新工科背景下“机器人学”课程教学改革探索与实践

摘要：机器人学是机器人工程专业的核心课程，新工科背景下的人才培养需求对机器人学课程的学习提出更高的要求。本文针对我校机器人学课程教学中存在的问题进行分析，在教学内容、教学模式、实践环节和课程考核等方面进行改革探讨与实践，提高教学质量，培养理论与技术并重的综合性应用人才。

关键词：新工科；机器人学；教学改革；教学实践

新工科专业是传统工科专业的升级改造，以培养智能制造、云计算、人工智能、机器人等未来新兴产业和新经济需要的实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才［12］。机器人工程专业是“新工科”背景下以培养机器人产业、智能制造等领域创新实践型人才为目标的多学科综合性专业。安徽工程大学人工智能学院于2017年新增机器人工程专业，面向机器人产业和智能制造装备领域，培养兼具计算机软硬件、机械系统、机电控制系统设计能力，拥有创新创业精神、自主学习能力的高素质应用人才。

机器人学课程是机器人工程专业的重要核心课程，是一门年轻的、日新月异的交叉学科，包括机械、电子、传感器、自动控制、计算机以及人工智能等［34］。随着新工科背景下人才培养需求的改变，机器人学课程教学也要进行改革，以满足人才培养的要求。本文针对我校机器人学课程教学中存在的问题进行分析并提出改革方案和措施，激发学生学习兴趣，培养学生应用能力和创新精神。

一、“机器人学”课程性质和学习过程

从第一台工业机器人问世以来，机器人已被广泛应用于汽车、电子、航空航天等领域。我国也相继提出“中国制造2025”“十四五机器人产业发展规划”“机器人+应用行动实施方案”等战略文件，足见国家对机器人发展的重视。机器人学作为一门新兴学科，研究的是如何综合运用机械、传感器、驱动器和计算机来实现人类某些方面的功能，仅有80多年的发展历程，现在正是国内外研究的热点。我院机器人工程专业将机器人学设为核心专业课，培养学生机器人相关的理论知识的学习和操作能力，满足机器人企业和制造业发展所需要的各项能力需求。

机器人学课程的学习需要学生先修数学和物理相关的基础课程，为了加强学生对机器人学理论知识的理解，还需要增加课内实验和机器人实际操作内容，并且教师可以指导学生参加机器人相关的竞赛来提高学生的学习兴趣和成就感。此外，还需要理论联系实际，让学生参与到机器人实际研发应用中去，让机器人学课程的知识充分发挥作用。机器人学课程的学习作为一个理论铺垫，让学生走上工作岗位以后，在遇到实际问题时能够有举一反三解决问题的能力。

二、课程教学现状

我校机器人工程专业培养能够从事机器人关键技术研究、整机开发、关键零部件研发制造、机器人集成应用，以及智能制造系统规划设计和维护的高素质应用型人才，人才培养定位符合企业发展需求。但是以往机器人学课程教学中，教学内容、教学方法、实践实验环节及考核方式存在一定的问题，难以满足新工科人才培养需求，具体问题如下：

（1）理论教学内容需要精简优化。目前，理论教学过程中采用的教材比较著名的包括JohnJ.Craig著的IntroductiontoRobotics［5］以及著名机器人学者MarkW.Spong主编的《机器人建模和控制》［6］等。部分内容包含大量矩阵运算和公式推导，对学生的数学基础要求较高。此外，国内外关于机器人的最新和最前沿的研究没有体现在教材中，应基于新工科背景结合应用型高校对学生的培养要求，精简优化理论教学内容。

（2）学时安排不合理，学习过程仓促。我院机器人学课程总学时32学时，总学时偏少，其中理论学时为28学时，大部分学时用来讲解基础的重点内容，部分理论内容不能够充分展开讲解；课内实验学时只有4学时，课内实验和实践教学安排过少，理论内容不能充分得到巩固。

（3）教学方法单一，学习效果不好。现有教学模式以课堂授课为主，教师借助课件和板书讲解知识点，部分章节公式推导复杂繁多，一节课中学生要接受的内容过多，难以消化。填鸭式的课堂讲授，学生容易走神困倦，教学模式不够丰富，不利于提高教学成效。

（4）实验实践环节薄弱，理论与实践脱节。我院机器人学课程的实践课程学时安排过少，理论内容不能充分地得到加强锻炼，且实验设备数量有限，不能满足学生使用需求。此外，还存在校企交流不够深入的问题，我校位于芜湖市机器人产业园区，在人才就业方面具有巨大优势，应将人才培养与企业需求结合起来，真正做到理论联系实际。

（5）考核评价方式单一，难以反映学习成效。传统的考核方式主要依据期末考试成绩和平时成绩，过于笼统，不能很好地反映出学生的综合能力。期末考试时，学生只在考前根据考试重点进行突击复习，不能反映出学生实际的掌握情况和教学成效，需要对考核评价体系进行优化。

