研究生机器人课程教学改革探索

宫赤坤　匡毅　张吉祥　夏平

【摘 要】机器人课程是面向高等学校机械工程学科研究生开设的专业基础课，是一门培养学生具有设计和使用方面基础知识的专业课程。根据本校机器人课程特点与借鉴其他院校教学改革的先进经验，结合研究生的教学定位，对机器人课程教学现状进行分析，指出目前在教学过程中存在的主要问题。通过教学方法和手段的改进，显著提高学生学习的积极性和主动性，提高学生学以致用的能力和素质。

【关键词】机器人；教学方法；改革探索

Exploration on Teaching Reform of Graduate Robot Course

GONG Chi-kun KUANG Yi ZHANG Ji-xiang XIA Ping

（Mechanical Engineering College of University of Shanghai for Science and Technology ，Shanghai 200093，China）

【Abstract】Robot course is a professional basic course for graduate students of mechanical engineering. It is a professional course to cultivate students with basic knowledge of the design and use of the robot .According to the characteristics of courses in our school， the advanced experience of teaching reform of other colleges and the teaching orientation of graduate students， analyse the status of the teaching of robot course and point out the main problems existing in the current. Through the improvement of teaching methods， It can improve students learning enthusiasm and initiative， improve the studentscommunicative ability and quality.

【Key words】Robot；Teaching method；Reform and exploration

0 引言

機器人技术是近年来各国研究的热点之一，它所涉及的领域十分广泛，包括机械学，计算机科学，自动控制，人工智能等一系列学科，是自动控制技术，计算机，先进制造等集成的典型技术代表，在农业，工业，国防，太空以及海洋探索等众多领域有着越来越广泛的应用。

为适应科学发展和新世纪国家对机器人人才的发展要求，原有的教学方法已很难适应培养具有创新思维的高素质人才的需要。本文结合十几年教学过程中不断积累的实践教学经验和我校培养学生的总体目标，以培养创新人才为出发点，立足于科研教学和实践教学的系统性，基础性，综合性和创新性，改变传统的教师单一授课模式，将传统的课程进行重组与优化，增开实践性教学环节，提出一系列教学改革方法。

1 课程介绍及培养目标

本校的机器人课程一般安排在研究生的第一年级，是一门系统介绍机器人的基础课程，其内容及学时安排如下表1所示：

由表1[1]可看出本课程主要讲述机器人的本体结构，运动学及动力学，轨迹规划，控制系统，语言与编程等，所要求掌握的知识点相当广泛。

从国家对研究生的知识，能力和素质培养与协调发展的教学要求出发，课程内容注重理论系统性和实际工程应用性的紧密结合。通过本课程的学习，要求研究生理解掌握机器人的基础理论知识以及初步的工程应用能力，掌握典型机器人的机械结构，运动学，动力学理论，机器人的驱动方法和控制技术并能进行机器人编程。培养研究生独立思考和分析问题的能力，不仅让学生充分全面的掌握机器人系统的理论知识，而且具有一定的解决问题的能力，使得学生能够在较短的时间内掌握机器人的实际应用技术，为今后从事机器人的相关研究工作打下坚实的基础。

2 当前机器人课程教学现状

2.1 学科交叉覆盖面广，授课传统学生缺乏思考

机器人课程具有非常强的学科交叉特点，课程综合性和理论性强，难度大，对学生的数学，力学，控制理论，测试技术，机械学等先导课程的掌握程度要求较高，而且课程各章节之间内容相对比较独立，由本体结构到运动学，由运动学到控制，很难找到一个贯穿的主线，使得学生在学习过程中搞不懂机构的运行原理，加之学时短，学生学习起来普遍感觉晦涩难懂，这在很大程度上削减了同学的学习热情和积极性。

通过先前的实践，表明沿用传统的老师在上讲，学生在下听的灌输式授课方式，已远远不能满足新时期研究生培养目标的要求，现如今虽然在授课方式上采用了很多现代化的多媒体教学，大大减少了老师体力劳动，提高老师教学效率，凸显老师的作用，但是传统的灌输做法还是一成不变，学生还是被动的接受知识，无法在课堂上与老师积极互动，让学生根本没有空余时间进行独立思考，一堂课下来学生对授课内容都没有印象，学生对知识的掌握无法深入透彻，教学效果大打折扣。

2.2 重视课堂轻视动手能力

机器人课程对学生自我动手要求较高，是一门凸显学生主体的课程，然而现实授课的过程中老师比较侧重理论部分实践环节相对薄弱，甚至根本无实践，这对研究生掌握机器人技术来说是远远不够的，不能从根本上激发学生的学习积极性，无法从实际上改变学生从旁观者提高到参与者，使学生具有实际解决问题的能力。

