机器人学导论跨专业选修课程教学改革与实践

张颖 乔贵方 黄家才

摘  要 针对应用型本科院校对机器人学导论课程的教学需求，对本课程作为跨专业选修课的教学方法和考核方式进行改革探索。经过一系列具体的改革，在教学实践过程中取得较好效果，培养了学生思考问题、解决问题的能力，提升了外专业学生对机器人行业的专业知识储备，为有志于从事机器人行业的跨专业学生奠定良好的基础。

关键词 跨专业选修课;机器人学导论;教学改革;机器人技术

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）20-0072-03

Teaching Reform and Practice of Introduction to Robotics as a

Cross-professional Elective Course//ZHANG Ying， QIAO Gui-fang， HUANG Jiacai

Abstract The teaching method and evaluation mode of Introduction to Robotics as a cross-professional elective course has been refor-med and explored， according to the teaching requirements of the course in application-oriented institutes and universities. A series of specific reform measures has been applied in the process of teaching practice， and a better effect is obtained. After studying this course， the abilities of students to think and solve problems are cultivated better. The professional knowledge reserve of robot industry is im-proved， which lays a good foundation for the cross-disciplinary stu-dents to engage in robot industry.

Key words cross-professional elective courses; introduction to robo-

tics; teaching reform; robotics technology

1 引言

在《中国制造2025》[1]中提出的战略任务和重点中，大力推动重点领域突破发展，其中一个方向是推动机器人技术发展。从机电汽车到军工特种行业，从医疗康复到服务娱乐行业，机器人已经全面进入人们的日常生活，在不同领域满足着应用需求。因此，国家大力支持机器人技术的发展，鼓励研发新产品，以促进机器人标准化、模块化发展，突破机器人关键零部件及系统集成设计制造等技术瓶颈。

机器人是多学科交叉融合的产物，传统上将机器人作为研究生的研究方向。我国自2016年于东南大学设立机器人工程专业以来，于2017年在25所院校设置该专业，2018年又扩展到另外的60所院校[2]。可以看出，目前机器人专业正在本科教育中扩展开来，包括东南大学、东北大学、北京航空航天大学等“双一流”院校。南京工程学院自2013年开始建设自动化（机器人）专业方向，是国内首个为本科生设立此方向的院校，专业建设近五年时间，已经培养了第一批毕业生，人才培养体系已经完善。

依据学校人才培养方案及专业人才培养目标定位和综合素质培养要求，以打通专业、拓宽基础、提升人才培养质量为原则，结合学生需求、实施情况反馈等信息，南京工程学院要求2015级及以后各专业须完成四个学分的跨专业选修课程才能通过毕业审核。在此背景下，自动化学院面向全校开设机器人学导论这一跨专业选修课，总共32学时。

2 课程特点及教学目标

机器人工程专业以工程实际为背景，以机器人机械结构、运动控制、可编程控制、微处理器应用、机器人控制技术与系统集成及编程应用、能力培养为主线，培养在工業自动化、工业机器人技术及相关控制系统领域从事系统设计与开发、技术集成及系统安装、运行、维护和技术管理等方面工作的高级工程技术人才。

机器人学导论是一门介绍机器人学的专业课程，是自动化、机器人工程等专业的专业基础课。本课程开设的目的和任务是使本专业学生从总体上了解工业机器人技术的发展概况及相关技术，包括工业机器人基本概念、机器人技术的基本原理及机器人控制的基本思路、方法与特点，并了解在制造业自动化系统与工程中工业机器人的应用实例，使学生对工业机器人从基本概念到应用有一个大致的了解，同时提升学生的学习兴趣，为后续专业课程的学习起到引导作用。

机器人学导论课程包含机械学与运动学的内容，还包含控制器、传感器、驱动器等多方面的内容。本课程的先修课程包括电路、大学物理、机械基础等基础课程。作为跨专业选修课，机器人学导论着重介绍有关技术工程发展史及其特点、学科前沿、科技新成果以及工程项目应用等方面的知识，弱化了对具体专业技能的掌握和应用。

3 课程改革措施

本课程面向三年级学生开设，共有38个专业的138名学生选修，除了应用型工科院校常见的主流工科类专业，还包括文、哲、管理、经济、艺术等学科门类的专业。学生的专业背景差异很大，对机器人的认识和理解参差不齐，很多学生不具备相关的专业知识储备，有的学生的专业与机器人工程专业相差甚远，这些因素会直接影响学生对本课程的学习效果。在教学实践中主要对教学方法和考核方式进行改革。

教学方法改革  作为跨专业选修课，其教学模式具有一定的特殊性[3]，为了能尽可能考虑到不同专业学生的基础与应用需求，在保障课堂教学质量和教学效果的基础上，本课程从以下几个方面展开教学改革探索。

1）专业知识体系介绍。首先为本课程架构知识体系，在教学过程中按照先整体后部分的方式围绕知识体系展开，在绪论部分通过介绍整个机器人的组成和工作流程，囊括后续即将学习的知识，然后具体到各章节进行详细讲解。一个完整的机器人主要包括机构本体、控制系统、驱动系统和传感系统。在机构本体里涉及机器人的机构设计、运动学和动力学分析，以及执行机构的轨迹规划;控制系统包括运动控制和驱动器的控制;驱动系统包括各种驱动方式的特点和使用方法;机器人传感器的种类包括位置、速

