体现工程教育理念的机器人实践教学

2019-08-11张近民王颖高斌

大学教育 2019年8期

张近民王颖高斌

[摘要]“机器人实践教学”是哈尔滨工业大学（深圳）控制科学与工程学科针对应用型硕士研究生开设的一门独立的创新实践课程。基于机器人实践教学现存的主要问题，从指导思想、教学体系、教学目的、实验平台建设和教学方法等方面进行课程建设和教学改革。通过共享科研实验平台和多种有针对性的教学方法，体现实践教学的综合性、开放性、创新性和研究性，使课程在提高应用型研究生的工程能力上发挥重要作用。

[关键词]工程教育;机器人;实践教学;研究生课程

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）08-0008-03

机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术[1]，集成了多学科的研究成果，代表高技术的发展前沿，是当前科技研究的热点方向。随着AI技术的不断发展、工业4.0概念的全球化推广和中国制造2025重大战略部署的稳步实施，机器人的科研、设计、制造和应用在工业、农业生产、教育、娱乐、医疗、军工、家用及社会服务等领域发挥着越来越重要的作用。

机器人工程也逐渐形成国内高校的一个新专业方向。2015年，东南大学成为教育部同意批设“机器人工程”专业的首家高校;随后，又有包含东北大学、湖南大学等985大学的25所大学及学院经教育部备案设立了“机器人工程”专业。哈尔滨工业大学是国内最早研究机器人的高校之一，研究生是机器人科学研究和技术开发的主要力量，如何提高研究生的工程问题解决能力和创新能力是我校教师面临的重要课题，现有的验证型实验教学方法已经难以适应我校培养创新型高层次科研工作者和工程技术工作者的需求。

一、课程面临的主要问题

一般高校开设的“机器人”实验课都是机器人教学课程的实验部分，用于指导学生理解和印证理论课程的内容。其共性问题主要有以下几方面。

1.实验课程内容落后

多数都是针对本科阶段的实验课程，以演示型和驗证实验为主，缺乏创新性、设计性和开放性。创新型实验少，学生缺乏专业知识的综合应用能力，缺少独立动手和创新的机会，这就抑制了学生的想象力和学习兴趣，限制了学生的自由发挥空间[2]。而且其实验教材少，大都为机器人平台指导书，不利于学生深入研究其运动机理及内部算法。

2.缺乏学科间的交叉融合

机械工程、控制工程、电子信息等多个专业都有机器人类课程，但实践教学都是对理论课程内容的验证和辅助，忽视了引导学生对多学科知识加以综合运用[3]，无法体现现代高等教育的“大工程”观 [4]。

3.实验设备少，种类单一

多为六轴串联工业机器人[5]，型号比较陈旧，集成度低，体积大，惯性大，存在一定的安全操作风险。

二、课程教学改革的指导思想

机器人实践教学是哈尔滨工业大学（深圳）控制科学与工程学科针对应用型硕士研究生开设的一门独立的创新实践课程，授课人数为每年30人左右。其课程教学以教学目标为导向，围绕既有的机器人研发和实验教学平台，通过项目带动教学，对教学体系、教学内容、教学方法进行优化和改革，注重培养学生的实际工程问题解决能力，结合创新平台开展机器人课程实践教学。其主要指导思想有以下几方面。

1.体现工程教育认证核心理念及要求

中国工程教育认证标准，是培养工程技术人才的重要依据，硕士研究生是科学技术和工程应用的研发主体，因此在实践课程教学中也应按照工程教育认证标准的要求，以学生为中心，持续改进教学体系、教学内容和教学方法，同时面向深圳及珠三角地区机器人技术的行业及企业需求培养人才，适应国家和地区经济发展的需要，实现成果导向。

2.能够有效支撑硕士研究生的培养目标和毕业要求

培养目标和毕业要求是确定课程教学内容与方式的依据，课程教学是达成毕业要求和培养目标的重要支撑。毕业生应具备的知识、能力、素质结构必须通过与之相对应的课程体系才能在教学中实现，这种对应也为确定课程的教学内容和教学时数提供了依据[6]。

3.充分利用学科资源优势

依托既有的市级及以上重点实验室、工程实验室等教学和科研平台开展实践教学活动，联系既有科研项目，瞄准国民经济和深圳市发展的主要方向，进行课程建设和教学改革，培养高素质、国际化的创新型优秀人才。

三、具体的课程教学改革

1.教学体系改革

作为独立的实践课程，不需要围绕某一门课程的理论内容来设置实验，在教学体系的设计上，可以弱化所有机器人相关课程本身的系统性、完整性和连续性，强化课程知识点之间的联系性，同时突出控制科学控制性、信息性、系统性的特点，以培养应用型硕士研究生从事科研、工程技术工作和解决工程实际问题的毕业要求为主线，建立实践课程结构，将课程建设成为跨课程、跨专业、跨学科的综合应用性实验。

