机器人创新工程实践教学改革与探索

张毅+汪帮富+王思明

摘要：机器人创新工程实践教学旨在培养学生的创新意识和工程实践能力。本文阐述了机器人实践教学的现状及存在的问题、培养目标和教学改革等方面的内容，旨在探索机器人创新工程实践教学体系与教学模式的改革，为机器人实践教学过程中提高学生的创新意识和工程实践能力献计献策。

关键词：机器人教学；实践改革；创新工程

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）51-0133-02

一、传统机器人实践教育的现状及存在的问题

1.教学内容跟不上机器人的发展速度。随工业4.0的提出和应用，各国在机器人研发和制造方面投入了大量的精力和物力，机器人产业发展非常迅速，而我们的教学大纲大多数几年都没有什么变化，远远落后于机器人技术的发展。同时教师在授课时基本按照教学大纲执行，对教学内容的更新不多。课程设置的大多还是一些传统基础内容，可能有部分内容已经不再使用，而不能把机器人学科前沿进展和最新成果传授给学生。

2.教学环节设置上存在不合理。机器人教育在教学环节上存在不合理，大多数高校在机器人教育方面以理论课为主，实践教学环节不足，教师偏重于对理论课的讲解，缺乏实践动手环节。而实践环节是培养学生工程实践能力和创新意识的最佳方法，是锻炼学生运用所学的知识分析和解决实际问题等必不可少的重要环节。

3.教育機器人产品缺少规范。目前，市场上生产和出售教育机器人的厂家很多，并且大多都是小企业，没有统一的标准和规范，所以自成体系，互不兼容，系统开放度低，基本上不可能进行二次开发，对学生的学习用处不大。

二、机器人创新实践平台的培养目标

1.熟练掌握基础知识和灵活应用能力。学生通过机器人创新工程实践，可以深度掌握机械设计和制造技术、电路技术、电子技术、单片机技术、自动控制原理技术等知识以及基本实用电路设计，将所学理论知识灵活应用于机器人创新工程实践。

2.专业知识的综合应用能力。机器人是典型的机电一体化产品，机电一体化产品是机械技术和电子技术有机组合所构成的整体，所以，在机器人创新工程实践中，需要学生按机器人设计功能要求构建相应的机器人机械系统和控制系统，需要学生将所学习的机械原理、机械设计、机械制造技术、电路、数电模电、传感器技术、自动控制原理、单片机、计算机控制技术、机电一体化技术等学科知识进行融合，因此需要培养学生综合应用多门专业知识的能力。

3.培养学生的团队协作精神。机器人技术是一门跨专业、高度综合的新兴学科，其本身的综合性非常强，涉及的学科也很多，如电路技术、数电模电技术、单片机技术、传感器技术、自动控制原理技术、机械制造设计和机电一体化技术等多门学科。在机器人实践教学和设计的过程中，由于受到学生的知识层次和动手能力等方面的限制，所以需要多名同学组成学习小组，发挥团队协作精神、相互配合，才能设计制造出高质量的机器人。小组成员既要分工又要合作，形成良好的团队，这就是未来社会需要的合作模式。所以说机器人实践教学可以培养学生的团队协作精神。

4.分析问题、解决问题和独立思考能力。机器人创新工程实践过程要求学生团队或小组独立完成从车体机械结构设计、控制器设计、传感器应用与检测信息分析和处理、电源管理、控制软件设计与编写、系统安装与调试到最终构建一个完整的机电一体化系统，学生在整个过程中，机器人学习小组需要查阅相关资料、传感器选择与布置、程序编制和调试以及方案论证都要在独立思考状态下进行，通过小组讨论分析问题，最终找到解决问题的方法。

三、机器人创新实践平台的构建

（一）实践平台硬件建设。我校在工程训练中心构建了大学生实践创新能力的培养平台：机器人创新基地。它是一个培养学生工程实践能力和创新意识的实践基地。该基地以开放性实验室的方式进行管理，是为学生和老师提供不同层次、不同专业的创新活动和科研活动的平台。该平台分为三部分：

1.以机械结构创新为主体的机械设计制造平台，该平台重点为机械类学生提供工程实践教学条件，使学生能从低年级就开始参与较简单的机器人创新实践活动，并培养学生的工程实践能力、机械设计制造能力和创新意识。

2.以电子创新设计为主体的电子设计制作平台，主要为电子、控制和机械电子类专业的学生提供实践教学条件。该平台以低年级的电子设计制作实践为基础，通过设计制作各种简单控制电路、控制系统提高学生的电子设计制作实践能力，随着实践的深入开展和学生能力的提高，实践内容可以加深，学生可以进行更高层次的设计和制作。