度、力/力矩、避障/测距、视觉等传感器。通过知识体系的构建，让学生了解各部分内容之间的联系。

本课程专业性强，存在大量的专业术语和复杂的公式推导，在课堂教学过程中以重点内容为核心，采取引导的方式，结合大量图片、动画以及视频资料加深学生对课堂内容的理解与掌握，同时尽可能增加师生互动，设置提问、随堂测验等环节。

2）专题讲座。本跨专业选修课的目的是培养学生工程、设计意识，拓展学生专业视野，体现不同学科交叉渗透，提升跨专业和个性发展能力。与专业必修课程不同，没有设置实践环节，取而代之的是机器人专题讲座。挑选典型机器人，如多机器人系统、四足类机器人、康复机器人等专题，针对该类机器人具体的特点进行系统介绍。介绍过程尽可能挑选国际上最先进的机器人结合相关视频展开，通过专题讲座让学生更深入地将所学知识与具体机器人联系起来。如在四足类机器人的介绍中，波士顿动力公司的大狗机器人及猎豹机器人激发了很多学生的学习热情，这些学生在经过自学和深入调研之后，对四足机器人有了更为系统、专业的理解。

3）小组研讨。根据专业将学生分组，布置学生针对机器人相关的方向进行自主调研，做成PPT汇报讨论。鉴于跨专业选修课班级人数偏多，本部分作为加分项，抽取两个课时供学生研讨，每组汇报时间为10分钟，总共九组名额，学生的表现将作为期末成绩的一部分。这项作业涉及主题确定、收集整理资料、制作PPT、演讲等多方面工作，考查组员之间的团队协作能力。报名参加小组研讨的学生表现都非常好，对所选机器人及相关技术调研充分、总结恰当，能用专业不失美观的方式呈现出来，并用简洁易懂的语言将调研成果介绍给别的学生。

考核方式  本课程考核分两部分：期末课程论文和平时成绩。其中期末课程论文占总成绩的70%，平时成绩占30%。平时成绩包括出勤、课堂表现、作业和课堂研讨表现等多方面。课程论文的要求为：结合自己所学专业或根据自己的兴趣选择一种机器人或者机器人技术，以该机器人（技术）为核心展开调研分析。根据此要求，学生可从三个方面完成：

1）对所选机器人或者技术做综述研究，概述所要研究或设计的机器人系统的背景和研究意义、国内外现状及发展趋势，并提出自己的见解;

2）以典型机器人系统为实例，结合所学知识分析机器人系统的功能、组成、特点及各部分的工作原理;

3）自行设计一个机器人系统，包括拟实现的功能、原理框图、系统的各部分组成分析与说明等。

考核结果分析  尽管大部分学生反映本课程的难度远远超出预期，但最终的考核结果整体较好。考核结果分三类。

1）文科、管理类等基础薄弱的学生倾向于选择第一类题目，对当前热门机器人（如扫地、导游、医疗等机器人）开展调研分析后进行文献综述，提出自己的见解。此过程训练了学生文献调研及归纳整理的能力，为未来工作或者继续深造奠定良好基础。

2）工业中心、机械类、计算机等具有工科专业背景的学生倾向于选择后两类题目。部分对机器人兴趣浓厚且动手能力强的学生，有在研或已完成大学生实践创新训练计划项目，在项目中选择机器人为研究和控制对象。这部分学生课堂表现非常好，和机器人工程专业的学生对课程的接收程度相差无几。经过学习本课程，这些学生掌握了机器人专业的设计与控制方法，能将自己的研究成果以更加科学的方式呈现出来。

3）还有个别基础较好、有创新能力的学生，自身已具备良好的算法设计与软件编程能力，经过机器人知识的系统学习，受启发于课堂上所学知识，设计了机构新颖的机器人整体方案，并撰写了大学生挑战杯项目申请书。

4 结语

随着工业技术、计算机技术及人们对生活品质追求的提高，机器人将会是未来生活中不可或缺的一部分。因此，在开设有机器人工程专业的应用型大学里，让更多学生具备机器人的专业知识并致力于研究机器人是非常必要的。通过对机器人学导论课程教学方法和考核方式的不断改进和探索，在教学过程中取得一定的效果，为培养致力于交叉型学科研究的学生奠定良好的基础。

一门课程的展开离不开师生共同的努力，就机器人学导论这门课而言，为了保证课程的顺利有序进行，对师生提出一些建议。

1）任课教师要付出足够的时间和热情。机器人系统涉及的知识非常前沿，机构和控制方法发展迅速，因此，教师要不断更新知识储备，密切关注国内外机器人的发展动态，尽可能学习和掌握最先进的机器人技术，并以简洁明了的方式传授给学生。

2）要求选修本门课程的学生已经学习过相关的基础知识，对机器人有足够浓厚的兴趣，并保持积极的学习态度。很多机器人相关的技术需要参阅国外的资料和文献，要求学生具有一定的专业英语阅读理解能力。■

参考文献

[1]国务院关于印发《中国制造2025》的通知（国发〔2015〕

28号）[DB/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-

05/19/content_9784.htm.

[2]教育部關于公布2017年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知[DB/OL].http：//www.moe.edu.cn/srcsite/

A08/moe_1034/s4930/201803/t20180321_330874.html.

[3]林家立.高校跨专业选修课程教学模式改革的实践与探索[J].美与时代，2014（8）：62-63.