以学生为中心设计教学内容时，将知识体系“碎片化”，只引导学生关注实验项目需要的部分，使总体知识结构更加合理、完整。给学生建立一个间断的、阶跃式的知识结构，让学生自己去将其连接;不是采用循序渐进的“填鸭式”教学，而是培养学生的主动“觅食”能力[6-7]。同时在实践课程的整个周期中贯彻持续改进的思想，搜集和整理课程中的问题，并不断完善整个体系结构，形成闭环反馈。

2.目标导向教学

课程需要让学生获得机器人控制领域的工程问题解决能力和工程技术创新研发能力，以此为目标对实践课程进行建设。控制学科对应用型硕士研究生的培养目标是行业相关的高层次技术工作者和领导型工程技术人才，通过以机器人为实验平台的实践课程，让学生熟悉项目和问题解决的整个流程，掌握实用技能，并通过项目教学的过程和实践成果评价来确认学生是否取得了“真实学习经验”[8]，然后将成果反馈用于改进原有的教学体系和教学方法。

3.实验与科研平台共享

一直以来，教学实验平台在实验设计上都以配合理论授课或验证推导结果为主，这种再现型实验比较基础，并不适用于已经具有一定理论基础和实践能力的研究生。研究生的实验教学应着眼于提高和创新，在实验设置上应体现综合性、开放性、创新性和研究性，不应再拘泥于实验指导书或设备操作书，而应对设备本身及其技术体系的系统性有着更深层次的挖掘和渗透，实验内容与工程实际应用联系应该更紧密[9]。

利用现有科研平台教学，将多种工业机器人教学平台及其他移动机器人平台引入实践课程是研究生实践教学的有效方法[10]，这样有利于学生提高学习机器人相关知识的主动性，挖掘学习潜能，培养综合素质和创新思维，全面掌握机器人控制系统分析、设计、建模、优化和实现的技术方法。

其一，焊接工业机器人系统平台。焊接工业机器人是工业生产中极为重要的机器人之一，也是原机器人实践课程的主要实验平台。该系统以MOTOMAN MA1400机器人为核心搭建实验系统平台，基于6自由度非正交偏置串联机器人和2轴俯仰变位机进行二次开发，对焊接工艺中可控的工艺参数进行分析，以良好的焊缝成型质量为目标，采用离线编程的方式对整个系统的协调运动路径进行规划。

该实验的重点为学生对第二代工业机器人的离线编程方法的熟悉和运用，系统的八轴联动功能能够很好地解决船型焊约束条件下理想焊接姿态的调整，同时也给实验带来了一定的难度。学生可以在该平台上求解非正交偏置机器人的运动学算法问题、焊点姿态和焊枪姿态之间相对关系的运动学问题、编写MATLAB环境下的路径规划算法等。设备同时具有碰撞掉电功能，且设置了保护栅及开门报警功能，学生可在栅门外验证和操作设备，大大提高了其安全性。

其二，轻量型机器人平台。轻量型机器人具有空间利用率高、集成度高、灵活安全可靠等优点，主要应用于电子装配、电子加工、医疗、家庭服务等领域。在结构上，将电机、驱动器、减速器、控制器、编码器及各种传感器高度集成在关节中，实现机器人的智能化，能够适应人机协同作业的新需求。学科现拥有多台UR机器人及Kinova轻量型仿生机械臂，可用于人机协作情况下的实验需求。

其三，Delta机器人平台。PDR 100机器人是我系自制的高精度取放第二代三角式并联（DELTA）机器人研发平台，具有速度快、定位精度良好、工作可靠稳定、易用性强、可柔性适应多种流水线作业的应用等优点。该平台机器人集成了视觉识别模块，可实时自动识别需拾取物体。另有吸盘模块，控制吸盘类也可轻易实现。学生可以利用该平台进行机器人运动学、动力学建模及其实验验证、工作空间分析、运动规划研究及其实验验证、控制器控制算法研究等。

其四，小型无人机系统。小型无人飞行器（UAV）具有安装工艺简单、体积小、制造成本低等特点，近年来在各个领域的应用增长十分迅速，以此作为载体的研究也备受关注。除X650 value V-4无人机套装外，实验室还配备了3DR solo、3DR Aero-M、XAircraft 650 DJI NAZA、DJI-XP、DJI S1000-FPV等多種无人机实验平台。

其五，TurtleBot多机器人移动平台。学生可以利用平台进行移动机器人的同步定位与制图（SLAM，Simultaneous Localization and Mapping）实验，多种SLAM算法优劣比较，单目、双目、激光等多种测距方式验证，视觉测量数据地图的分割与融合验证等。

4.教学方式改革

其一，改进教学组织方式。在原有实验教学内容基础上增加网上课程资源库，电脑是学生自主学习时的重要工具，学生可以在课后利用网络资源库对自己的实验设计思路进行有效的完善和补充[11]。