三、新工科背景下教学改革实践探索

结合新工科背景，针对专业培养目标制定相应的教学内容优化和教学方法改革，使学生能有效运用专业知识和工程技术原则解决机器人工程领域复杂工程问题，能从事机器人工程及相关领域的设计制造、技术开发、工程应用等相关工作。具体改革内容如下：

（1）优化理论教学内容。根据新工科专业人才培养需求，在经典教材的基础上对课程内容进行优化，对知识点有侧重地进行讲解。第一章绪论加入国内外机器人最新前沿相关的研究，让学生接触到最新的前言技术。第二章介绍机器人机构，结合企业导师的实战经验，分析国内机器人头部企业产品的设计结构和设计方法，让学生对机器人结构的设计更加具备工程化的特点，同时，讲解机构原理启发他们思考机器人的创新设计。第三章和第四章讲述机器人位姿的数学描述与坐标变换、机器人运动学，理论部分借助三维建模软件或者动画辅助讲解，使得坐标系的建立和DH参数可视化，易于学生理解。正运动学建模以学院实验室中使用的埃夫特机器人为例进行讲解，使学生更加熟悉实验室设备。逆运动学建模让学生了解逆运动学的推导原理和方法即可。第五章、第六章、第七章内容为机器人静力学、动力学和运动规划，采用简单的平面串联机构为示例，让学生理解相关概念和计算步骤，特别是动力学部分，着重讲解拉格朗日法和欧拉法这两个经典方法。第八章介绍机器人控制的相关理论知识，以平面串联机构为例，让学生学会动力学计算方法，逐渐将相关理论扩展到工业机器人，讲解过程中充分借助Matlab、Solidworks和Adams等软件进行计算和仿真，帮助学生深入理解理论内容。通过课程内容的优化，学生可以了解机器人前沿技术，熟练掌握工业机器人机构设计、运动学分析、控制系统设计等理论知识，培养他们运用所学知识解决机器人领域的相关问题的能力。

（2）合理安排课程学时。总学时增加到48学时，其中，理论学时为40学时，课内实验学时为8学时。理论学时安排4学时学习机器人学的认知，介绍机器人的定义及发展简介、机器人的专业术语及分类和机器人的主要研究方向和相关科普。机器人机构和数学基础安排4学时，介绍机器人机构的基础知识及分类、机器人机构简图的画法、典型机器人机构和机器人学数学基础的介绍。机器人运动学安排12学时，包括机器人运动方程的表示、机器人连杆DH参数及其坐标变换、机器人运动学分析案例、机器人逆运动学和雅可比矩阵速度分析。机器人静力学设定6学时，包括机械臂连杆受力与关节平衡驱动力计算、静力平衡方程与静力映射分析、静力学的逆问题和力与力矩的坐标变换。机器人动力学分析设定4学时，包括拉格朗日动力学法和牛顿欧拉动力学法。机器人轨迹规划设定4学时，学习机器人路径规划和机器人轨迹规划。机器人控制设定6学时，介绍操作臂的线性控制、非线性控制和操作臂的力控制，让学生在修完自动控制原理或现代控制理论课程之后初步了解机器人的控制。课内实验包括Matlab仿真编程实验4学时和机械臂离线编程实验4学时。Matlab仿真编程实验让学生建立机器人模型并验证其正逆运动学方程以及机器人的轨迹规划。机械臂离线编程实验在实验室中对机械臂进行编程操作，包括码垛、标定、机器人轨迹示教编程和离线写字编程、离线打磨轨迹生成等，强化学生对理论知识的理解，锻炼学生对机器人的操作、应用和编程能力。

（3）改进教学方法和教学模式。教师采用多环节和多种方式教学，包括：课程讲授、课堂讨论、复习总结、专题报告等。用多媒体演示若干机器人的照片和录像，让学生对机器人有一个概括的了解。讲授机器人机构、运动学、动力学等内容时，通过图形视频辅助说明讲课内容。但是，机器人学是一门综合性较强的学科，很多内容仅靠理论讲解学生不容易接受，因此，可以采用案例式教学方法帮助学生深入理解课题讲授的知识。比如讲完机器人机构、运动学建模的章节，让学生使用Solidworks对简单的机器人模型进行建模并尝试结构创新，运用Matlab软件的Roboticstoolbox工具箱进行运动仿真验证。讲解动力学章节时，让学生在之前建立的三维模型和运动学模型基础上推导动力学模型，然后运用Adams软件进行动力学仿真。讲解机器人控制章节时，让学生使用Matlab软件的Simulink对先前建立的三维模型进行控制仿真。案例式仿真实验使学生在学习理论知识后及时获得结果反馈，提高了学生的学习兴趣，培养了学生的实践能力和创新意识。

采用线下线上混合式教学模式，如雨课堂可以将直接授课从集体性的学习空间中转移至个体性的学习空间，形成一种交互性的动态的学习空间，使学生在面对面授课中收获更为丰富、更具价值的学习体验。翻转课堂可以提高学生的学习兴趣、自主性和参与度。多样化的教学模式旨在启发学生如何发现问题，如何解决问题，鼓励学生提出新思想，培养创新意识。