3.以机电系统设计制作为主体的机器人设计平台，该平台是由以前两个平台为基础进行综合运用的平台。该平台是一个团队协作的平台，要求进入的学生必须通过上面两个平台之一的实践学习且具有一定的基础之后，才可以根据机器人的功能和设计要求组合设计团队，由团队完成机器人的设计、制作全部过程。

（二）实践平台“软件”建设

受传统教学理念和教学模式的影响，大部分高校偏重理论教学而忽视实践教学。我校在加强机器人创新实践教学硬件平台建设的同时，也加强“软件”建设。我校认真对待实践指导教师这支队伍的建设和发展，已建立了一支实践技术高、教学能力强、具有创新意识、符合实践教学环节要求和符合学校科学发展的高素质实践教师队伍。其中，机器人创新实践平台指导教师团队建设时，充分考虑机器人技术综合了多学科知识，因此需要一个相对稳定的、多学科互补的教师团队，以利于更好地培养学生的动手能力、创新意识及竞赛能力；同时建立学生团队与梯队，扩大了学生竞赛的参与面，提高学生参与竞赛的热情，并为学校选拔优秀学生组队参加国家级、省级竞赛提供参考。

四、机器人创新工程实践教学改革与探索

1.突出以大赛为载体的教学模式。创新实践教学模式的关键是必须找准切实可行的载体，机器人创新工程实践教学以机器人大赛为载体。通过大赛，强化教学质量，激发学生的主观能动性和创新意识，在准备期间，学生应学习相关知识，踊跃进行训练并形成自我学习的良好习惯，使得学习和教学效果大大增强，不仅工程能力得到提高，也使得专业知识在训练中得到巩固和升华，竞赛还有利于培养学生的团队合作精神、安全意识、环保意识和成本节约意识，提升学生的操作技能和综合素质。

2.注重創新教育，将大赛获奖作品推广至课堂教学。一段时间的机器人创新工程实践教学产生了大量较高水平的学生大赛获奖作品，这些作品对于低年级的学生非常有说服力，可以激发学生的学习兴趣、自信心和主动性。实践教学可以以这些作品为内容和对象，由任课教师进行讲解，重点讲解其运用的原理和解决问题的思路、方法，以及运用哪些基本理论知识的综合，并针对某个作品发表各自的意见或者提出改进的建议，有成熟的想法和能力的同学可进行重新设计。

3.校企合作，优势互补，增加课堂教学工程案例。机器人技术已经广泛应用于周边生产制造企业，把一些典型的机器人技术工程案例引入课程教学，由工程师进行讲解，包括项目背景、设计要求、技术路线、详细方案、现场调试过程、验收标准以及整个项目的管理办法。通过工程案例的讲解，学生有了全面的了解和熟悉，对于增强工程意识和实践能力非常有益。同时，加强校企合作关系，从企业选聘实践经验丰富的技术人员兼职学校指导教师，把他们所掌握的知识及最新技术传授给学生；引入和利用企业实践基地，让企业为学校提供校外实习基地，并由企业的技术骨干担任实习指导教师，拓展和更新实践环节的内容和要求，提高实践的真实性和工程性，让学生感受“真刀真枪”的训练，从而形成和构建优良的工程实践环境。

五、成果与总结

近年来，我校学生参加中国机器人大赛暨RoboCup（中国赛区）公开赛等机器人大赛共获得国家级和省级的亚军和季军奖杯7座、奖励证书82张。说明我校在机器人创新工程实践教学方面的教学改革取得了良好的教学效果。

参考文献：

[1]毕津滔.高校机器人教学改革新思路之探索[J].信息通信，2013，（3）：266-267.

[2]战强.机器人教学改革的探索与实践[J].现代教育技术，2010，20（3）：144-146：139.

Robot Innovation Engineering Practice Teaching Reform and Exploration

ZHANG Yi1，WANG Bang-fu1，WANG Si-ming2

（1.Suzhou University of Science and Technology，Suzhou，Jiangsu 215009，China；

2.Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，Gansu 730070，China）

Abstract：Robot innovation engineering practice teaching aims to cultivate students' innovation consciousness and engineering practice ability. This paper expounds the practice teaching of the current situation and existing problems of robot，the training goal and the content of the teaching reform，explores the robot innovation engineering practice teaching system and teaching mode reform，as the robot in the process of practice teaching，improves students' innovative consciousness and engineering practice ability.

Key words：robot teaching；practice reform；innovation project