淺談機(jī)器人教學(xué)課程的理論研究與實(shí)踐創(chuàng)新

薛子云

摘要：為了提高工科學(xué)生的工程素養(yǎng)，對(duì)以“未來(lái)之星”機(jī)器人為平臺(tái)的機(jī)器人教學(xué)課程從教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面進(jìn)行了研究和探索，并在逾3年的實(shí)際教學(xué)工作中進(jìn)行了實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人教學(xué)；能力培養(yǎng)；實(shí)踐教學(xué)

工科學(xué)生必須重視理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)自己的工程意識(shí)、工程思維、工程方法，以達(dá)到具有分析、解決工程實(shí)際問題的能力?，F(xiàn)在許多大學(xué)對(duì)學(xué)生進(jìn)行專業(yè)教育的同時(shí)，也使學(xué)生的知識(shí)和眼界相對(duì)封閉和狹窄。但是在社會(huì)實(shí)際工作中往往需要學(xué)生能夠把相關(guān)學(xué)科知識(shí)融會(huì)貫通地運(yùn)用，這在工程領(lǐng)域尤為突出。而機(jī)器人教學(xué)課程為解決上述矛盾提供了一種新的思路。作為一種綜合性的學(xué)習(xí)科研活動(dòng)，機(jī)器人教學(xué)課程打破了學(xué)科與學(xué)科之間的活動(dòng)界線，加強(qiáng)了計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械制造、電子工程以及工業(yè)自動(dòng)化等幾個(gè)相關(guān)學(xué)科間的橫向聯(lián)系，讓學(xué)生能夠從一個(gè)系統(tǒng)工程的角度，整體地理解自己所學(xué)的理論知識(shí)，拓寬專業(yè)知識(shí)面，開闊視野。

一、機(jī)器人課程教學(xué)的目的

機(jī)器人教學(xué)課程使大學(xué)生的創(chuàng)新教育、實(shí)踐教育以及專業(yè)技術(shù)教育擁有全新的模式，激活和強(qiáng)化學(xué)生的多元能力特長(zhǎng)，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，訓(xùn)練學(xué)生自主建構(gòu)知識(shí)的能力。機(jī)器人教學(xué)課程使學(xué)生在學(xué)習(xí)實(shí)踐的過程中建構(gòu)廣域的工科知識(shí)基地，對(duì)材料、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)硬件、軟件均有直觀地認(rèn)知。在學(xué)習(xí)實(shí)踐的過程中激發(fā)和強(qiáng)化他們的創(chuàng)造力、動(dòng)手能力、協(xié)作能力、綜合能力和進(jìn)取精神。運(yùn)用全新的評(píng)價(jià)體系，幫助學(xué)生全方位認(rèn)知自己的能力結(jié)構(gòu)和能力特點(diǎn)，為系統(tǒng)建構(gòu)他們的能力特點(diǎn)打下基礎(chǔ)。

在教學(xué)過程中注重對(duì)學(xué)生以下幾個(gè)方面的素質(zhì)進(jìn)行培養(yǎng)和提升：培養(yǎng)和開發(fā)學(xué)生多學(xué)科知識(shí)綜合應(yīng)用能力；對(duì)機(jī)器人所涉及的多領(lǐng)域知識(shí)有直觀的認(rèn)知；培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力；激發(fā)學(xué)生探究本專業(yè)相關(guān)問題的興趣；了解機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

二、機(jī)器人課程教學(xué)的內(nèi)容與設(shè)計(jì)

機(jī)器人的核心是智能技術(shù)，其外延則涵蓋了機(jī)械、電子、通訊、控制等多個(gè)學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域，是一個(gè)學(xué)科技術(shù)群。在充分學(xué)習(xí)和借鑒各個(gè)學(xué)校的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)我校實(shí)際情況，筆者及其所在的教研組開發(fā)了一系列機(jī)器人教學(xué)課程，多方面、分層次地開展機(jī)器人教學(xué)活動(dòng)。

以“未來(lái)之星”為平臺(tái)的機(jī)器人教學(xué)課程作為機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)系列課程中的一個(gè)組成部分，正在發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用?！拔磥?lái)之星”機(jī)器人是一種小型地面移動(dòng)機(jī)器人，通過機(jī)載高度集成的Intel嵌入式主板，采用Windows操作系統(tǒng)，學(xué)生可以直接采用Visual C++環(huán)境開發(fā)機(jī)器人上位機(jī)程序，進(jìn)行路徑規(guī)劃、語(yǔ)音交互、圖像識(shí)別、動(dòng)作編輯等實(shí)驗(yàn)。以“未來(lái)之星”為平臺(tái)的機(jī)器人教學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容主要分為基礎(chǔ)理論與實(shí)踐創(chuàng)新兩大部分。其中基礎(chǔ)理論部分包括：

1.機(jī)器人概述部分：介紹典型的著名機(jī)器人，包括輪式機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、仿生機(jī)器人等各個(gè)類別的機(jī)器人。在概述部分每年都增加新的機(jī)器人的研究進(jìn)展，使學(xué)生在了解歷史的同時(shí)也開闊了眼界。

2.機(jī)器人整體系統(tǒng)部分：以未來(lái)之星機(jī)器人為教學(xué)平臺(tái)，介紹其硬件電路系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，其中硬件部分包括其系統(tǒng)架構(gòu)、能源與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)電路和總線系統(tǒng)，軟件部分包括軟件開發(fā)平臺(tái)的介紹和軟件架構(gòu)層次關(guān)系。

在基礎(chǔ)理論部分講解之后，都安排有針對(duì)性的實(shí)踐項(xiàng)目，讓學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新環(huán)節(jié)加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解并在實(shí)際運(yùn)用中加以創(chuàng)新。實(shí)踐創(chuàng)新環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)包括：

