在学习过程中处于被动接受状态，导致学生学习没有主动性和兴趣，缺乏实际动手能力的培养，对所学的知识不能活学活用，毕业后缺乏实际工作所需的创新技能和动手能力，因此学校必须开展实践创新教育，改革实践教学模式，合理建设智能机器人实验教学体系，培养学生的自主创新能力。

2智能机器人实践课程建设体系

2.1合理地建设实验平台

在智能机器人实践教学中，我们重点关注学生的个体特点和兴趣爱好，给学生更大的自主学习空间。教师从原来以课堂讲授为中心的“讲解者”角色，转化为学生自主学习的引导者和学生自主实验的服务者；学生则由原来单纯听讲、接受灌输的被动地位，转变为能自主参与、自主探究和自我发现的主体地位。这样能充分发挥学生的主体作用，使他们不仅能快乐自由地主动学会知识，还能体验自己的学习方法，实践自我发现的过程。针对智能专业学生智能机器人硬件知识薄弱的特点，本着易用性、开源性和扩展性原则，我们构建4个分层次的实验平台，具体包括以下几方面。

（1）智能移动机器人实验平台。该实验平台具备智能移动机器人30套，能满足2个自然班（30人，下同）2人1组的需求，如图1所示。智能移动机器人是面向创新教育的新型教学平台，有一个功能强大的微处理系统和传感器系统并且还能扩展听觉、视觉和触觉，成为真正意义上的智能机器人。此外，它还具有基于流程图的编程语言和交互式C语言，为学生创新开发智能机器人项目、程序与算法等提供简单又功能强大的平台。

（2）设计性实验平台。该实验平台具备20套教学机器人搭建套件，能满足2个自然班3人1组的需求，如图2所示。教学机器人搭建套件具备多种组件，包括伺服电机、伺服电机摇臂、板条形连接件、x形支架、电机架、斜U形摇臂、移动基座、直u形摇臂、控制卡等，该设备采用基于总线的运动模块，位置、速度、温度和力矩均可反馈，学生可运用C或VC++进行全方位开发。

（3）教学自主创新综合性实验平台。该实验平台具备智能机器人综合创新套件20套，能满足2个自然班3人1组的需求，如图3所示。智能机器人综合创新套件以“六面搭建、创意无限”为核心设计理念，以立方体为基础点结构件、以梁为基础线结构件和以平板为基础面结构件，融入现实生活的点、线、面几何原理，配合结构、机械、传动、电子、传感器、控制等教学项目，让学生在实验过程中对技术产生亲近感，培养学生的动手和创新能力，充分体现技术教育的独特魅力。

（4）竞赛研究性实验平台。该实验平台的智能机器人能够实现智能灭火、智能循迹、智能探测、智能定位等功能，融合机器人视觉、语音、智能人机交互、虚拟现实、网络技术、实时系统、传感器检测、控制技术、系统集成等核心技术。学生通过学习和使用竞赛研究性智能机器人，可熟悉国内外机器人竞赛形式，着重锻炼对策略程序的设计并逐渐增加难度，体现由浅入深、层层深入的原则。开展校内机器人设计竞赛在提高课程学习兴趣的同时使学生对所学知识进行综合应用，锻炼学生解决实际问题的能力；同时组织学生参加国内外的机器人竞赛，通过与其他学校师生的交流，达到取长补短和共同提高的目的。

2.2循序渐进地设计实验题目

智能机器人实践课程能满足学生课内学习和课外活动的需要，以多层次、模块化及开放型的模式，让学生经历从方案设计、选取材料、实物搭建到运行任务这样一个智能机器人设计与制作的基本过程，提高学生的自主创新能力、动手实践能力和问题解决能力。针对学生的知识特点，我们基于3个教学性实验平台设计初级、中级和高级3套必做实验题目，以满足基本的教学要求，同时还基于竞赛研究性实验平台设置一部分拓宽与提高的选做实验项目，为学生的自主研究与发挥留有足够的空间，以满足部分学生发挥兴趣特长和个性发展的需求。基本必做项目在课内完成，选做实验项目可在课外完成。初级实验题目见表1。

2.3开展自主创新性教学

智能机器人实践课程以学生实践操作、自主创新发挥为特色，采用分阶段、分层次及课内外结合的开放式教学模式，按照工程系统方法论的思路进行，由相关学科的教师进行多学科联合指导。实验进程包括以下4个阶段。

（1）智能机器人认识阶段。该阶段要求学生了解智能机器人的硬件结构、编程软件及相关技术，认识智能机器人工作的基本过程以及设计或搭建过程中所涉及的技术和方法。该阶段内容要求学生在课前预习和课后答疑期间完成，教师给予简单指导。

（2）实验题目方案设计阶段。该阶段侧重于培养学生对方案的构思、比较、权衡、选择、优化及交流能力，注重对学生创新性思维及能力的培养。此阶段由学生按照自己的兴趣及能力在必做的3套实验项目中任选2个实验任务（同一小组成员不能选择相同的题目），采用自主研究的方式，以项目组为单位，成员分工合作，进行方案构思、比较、权衡、选择及交流。为提高学生的创新意识，在设计过程中，教师应鼓励学生提出多种设计方案。

