机器人开放性实验改革与探索

程景萌 李姗姗 李 辉 王玉洁 周 围

（1.河北工业大学机械工程学院,天津 300130；2.衡水科技工程学校,河北 衡水 053000）

机器人技术涉及运动控制、计算机视觉、人工智能、传感器技术等研究领域，其代表了当今机电一体化的最高成就[1]。工程教育专业认证是高校工程教育国际化的重要途径，也对高校工程专业实验教学提出了新要求。已有不少学者提出，可以通过机器人实验来培养学生学习能力、发展能力以及创造性地分析与解决问题的能力[2]。

1 机器人实验教学国内外研究现状以及存在问题

目前，国外很多高校相继开展机器人实验课程，尤其是美国高校，普遍开设了机器人课程，并鼓励学生积极参加机器人设计竞赛活动[3]。日本多数高校都设有高水平机器人研究会，鼓励和促进机器人教育、机器人技术和产品的不断发展[4]。面对海外高校机器人课程的开设，国内部分高校开始奋起直追：西安交通大学积极构建机器人实验教学平台，主要包括开放源代码的固高等国产机器人、具有示教手持盒的日本生产的商业机器人和进行二次开发的博时机器人应用于研究生和本科生教学[5]；华南理工大学广州学院安排了工业自动化强化训练Ⅰ和Ⅱ两个课程，将机器人控制系统作为PLC和单片机强化训练项目来开展[6]；西安科技大学构建了“机器人创新实训基地”[7]。

当今我国高校在机器人实验教学方面虽然取得了部分成就，但是仍然存在一些问题，比如：⑴ 实验教学手段传统，往往以理论和教师讲解为主，学生主动性很差；⑵ 实验平台过于单一，相当一部分的学校只搭建一到两种机器人实验平台；⑶ 单一的考核方法，学生成绩的评定基本都是由指导教师根据实验报告进行评定；⑷ 学生实验时间太受限制，学生只能在教师规定时间去实验室进行实验。

2 机器人开放性实验教学模式改革内容以及特点

2.1 设置阶梯式开放性实验项目

介于学生层次水平的不同，将开放性实验项目按模块划分，单元模块中项目之间的关系是阶梯式的。实验模块分为基本技能模块、综合应用模块和创新设计模块，每个模块内部由多个实验项目构成。基本技能模块主要设置有舵机控制、机器人传感器使用；综合应用模块设置有小车主动避障、示踪，人机对话等；创新设计模块需要与科研及国内外竞赛项目紧密结合，如擂台赛机器人等。

通过对实验项目的合理设置，可以满足不同专业、年级的学生，构建一个能够满足多层次需求的机器人开放性实验教学体系。学生在亲历实验的过程中，可以有效培养探索意识和解决复杂工程问题的能力。

2.2 实行以学生为主的预约式开放性实验教学模式

开放性实验教学模式是以学生为主体、而教师着重对学生进行启发与引导的一种实践性教学模式。该模式下，学生在一个完全自主学习与思考的环境中进行专业技能的锻炼，当学生在实验过程中遇到问题时，实验老师只需给予适度的启发和引导。学生进入实验室的时间需提前预约，方便学生根据自己的时间进行实验，不拘泥于以往教学中规定好的实验学时数，从而让其能够充分挖掘自身潜能。竞赛项目的实施更能培养学生的自主决策、独立操作、分析和处理问题的能力，并能将竞赛项目合理地应用到实验室体系中来，实现实验室资源高效共享。

2.3 形成闭合反馈式考核评价方法

根据每个实验项目的性质采用不同的考核方式，可以采取提交实验报告或直接提交作品、上台演示演讲、公开答辩或小组自评互评等方式，老师根据掌握的情况对实验结果给出合理评价，将考核结果反馈给学生进行改进，形成闭合反馈的考核评价方法。

3 机器人开放性实验教学模式改革效果

工程教育专业认证从12个方面明确了本科毕业生应具备的素养和能力。基于工程教育专业认证的先进理念，有力推动了机器人实验教学模式改革，从输出到输入，对教学方式和教学模式进行革新，从而有利促进教学工作，提高教学质量，实现实验室资源的高效共享。