1.硬件部分實(shí)踐項(xiàng)目：這部分所安排的實(shí)踐項(xiàng)目，屬于基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，包括：LCD及鍵盤電路的設(shè)計(jì)、建立串口通訊、串口通訊控制機(jī)器人、陀螺儀和傾角計(jì)在機(jī)器人上的基本應(yīng)用。

2.軟件部分實(shí)踐項(xiàng)目：這部分的實(shí)踐項(xiàng)目主要是使用VisualC++編程環(huán)境在PC端進(jìn)行的策略和自主功能程序的開發(fā)，包括基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和高級(jí)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

三、機(jī)器人課程教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

在整個(gè)教學(xué)過程中，采用以實(shí)踐教學(xué)為主、理論講授為輔的教學(xué)方式。在學(xué)時(shí)的分配上理論與實(shí)驗(yàn)所占的學(xué)時(shí)比例為1∶1.5。實(shí)驗(yàn)以分組的方式進(jìn)行，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的難度和設(shè)備的數(shù)量，每組學(xué)生為2~4人，以便于學(xué)生之間進(jìn)行交流和討論。在實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)生遇到自己難解決的問題可隨時(shí)與教師進(jìn)行交流，以利于教師及時(shí)解決學(xué)生的問題并實(shí)時(shí)把握學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)。由于學(xué)生的思維都相當(dāng)活躍，教師與學(xué)生進(jìn)行交流的過程同時(shí)也是一個(gè)教學(xué)相長(zhǎng)的過程。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力都在不斷提高。

除了采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式外，教學(xué)中還設(shè)置了課堂討論和專題作業(yè)論文的環(huán)節(jié)。為了調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓他們充分參與到機(jī)器人的學(xué)習(xí)過程中，在每階段的教學(xué)內(nèi)容中都設(shè)置了討論的問題，讓學(xué)生自己來(lái)表述解題的方法、對(duì)問題的看法，并讓他們之間進(jìn)行互相辯論，老師作為一個(gè)仲裁者的身份進(jìn)行討論的組織和總結(jié)。專題作業(yè)論文是讓學(xué)生完成一份關(guān)于機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的調(diào)研報(bào)告，主要是為了拓展學(xué)生的知識(shí)面，同時(shí)把課堂學(xué)習(xí)的機(jī)器人知識(shí)與自己的專業(yè)知識(shí)結(jié)合起來(lái)。選題內(nèi)容可從老師提出的一些題目中選取，也可由學(xué)生自定。

在考核方式上，采取理論考試與實(shí)踐活動(dòng)分別占30%和70%的評(píng)定方式，目的在于引導(dǎo)學(xué)生在理解基礎(chǔ)理論知識(shí)的同時(shí)更加注重實(shí)踐能力的培養(yǎng)。實(shí)踐活動(dòng)包括平時(shí)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和專題作業(yè)論文的完成情況以及課堂討論中的表現(xiàn)等，以促進(jìn)學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中得到多方面的能力培養(yǎng)和鍛煉。

四、機(jī)器人課程教學(xué)的效果

在以上的學(xué)習(xí)實(shí)踐過程中，盡管學(xué)生們?cè)趯?shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了各種各樣的錯(cuò)誤，但學(xué)生的興致很高，往往一直操作到下課還利用課余時(shí)間來(lái)繼續(xù)未完成的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生反映這種實(shí)踐課程對(duì)他們的鍛煉價(jià)值很大，因?yàn)榘牙碚摵蛯?shí)際之間的這層窗戶紙給打通了，讓學(xué)生對(duì)這門機(jī)器人課程有了一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和理解。在課堂討論的環(huán)節(jié)中，最初只是鼓勵(lì)學(xué)生表述自己在實(shí)驗(yàn)中遇到的問題以及解決的方法，隨著課堂討論次數(shù)的增多，學(xué)生的思路逐漸開闊，對(duì)問題的看法也更加深入，辯論的氛圍逐漸濃厚起來(lái)。在辯論中，學(xué)生感覺收獲很大。通過以上的學(xué)習(xí)，學(xué)生主要有以下三方面收獲：（1）知識(shí)方面：了解工科的基本知識(shí)框架、能力框架、專業(yè)方向；了解工科學(xué)生的知識(shí)和能力需求。（2）能力方面：發(fā)現(xiàn)自己的能力特長(zhǎng)；培養(yǎng)動(dòng)手能力，團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，創(chuàng)新能力；培養(yǎng)自學(xué)能力，演講能力；培養(yǎng)自我認(rèn)識(shí)能力；培養(yǎng)情報(bào)檢索能力。（3）興趣方面：進(jìn)入真正以學(xué)生為本的學(xué)習(xí)氛圍，在充滿樂趣和成就感的氛圍中自主體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，自己發(fā)現(xiàn)要探索的知識(shí)點(diǎn)。

學(xué)生在接觸和學(xué)習(xí)機(jī)器人的過程中，實(shí)際上是在機(jī)器人研究探索中對(duì)其他學(xué)科知識(shí)的拓展。隨著機(jī)器人課程在各高校中變得越來(lái)越普遍，如何結(jié)合機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展做好機(jī)器人的教學(xué)工作是許多機(jī)器人教育工作者關(guān)心的問題。筆者通過對(duì)機(jī)器人教學(xué)課程進(jìn)行深入地理論研究，結(jié)合本校機(jī)器人教學(xué)的實(shí)際情況，對(duì)以“未來(lái)之星”機(jī)器人為平臺(tái)的機(jī)器人教學(xué)課程進(jìn)行了研究和探索，并在逾3年的實(shí)際教學(xué)工作中進(jìn)行了實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。

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（作者單位 北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院）