（3）机器人设计或搭建阶段。该阶段主要要求学生根据自己提出的设计方案，以小组为单位，分工合作，设计实验程序，搭建并运行智能机器人，完成实验题目中的实验任务。在机器人执行实验任务时，要求学生录制视频并搭配解说。

（4）实验总结（实验报告撰写）阶段。该阶段以小组为单位开展讨论并以实验报告的形式对前3个阶段的工作进行展现和总结，要求每位学生各提交一份实验报告，报告中要明确指出其他小组成员在实验中的辅助工作内容。总结阶段的另一任务是机器人执行实验任务视频的制作，视频要求配备解说，以说明实验任务；还要总结设计方案优缺点，重点说明机器人设计和搭建中的自主创新性部分。

2.4构建严格合理的考核评价体系

实验成绩的考核评定以发展性评价为根本理念，既关注学生实验的结果，又重视学生在实验活动中的参与程度、操作水平、合作精神等状况；侧重考查学生对基本技能的掌握和运用能力、创造性思维能力等。评分标准主要依据以下几点。

（1）是否课前预习。依据学生对智能机器人设备的认识程度，实验前要求学生提交预习报告，认真预习者得满分，预习不充分者得一半分，不预习者不得分。

（2）实验操作的规范性和熟练性。依据学生课堂现场操作机器人的状况，操作规范熟练者得满分，规范性或熟练性不够者得一半分，操作不规范、不熟练者不得分。

（3）实验的完成情况。依据课堂演示和机器人运行视频，完成实验任务者得满分，基本完成者得一半分，没有完成实验任务的学生不得分。

（4）实验报告的科学性和规范性。依据学生提交的实验报告，实验报告完整翔实者得满分，实验报告不完整、内容肤浅的学生得一半分，实验报告内容缺失严重或者大部分抄袭他人的学生不得分。

（5）实验自主创新性。依据学生提交的机器人运行视频，在完成实验任务的基础上还有自主创新内容的学生得满分，实验无自主创新但能较清楚地叙述实验过程中遇到的问题和解决方法的学生得一半分，无任何自主创新者不得分。

3教学成果

依据智能机器人实践课程建设体系，我们在2014年和2015年秋季学期针对智能科学与技术专业开设智能机器人实验课程，取得了良好的教学效果。

3.1学生的自主创新意识得到加强

开展智能机器人实验的意义在于重体验、求过程、尝试中经历，做中学、学中做、实践中提高。在课程开展过程中，我们强调学生是实验课程的主体，学生自行选题，自主进行实验题目的设计与实施，鼓励学生自主探究解决问题的方法并得出结论；教师只在实验题目设计、机器人运行原理和操作、编程方法论证方面为学生提供咨询和指导，不过多介入实验过程。在实验考核方面，我们特别注重对自主创新内容的评价。我们在实验的过程中实现学生技术学习方式的多元化，培养学生动手、动脑特别是手脑结合的能力，极大地加强学生的自主创新意识，如学生在完成智能机器人轨迹运动实验任务的基础上，给机器人搭建手臂，使机器人在运行过程中会挥动手臂，成为检阅机器人；学生在完成红绿灯、传送带和自动小车3个实验任务的基础上，能够综合运用3个实验任务的功能，形成一个货物运输系统，如图4所示。

3.2学生的自主学习意识得到加强

科学家和教育学家研究发现，如果学生置身于自己喜欢的活动中，需要解决问题的难度又正好合适，符合他们目前的知识水平，那么学习就会像呼吸一样自然。我们在选择课程实验平台和设计实验题目时，充分考虑学生的知识特点，使构建的实验平台易学易用且具有良好的扩展性和开源性，同时配备简单易学的基于流程图的交互式c语言编程平台；将题目设计得难易结合，令学生可自主选择题目。课程教学进行时，教师根据学生的学习状况及时给予鼓励和引导，避免学生因对一些硬件和软件技术产生疑问却得不到解决而失去实验兴趣。在我们精心设计的实验题目的指引下，学生在完成实验的过程中能够主动扩展工科知识学习范围，并且极大地加强了电子、自动化、机械、材料、计算机硬件、软件设计等知识储备。

3.3学生的团队合作意识得到加强

智能机器人实验课程是分组进行的，每组2～3人，实验小组由学生自由组建。实验采用小组分工合作的方式，一人为主，两人为辅，采用小组讨论的方式解决实验中遇到的问题。我们除了设计3套必做实验题目外，还设计选做的竞赛性实验题目。每次课程结束后我们都开展一次“智航杯”智能设计竞赛，让学生亲身参与比赛，既提高他们的动手能力和解决实际问题能力，又加强其团队合作意识和集体荣誉感，让学生没有走出校门就“高人一筹”，毕业后能更好地胜任所担任的社会角色。

4结语

针对智能专业学生的知识特点和被动式的教育模式，我们设计了能够激发学生自主创新意识的智能机器人实践课程体系。2014年和2015年两个学期的教学实践表明，该课程体系取得了良好的效果。学生在完成实验课程后，自主创新意识、自动学习意识和团队合作意识都得到很大程度的加强。今后的教学实践中，如何更好地选择实验平台、更合理地设计实验题目以及更有效地改善教学模式，以达到教学相长，提高学生自主创新、科学实践和自主建构知识的能力，还要进一步探讨。

（编辑：宋文婷）