河北工业大学机械电子工程实验室打破以往重复验证为主的传统实验模式和以被动接受为主的传统学习模式，以机器人为平台，从开放性的课程设置、实验过程、评价体系等方面进行改革和实践，建立以学生为主实践创新培养体系，极大地激发了学生学习的积极性。图1和图2为开放性实验改革前后的实验课程组织流程。

图1 改革前实验课程组织流程

图2 改革后实验课程组织流程

实验教学模式改革前，实验课程的授课方式为线性化特点，以教师讲解为主，教学环节中缺少互动，课程教学内容侧重于理论课程中知识点的讲授，学生自主发挥的环节比较少。实验教学模式改革后，以学生小组为单位的研讨成为课堂的重要环节。将课堂时间交给学生，要求学生以小组为单位针对具体实验项目，以问题为导向，利用教材、小组头脑风暴以及网络等多种形式，自主完成实验项目，并清晰地将实验过程阐述出来。实验结束后，教师将考核结果反馈给学生，采用闭合式考核方式。这种方式使学生真正成为课堂的主体，而不再是被动的接受者，如此一来学生的自主性和积极性将得到大幅提高。

4 提高教学质量作用和意义

以模块化机器人为实验平台，通过机器人开放性实验激发学生的主动探索的积极性，对促进教学工作，提高教学质量的具有非常重要的作用和意义。

4.1 提高学生自主学习的主动性和创新能力

传统的机器人实验教学，往往以理论和教师讲解为主，学生则参照实验指导书的操作步骤进行实验操作，学生主动性很差，难以激发学生对机器人进行学习和操作的积极性。本项目打破传统实验验证性的封闭性和学生被动学习的学习模式，提高了学生自主学习的主动性和创造性。

4.2 增加机器人实验教学的广度

搭建机器人实验平台所需的器材费用非常高，相当一部分的学校只能购买并搭建一到两种机器人实验平台，因而能够让学生动手操作、亲身体验的实验资源非常有限，导致机器人实验的教学内容比较单调。本项目通过模块化机器人实验教学降低实验成本，使更多的学生参与到实验中来，拓宽了实验教学的广度。

4.3 促进机械电子工程专业教学模式的改革与创新具有重要的意义与作用

本项目研究试图将机器人开放性实验有机嵌合到整个机器人技术、机电一体化等相关课程的教学过程中，改变传统教学中存在的重理论轻实践的倾向，体现以学生能力培养为核心、以学生为教学主体的教学理念。

5 机器人开放性实验教学模式改革遇到的关键问题

5.1 构建良好可用的机器人开放教学实验平台

建立实用性比较强的开放性实验课程管理平台，内容包含教师提交教学任务、学生开放预约、学生信息管理、成绩反馈等等。通过教学实验平台的使用可以将预约式开放性实验在管理上更加规范。

5.2 设置合理的开放性实验项目

开放性实验项目的选择需要面对不同专业、年级的学生，就需要教师设定不同阶梯式的实验项目，以激发学生的兴趣，否则学生无法真正达到训练其独立设计、动手能力的目的，而指导教师也被迫不断降低开放性实验的要求。

5.3 建立强有力的支持体系

预约式开放性创新实验的可持续开展，有赖于自学校管理层面到教师个体的完整有效的支持体系和制度保证。本科实验教学管理办法、开放性实验管理办法等全面覆盖的制度。在激励机制上体现激励教师贡献、认定学生学分，同时制定支持主讲教师、学生便捷进入实验室利用实验室教学资源的预约制度。

6 结语

通过改变实验教学模式，可以培养学生解决复杂问题的能力，保证毕业生达到行业认可的既定质量标准要求，并且将开放性实验应用于实验室，实现实验室资源的高效共享。根据毕业要求指标配置实验课程内容，利用模块化的机器人实验降低实验入门的难度，减少实验成本。开放性机器人实验教学模式能激发学生主动探索的积极性，对促进教学工作、提高教学质量具有非常重要的作用和意义。