（4）强化实践实验环节。将软件仿真结果用机器人实验设备进行验证，训练学生机器人实操应用能力；设计实验内容，让学生进行机器人编程、运动规划和控制实验，巩固课堂教学理论知识，提高学生综合应用能力；鼓励学生积极参加机器人操作和创新设计比赛，在比赛中理解和应用所学理论知识，以赛促学；设计基于项目式的实验方案，将教师的项目课题、“互联网+”或者大学生创新实践项目等相关的内容设计成机器人学实践实验方案，充分与实际工程应用和创新意识培养相结合，让学生主动参与并进行实践实验操作，运用所学知识和技能解决实际问题，使学生在实验中强化对问题的分析能力，激发学生的创新性思维，培养团队协作能力。

加强校企合作交流融合。充分利用芜湖市国家机器人产业园这一优势资源，积极与机器人相关企业合作。邀请企业人员来学院演讲交流，从企业角度启发学生，介绍机器人前沿技术和机器人相关的应用技术，提高学生的学习兴趣，引导学生进行创新性思考；创建企业机器人班，让有兴趣的学生积极报名，深入企业基层，了解机器人从研发到整装再到调试应用的过程，设定考核标准，对考核合格的同学颁发证书予以鼓励，表现特别优秀的学生可以和企业签订合同，毕业后直接进入企业工作；教师申请产学研项目，利用产学结合式培养方法，将课内课外实践及实验课程与项目结合起来；联合企业共建教学资源，深化产教融合，搭建机器人教学实验设备，产学研联合开发与应用；引入企业导师制，特聘企业优秀人才加入机器人学课程教学和学生培养当中，实现实际应用指导理论教学。

（5）完善考评体系。一般考核方式中，期末考试成绩占60%，平时成绩占40%，由于过于笼统，不能很好地反映出学生的综合能力。结合以上教学内容、教学方式的改革情况，对考核方式进行完善，将实践实验等过程充分纳入考核，合理划分期末考试、平时成绩、企业研学、创新竞赛和实验的占比，如期末考试成绩占50%，平时成绩占10%，项目式实验占20%，企业研学、创新竞赛各占10%。期末考试主要考查学生理论知识点掌握情况，平时成绩考查学生的学习态度、出勤等情况，项目式实验、企业研学及创新竞赛考查学生的创新能力和实践应用能力。通过多种形式的考核方式，全方位多角度地考察学生的学习效果和评价学生的综合素质，提高了学生学习兴趣，教学效果取得良好成效。

结语

结合新工科背景下机器人工程专业人才培养需求，针对我校机器人学课程教学过程中遇到的问题进行了教学改革的探索与实践，优化了教学内容，更加符合新工科人才培养需求；采用线上线下结合的教学模式和理论与仿真结合的教学方法，充分调动学生的学习兴趣；调整学时安排，丰富实践环节，加强校企交流融合，鼓励学生积极参加竞赛，提高了学生解决实际问题的能力和创新意识；完善课程考评方式，考察了学生的综合素质。通过教学改革提高了机器人工程专业学生的机器人学课程的教学质量和学习成效，为培养符合行业需求的新工科人才奠定了基础。

参考文献：

［1］高嵩，潘为刚，赵峰.新工科背景下的机器人学课程教学改革探索［J］.造纸装备及材料，2022，51（12）：242244.

［2］周开发，曾玉珍.新工科的核心能力与教学模式探索［J］.重庆高教研究，2017，5（03）：2235.

［3］刘辛军.机构与机器人学发展思考［J］.集成技术，2022，11（06）：14.

［4］陈德潮.大数据背景下机器人学课程的教学改革研究［J］.科技风，2020（05）：56.

［5］JohnJ.Craig.机器人学导论（第三版）［M］.北京：机械工业出版社，2014.

［6］MarkW.Spong，SethHutchinson，M.Vidyasagar.机器人建模和控制［M］.北京：机械工业出版社，2019.

基金项目：安徽省级本科质量工程项目（项目编号：2021jyxm0120；2021fwxxcy006）；安徽工程大学校级本科教学质量提升计划项目（项目编号：2022xxkk03；2021szyzk69；2023jyxm86；2023szyzk60）；安徽工程大学引进人才科研启动基金项目（项目编号：2021YQQ025）；2022年安徽工程大学校级质量工程课程建设类项目课程思政优质课“机器人工程专业前沿”

作者简介：姚辉晶（1990—），女，汉族，江苏徐州人，博士，讲师，研究方向：机器人机构学；江本赤（1979—），男，汉族，安徽金寨县人，博士，副教授，安徽工程大学人工智能学院副院长，研究方向：机器人技术与智能制造系统；刘玉飞（1988—），男，汉族，安徽利辛人，博士，副教授，安徽工程大学人工智能学院副院长，研究方向：机器人技术及应用。