结合课堂互动分享的机器人技术教学探索

王班 冯长水 李冰茹

摘要：随着教学改革的深入和机器人技术的发展，《机器人技术》课程的教学模式也需要进一步探索和研究。本文将机器人基础理论、典型机器人专题与课堂互动分享相结合，探索适应机械工程专业的一种教学新模式。在学生掌握机器人基本理论与发展前沿的同时，增强学生的学习兴趣及学习能力。

关键词：互动分享；机器人技术；教学探索

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）24-0011-02

一、引言

随着时代的发展与社会的进步，机器人在人类生产和生活中得到了越来越广泛的应用，机器人已经渗透到人类社会的各个角落[1]。机器人技术涉及到机械、电气、控制、材料、力学、计算机等多个学科，是当今机电工程学科极为活跃的研究领域之一，代表了机电一体化的最高成就[2，3]。目前，许多高等院校已在本科阶段开设机器人相关课程，通过相关课程的学习，学生不仅掌握了机器人的基础知识，还可了解到机器人领域的最新成果，增加对机器人的兴趣。《机器人技术》是杭州电子科技大学机械工程学院开设的一门32学时的专业选修课，学生通过该课程的学习，初步了解并掌握机器人技术所涉及的基本理论、基础知识、工程应用与发展，为毕业后从事机器人及机械自动化的应用、开发和创新设计工作打好基础。以往，《机器人技术》课程一般采取传统讲授法的教学模式，而由于课程涉及学科众多，一方面学生难以在短时间内掌握大量的机器人基本理论，另一方面也使得学生感觉课程乏味。针对此种情况，本文秉承“轻传授理论，重激发兴趣”的理念，以培养学生的自主学习能力与学科素养为目标，提出了将机器人基础理论、典型机器人专题与课堂互动分享相结合的教学模式。另外，为适应此种教学方法，提出了“课堂互动分享汇报+课程报告”相结合的多元化考核方式。

二、教学模式

《机器人技术》课程的教学目标是使学生在掌握机器人机械机构及控制系统的软、硬件结构的基础上，具有对机器人机械结构设计的基本能力、对机器人控制系统硬件开发选型的技术基础，了解机器人控制系统软件的基本功能，在教与学过程中注重培养学生的创新思维能力、自学能力和语言表达能力。

1.机器人基础理论教学。机器人技术涉及众多学科，让学生了解、掌握机器人相关的基础理论是十分必要的。机器人技术是构建机器人装置所涉及到的机械、电气、控制及编程等技术，具体包括机器人机械结构设计、机器人机构学、机器人运动学、机器人动力学、机器人运动规划、机器人力控制、机器人运动控制、机器人智能控制、机器人视觉及机器人编程等相关理论内容。为更好地开展课堂教学，机器人技术的先修课程有：画法几何与工程制图、工程材料及热加工、理论力学、材料力学、互换性与技术测量、机械原理、机械设计、机械控制工程、电子技术基础。本部分主要以教师讲解为主，结合黑白板书进行动力学的推导，结合动画理解机器人工作原理，结合视频了解机器人的工程应用等。

2.典型机器人专题。分专题介绍几类不同领域的机器人，主要包括工业机器人、移动机器人、仿生机器人、微型机器人、空中机器人、空间机器人及水下机器人等。主要介绍每种典型机器人的发展历史、国内外研究现状、基本组成及应用领域等，最后针对某一具体机器人进行举例讲授。此部分同样以老师讲解为主，结合相关机器人的视频，使学生对机器人技术有更加形象具体的认知。

以空间机器人为例，主要内容包括当前空间机器人的研究现状与发展趋势、系统组成、应用情况等，并结合笔者正在开展的科研项目，介绍了一种典型的空间机器人——空间绳网捕获机器人。教学过程中，首先引出两种常用的空间捕获方式即刚性捕获和柔性捕获；分析比较了刚性与柔性捕获两种方案的优缺点后，得到了绳网捕获机器人在非合作目标捕获中的优势，如：抓捕容错性强、作业距离长及飞行器间耦合作用弱等。以一种典型空间绳网捕获系统为例讲述其捕获原理及硬件组成：发射器、柔性绳网、收口质量块、系绳收放装置等；结合当前研究形式，分析了目前绳网机器人需要深入研究的理论问题，如：非合作目标物跟瞄与参数识别，绳网发射参数及网形保持，绳网包裹后的快速收口，捕获后的绳系组合体摆动、振动控制，拖曳离轨过程的防缠绕等；结合笔者的科研项目，着重展示了绳网机器人捕获目标物后的组合体建模、摆动控制、防冲击控制及地面模拟实验平台等；最后对空间绳网捕获机器人后续发展进行了展望。通过教师讲授上述内容并结合动画、视频等演示，使学生对空间绳网捕获机器人有了更加全面的认识，并掌握了机器人系统设计的一般方法。

3.课堂互动分享。分享式教学要求教师把教学活动组织成一个在教师激励和指导下学生自主学习，分享智慧和成果，分享思考和经验，享受认同与尊重，实现共同成长的互动过程[4]。为了提高学生的参与度和学习积极性，要求学生就与机器人相关的知识、分类或者工程应用等进行课堂互动，分享PPT专题汇报，其中汇报时间为30分钟左右，其后为学生互动提问及教师点评环节。学生在资料查找、幻灯片制作及汇报过程中将会加深对机器人技术的印象，课堂汇报使大家可以相互分享成果，从而对机器人技术的发展、分类及相关知识要点有更加全面的了解。学生的汇报内容大致可以分为机器人分类介绍、机器人相关技术、机器人应用及简易机器人设计等，所教班级24名学生的互动分享汇报情况如表1所示。由表1可知，三分之二的学生都选择了专题机器人介绍，他们根据自己的兴趣及前期对机器人的了解，选择一种专题机器人进行相关资料的查找，分别对其原理、发展现状、技术难点与热点、应用情况以及发展趋势进行了介绍；还有部分学生就自己前期参加的科技类竞赛的作品进行了机器人设计的汇报，对过往作品进行总结与升华，使得其他同学也开拓了眼界、增长了见识；另有一小部分同学进行了与机器人相关技术与应用的分享汇报。此种自主选题汇报方式可充分调动学生的积极性，有利于增强学生对于机器人知识点的吸收与发掘学生的学习潜力。

三、考核方式

为了调动学生的学习积极性和主动性，提高教学效果，还需进一步改革教学考核模式，采用多元化、开放化的考核方式。结合上述教学方式，该课程主要采用“课堂互动分享汇报+课程报告”的考核形式，并结合平时考勤。总评成绩包括三部分：考勤成绩10%，互动分享汇报30%，课程报告60%。

四、总结

课堂互动分享汇报的形式使学生在掌握机器人知识的基础上，更加了解机器人的相关技术及其在各个行业的应用前景，提高了学生查阅资料与自主学习能力，开阔了学生的视野，提升了学生的专业素养和参与度。有利于增强学生对知识点的吸收与理解，有利于培养学生的创新能力，从而培养适合社会需求的高层次机器人专业人才。

参考文献：

[1]陳妍冰，刘琳靖.基于机器人竞赛的教学改革研究[J].教育教学论坛，2015，（21）：123-124.

[2]蔡自兴.机器人学第2版[M].北京：清华大学出版社，2009.

[3]叶晔，高文斌，岑豫皖.《机器人学》课程教学改革的探索[J].黑龙江科技信息，2014，（9）：83-83.

[4]薛忠慧.分享式教学的内涵特征及实施策略[J].辽宁教育，2015，（15）：12-15.