3 改革探索

针对上述提到的目前在教学中存在问题，根据国家以及学校对本课程的办学要求和目标，结合本课程的特点和现实情况，总结自身教学与借鉴其他院校教学改革的先进经验，提出如下教学改革措施，并在实际教学过程中加以应用，取得一定的效果。

3.1 貫穿主线突出重点，采用现场教学

针对目前由于机器人课程学时安排较少，机器人涉及到的知识点较多，综合性较强，老师在教学的过程中要根据实际合理安排课程，向学生指出贯穿各章节的主线，讲解各知识点的前因后果，突出重点。可以将教学内容大致分为三个部分，如图1所示[2]：

（1）机械部分。机械是机器人的基础，机械原理是学生对机器人的第一印象，它是由一系列连杆，关节或其他形式的运动副组成。

（2）传感部分。传感器是用于机器人自身与外界交流，是获取内部和外部环境状态中有意义的信息，通过此设备可以更好的操控机器人。

（3）控制部分。控制部分的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号，支配机器人的执行机构完成规定的运动和功能。

在讲解基础理论时，老师应当在多年教学实践基础上加以总结提炼，争取在课时较紧的情况下把理论内容教给学生，在讲解新的知识点前，通过多媒体技术改变传统教学模式，制作集文字，图文，声音，动画为一体的课件。可将教学内容生动直观表现出来，化抽象为直观，在讲解每个章节时，适当引入相关知识的前沿进展，最新的科研成果，既扩大学生的知识面，又提高学生的兴趣。同时在对这三大组成部分的讲解之前，老师可以要求学生充分利用学校图书馆，便捷的网络资源等优势，进行一定量的关于机器人知识的阅读。

在条件允许的情况下，现场教学可以大大激发学生的学习兴趣，以当下实验室现有著名的kuka机器人为讲解案例，如图2所示[3]：

采用现场教学方法，把课堂搬到实验室，在现场结合机器人实物。在讲解案例的过程中要紧密联系理论知识与实际机器人的一一对应，目的是引导学生将课堂理论与应用实际有机结合在一起。机器人中的有些内容和概念比较抽象，晦涩难懂，比如机器人的运动学中的位姿表示，坐标系的建立等，学生理解起来比较困难，首先由教师提出问题，让学生通过对实际物理机器人的深入观察，带着问题去思考。然后由教师结合机器人的实际运动对每个机器人所涉及到的基础概念进行讲解，最后让学生交流讨论。由于实际无力机器人就是同学们身边的，拉近了理论知识与学生的距离，能够激发学生积极思考，增加学生的兴趣，同时又能提高学生解决实际问题的能力。

3.2 运用实践培养学生动手能力

老师要提倡学生在理论学习的过程中的培养积极动手的能力，在动手的过程中增强感性认识，为此，提出建立提高学生动手能力的3个层次实践体系[4]。认知层：以研究生已具有的的电子电路，单片机原理与应用，传感器检测技术，PLC基础等相关课程的基础知识为基础，例如设计一个简单的十字路口交通信号灯，电机控制等实验培养学生的实验动手能力。提高层：结合生活实际，从生活中设计几个课题，让学生自由分组，自由搭配，从上述题目中选出一个，独自思考，亲自动手，从理论到实践完成一整套一个小系统的设计，做出完整的方案与实物，提高学生在动手过程中发现问题，解决问题的能力。综合层：通过让学生参加竞赛的方式，增强学生学习的紧迫感，比如学校举行的科技节，国家省举办的挑战杯等各种形式的竞赛，让学生在竞赛的过程中通过互相交流学习加深对机器人课程的认识。

在实践教学过程中，大力增强学生运用各种软件的能力，安装Adams，Matlab等仿真软件，实践教学中采用新的大量的软件，使实验内容不受物理设备的限制，可大大增加实验内容，同时生动形象让学生更好学习，提高教学效率。

4 总结

本文结合十几年的实际教学经验，从提高研究生对机器人知识理解及运用目标出发，探索在研究生机器人课程教学过程中存在的问题和相应的改革措施，将其运用到实际教学过程中，取得了明显的效果，学生学习热情得到极大激发，但提高教学质量是教育工作者永无止境的追求，改革探索不可能一蹴而就，需要教师在教学过程中不断发现新问题，不断的改进与完善。

【参考文献】

[1]张建伟.现代智能机器人前景及技术[J].先进技术研究通报，2009.

[2]刘极峰.机器人技术基础[M].北京：高等教育出版社，2012.

[3]郭洪红.工业机器人技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.

[4]董爱梅.以机器人为平台大学生实践创新能力培养体系的研究与实践[J].中外教育研究，2009.

[责任编辑：朱丽娜]