机器人学导论课程

王宇奇 周磊 曹锦江 王蕾

摘  要 机器人学导论是应用型人才培养模式下的一门专业课程，提高该课程的实践教学能力与教学质量，能提高学生的学习兴趣，提高教师的教学工作质量。结合该课程当前教学过程中存在的问题，提出改进方法，提高教学质量。

关键词 机器人学导论;应用型人才;实践教学能力;教学质量

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）02-0129-03

Introduction to Robotics//WANG Yuqi， ZHOU Lei， CAO Jinjiang， WANG Lei

Abstract Introduction to robotics is a professional course under the training mode of applied talents. In order to improve the practical teaching ability and teaching quality of this course， combined with the problems existing in the current teaching process of this course， the improvement method is proposed to improve the teaching effect.

Key words introduction to robotics; applied talents; practical tea-ching ability; teaching quality

0 引言

機器人学导论是一门介绍机器人学的课程，也是应用型本科高校南京工程学院自动化专业、机器人工程专业的一门重要的专业课程。机器人学是一门高度交叉的前沿学科，机器人技术也是一项集力学、机械学、生物学、计算机科学与工程、控制理论与控制工程学、电子工程学、人工智能等多学科知识之大成的综合性很强的新技术。

随着工业、经济、社会及科技的不断发展，机器人已经被广泛应用到各个领域中。机器人技术的出现与发展，使得传统的工业生产面貌发生根本性变化，对人类社会生活产生深远影响。当前，机器人已成为必争领域和未来竞争的制高点，也是信息、制造、能源、材料等技术的融合创新[1]。我国机器人市场已进入高速增长期，机器人市场需求潜力巨大[2]。

机器人在国内外的应用情况，按区域划分，亚洲是目前工业机器人使用量最大的地区，其次是美洲及欧洲;从国家来看，中国是新增工业机器人最多的国家，其次是日本、美国和韩国[3]。可以看出，我国在机器人应用方面已经跨到了前端，研究正在朝智能化、模块化、系统化、微型化、多功能化及高性能、自诊断、自修复趋势发展，以适应多样化、个性化的需求，向更大更宽广的应用领域发展[4]。因此，要加大对机器人学人才的培养力度，提高机器人学导论课程的教学质量，提高学生的学习能力和创新能力。

1 机器人学导论课程的内容及特点

机器人学导论课程内容主要包括机器人位置运动学、动力学分析和力、轨迹规划、运动控制系统、驱动器和驱动系统等。这门课程融合了多个学科，集合了机器人技术、控制技术、力学技术、图像处理技术、传感器技术等，课程内容丰富，覆盖范围非常广泛，是一门综合性很强的课程。例如：机器人学的数学基础就包括空间任意点的位置和姿态变换、坐标变换、齐次坐标变换、物体的变换和逆变换以及通用旋转变换等;机器人的动力学包括动力学方程、动态特性和静态特性，同时涉及两种重要的解法，即拉格朗日功能平衡法和牛顿—欧拉动态平衡法。

机器人学导论这门课程涉及学科多，理论性知识多，重点、难点多，内容相对比较抽象。学生在预习和课后复习中会有诸多困难，如果再不结合科研及实践应用，会觉得该课程艰涩难懂，从而极大地减弱学习兴趣。

2 机器人学导论课程的教学目标

机器人学导论课程开设的目的和任务是通过教学，使学生了解机器人发展的最新技术与现状，初步掌握机器人技术的基本知识;从总体上了解工业机器人技术的发展概况及相关技术，主要包括工业机器人的基本概念、机器人技术的基本原理以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，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，为学习后续专业课程起到引导作用。

3 机器人学导论课程当前存在的问题

课程课时短  机器人学导论课程虽然是一门专业课程，但是学院对这门课程定的是选修性质，且设定的课程学时是32学时。机器人学导论总共十章，且每章节的知识内容繁多，理解起来难度大。32个学时的课时使得该课程的讲解变得比较仓促，讲解内容比较浅显，流于基本概念和原理，不能进一步深入和扩展相关内容。同时，由于这门课是选修课，且安排在大三时期，大三期间有一些学生面临准备考研等现实问题，投入课程的时间变少，这些问题都使得学生对这门课程不够重视，上课心不在焉，学习的积极性也很难调动起来，最终对这门课程的理论知识不能彻底理解，更别提实践教学环节了。

教学以理论为主  机器人学导论包含机械学、运动学、动力学及控制学等理论内容，也涉及不少高等数学内容，理论性非常强。在教学方面，对于该课程以教授理论知识为主，对学生学习兴趣以及创新能力的培养缺乏关注[5]。教学方式通过板书和多媒体相结合，在整个教学过程中，教师虽然通过提问来调动活跃课堂氛围，使得理论知识便于理解，但是通过课后调查以及与学生的谈话发现，此种授课方式并不能提高学生的学习兴趣，授课效果不理想。