在课程教学上，通过多种教研平台的实例深入分析机器人技术课程教学的实验特点，对已有的实验课程和课程设计进行改革。在课堂教学方面，以讲解实验设计思路为主，运用启发式教学方法，充分发挥学生的主观能动性。同时介绍机器人测量常用设备的使用方法，如激光跟踪仪（FARO ION型）、机器人轨迹跟踪系统（C-track780）、机器人动态捕捉系统（Phase Space）等。

在实验组织上，让学生自主成立2至3人的实验组，在实验平台上开展教学活动。先为机器人设定不同的操作任务，让学生熟悉所选用的教学平台，但不作为考评内容。随后邀请3名以上教师成立考核组，通过开题报告的形式了解学生的设计思路和预期成果，并在3个月的时间内安排2次进度汇报，用于督促学生的实验进度。最后采用比赛的形式对学生的课程设计作品进行答辩及现场展示，细化评分规则，注重设计过程，不以演示结果判定最终成绩，以激发学生的自主学习潜能，使所有参与的学生从中获得成就感。

其二，以项目带动实验教学。机器人实践教学综合性极强，是多学科技术知识的综合强化和验证，非常符合项目教学的理念。采用项目教学法，以学生为中心，也符合工程教育认证标准的核心理念[12]。在实验结果上不要求其完成指标达到最优，但需要体现出创造性。其具体方式有两种：第一种是鼓励学生在生活中发现问题，并通过项目的方式寻求解决途径，在评价中重点关注学习和设计过程，使学生了解并掌握各个环节中的基本要求和实现方法。第二种是参与到所属导师的科研项目中，根据项目内容，结合实验室现有科研设备，截取其中的一部分作为实验项目，并设计实施过程，确立最终评价指标。这种方法在实行过程中需要注意与导师配合，既要确立统一的、明确的考核办法，又要区别于导师的项目进度汇报，减少学生在项目评价过程中的冗余考核，让学生将主要精力放在完成项目本身。

其三，增加解决实际工程问题的项目。解决实际工程问题对于学生了解和掌握机器人技术有着非常重要的意义，让学生不但能锻炼发现、分析和解决问题的能力，还可以巩固相关的理论知识并由此延展，掌握更多的实用信息。

实验课程设置的主要机器人技术相关问题点集中在运动路径规划、控制精度、视觉识别精度、运动目标跟踪、误差辨识及补偿等几个方面。

其四，结合创新创业平台开展教学。学生创新创业活动一直以来都得到我校的大力支持。2016年5月，我校的“青年创客空间”获得“中华人民共和国科学技术部众创空间”称号，被纳入国家级科技企业孵化器管理服务体系，我校也成为深圳目前唯一一家获此资质认证的高校。目前空间拥有200余名全日制研究生创客，每年都会评选出50余个创客项目进行资助。

本学科拥有大量科研教学实验平台，能够为学生提供创造条件。实践教学课程鼓励学生关注学科学术前沿及实际生产中急需解决的问题，利用学科资源，创造性地开展实验活动，并对创客项目的阶段性成果给予学分认定。如果学生获得深圳市创客项目资助（最高不超多50万元）或其他资金支持，可以继续深入研究创客项目，实验室将继续为学生提供设备和场地支持。

四、结语

高校的实践教学改革是一个持续改进、不断深化的系统工程，学生培养工作应该充分结合高校的办学定位及国家、社会和行业的需求。授课教师需要充分激发研究生作为被培养主体的主观能动性，提高其解决实际问题的能力，激发其研发兴趣，鼓励其创新创业行为，在教学过程中不断地改进、探索和完善，真正达到实践课程的教学目标。

[参考文献]

[1] 沈绪明，董鹏.我国机器人发展现状、需求及产业化探讨[J].物流技术（装备版），2012（22）：68-71.

[2] 唐艳华，张庆玲.机器人技术基础实验教学的改革与实践[J].教学研究，2015（2）：103-105.

[3] 阎世梁，张华，肖晓萍，等.高等工程教育中的机器人教育探索与实践[J].实验室研究与探索，2013（8）：149-152+196.

[4] 赵婷婷，买楠楠.基于大工程观的美国高等工程教育课程设置特点分析：麻省理工学院与斯坦福大学工学院的比较研究[J].高等教育研究，2004（6）：94-101.

[5] 雷靜桃，刘亮，张海洪.“机器人学”课程教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2013（5）：179-182+190.

[6] 李志义.解析工程教育专业认证的成果导向理念[J].中国高等教育，2014（17）：7-10.

[7] 王军，耿其东，王福元.工业机器人课程教学改革[J].高校实验室工作研究，2016（4）：16-17.

[8] 李志义，朱泓，刘志军，等.用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革[J].高等工程教育研究，2014（2）：29-34+70.

[9] 施晓秋，赵燕，李校堃.融合、开放、自适应的地方院校新工科体系建设思考[J].高等工程教育研究，2017（4）：10-15.