缺乏实践环节  培养大学生的实践能力和创新精神是提高本科教学质量的重要目标，也是高等教育教学的重要组成部分[6]。但是，在机器人学导论课程教学中，基本没有关于该课程的实践环节，学院也没有安排相应的实习环节。对于应用型本科高校来讲，实践环节的缺乏将会导致毕业生质量下降以及用人单位认可度下降，不能满足企业需求，同时会导致毕业生的就业方向模糊不清。另外，很多高校对该课程也没有设置对应的实践教学，因此导致该课程的教学结果是理论无法深入、实践教学难以开展且没有明确的目标。

应用实例少  机器人学的研究推动了许多人工智能思想的发展，在科学研究、工业及生活中得到广泛应用。但是，我国的机器人技术未能获得长足发展，除了传统观念影响和政府政策支持力度不够，未能进行全国性的产学研大合作是一个主要原因。因此，要激发学生的学习兴趣，将理论与应用实例相结合，在课程中增加更多的应用实例。

4 应用型人才培养模式下教师实践教学能力与教学质量提升

增加课程的课时量  由于机器人学导论课程的内容比较抽象，涉及的学科范围广，难度较大，而且每个章节的内容又比较重要，32个学时的课时量是无法保证教学质量的。因此，只有增加该课程的课时量，教师才能详细讲解每章节的内容，提高教学质量。

准确把握课程的基本特点，明确课程的重点内容  教师要准确把握该课程的基本特点，明确其教学目标及重点内容。在内容讲解方面，要直奔主题，直接讲解重点内容，同时向学生说明机器人学在一些领域的实际应用中都采用了哪些方法、哪些技术。在教学内容中，要实时合理地把理论内容与实际应用结合在一起，突出重点特色，并融合应用型人才培养模式，培养学生的综合能力，吸引学生的学习兴趣，让学生更加愿意学习本课程。

增加应用实例及实践教学环节，提高教师的实践教学能力  实践教学师资队伍和管理队伍整体素质与水平对深化教学改革、提高实践教学质量起着至关重要的作用，只有加强队伍建设，提高教师的实践教学能力，才能真正高效地推动实践教学改革，实现创新人才培养的目标[6]。

在教学过程中，教师根据课程内容向学生讲解传授与课程相关的应用实例，以帮助学生更好地理解和掌握相关理论知识。单纯依靠理论知识，无法使学生真正理解有些内容的含义，也很难调动学生的学习兴趣，而增加应用实例能使学生更好地掌握本课程的核心内容，提高教师的实践教学能力。为了培养学生的综合能力，增加实践/实习环节，不仅能提高学生解决问题的能力，也会提高教师的实践教学能力。

所增加的实践/实习环节需要学校提供必要的设备平台和科研平台，充分为广大师生提供便利的实践/实习条件，调动广大师生积极参与实践教学，从而提高教学质量。同时，学校也可以设立专项基金，鼓励支持学生参加省内和全国的机器人大赛，鼓励实验室的优秀学生带新手学生，从而建立一届一届连续传递的优良传统，提高学生整体参与的积极性，并且可以通过参加机器人比赛取得良好的成绩来提高企业的认可度。

优化教学组织，提高教师的教学质量  依据机器人学导论教学大纲，结合个人教学研究与教学实践，可以在机器人运动学、机器人动力学、驱动器和驱动系统、轨迹规划及机器人控制技术等课程内容中，剖析它们之间的联系和应用实例作为重点教学内容，以此来优化教学组织：机器人运动学和机器人动力学是该课程的理论基础内容，也是教学的前提，明确该部分的具体教学要求，提高教学质量;驱动器和驱动系统在机器人中的作用相当于人体肌肉，是教学的核心内容，重点分析该部分与连杆和关节的关系，从而提高教学质量;轨迹规划和机器人控制技术是教学重点，把握该部分的核心教学内容，提高教学质量。综上所述，教师要掌握本课程每部分的特点，并把每章节之间进行串联，从而提高教学质量。

5 总结

通过以上剖析，机器人学导论作为自动化专业、机器人工程专业的一门专业课程，是培养学生科学素养、提高学生科研能力的技术性平台。该课程能使学生掌握机器人的专业知识，培养学生研究机器人的兴趣和能力。通过对机器人学导论课程教学实践和教学质量的不断探索与提升，该课程的教学效果必然会得到增强，同时为培养应用型人才奠定良好的基础。因此，将实践教学与理论教学完美地结合起来，教学质量必能得到持续提升，对学生就业、未来发展以及提高思考问题的能力具有重要意义，也是培养应用型人才以及提高高等教育办学质量的一个有效途径。

参考文獻

[1]王恒.大力发展机器人产业，推动经济高质量发展[J].中国信息化，2018（10）：6-8.

[2]机器人市场需求分析[EB/OL].[2017-11-03].http：//www.

chinabgao.com/k/jiqiren/29864.html.

[3]孙嶷，张弢，张春龙，等.国内外机器人的应用情况与发展趋势[J].轻型汽车技术，2017（7）：37-40.

[4]张红霞.国内外工业机器人发展现状与趋势研究[J].电子世界，2013（9）：20-21.

[5]李娟，宋育武，陈兴华，等.创新型人才培养模式下智能控制理论课程教学方法改革与实践[J].科教文汇，2019（9）：82-83.

[6]李温温.教学型高校实践教学环节存在的问题和对策研究[J].白城师范学院学报，2016（12）：107-108，112.