人形機器人教學(xué)平臺的設(shè)計

馮文芹

【摘 要】人形機器人是信息技術(shù)發(fā)展的前沿領(lǐng)域，是一門具有高度綜合滲透性、前瞻未來性、創(chuàng)新實踐性的學(xué)科，蘊涵著極其豐富的教育資源。人形機器人教學(xué)平臺的設(shè)計緊隨我國中高職類院校科技發(fā)展的趨勢，能夠提高中高職類院校的科技創(chuàng)新水平，能夠成為中高職類院校培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和動手操作能力的平臺，能夠融入校園文化建設(shè)與學(xué)校的辦學(xué)理念、育人環(huán)境、辦學(xué)特色等形成和諧統(tǒng)一的整體。

【關(guān)鍵詞】中職院校發(fā)展 人形機器人 教學(xué)平臺設(shè)計

一、人形機器人概述

人形機器人的研究起步于1960年代后期，目標(biāo)是解決人形機器人的雙足行走問題。進入1990年代，人形機器人在控制方法和人工智能等方面的研究成果不斷出現(xiàn)，從而推動了人形機器人技術(shù)的快速發(fā)展，此后機器人的行走能力、智能化和功能都越來越強大，最著名的人形機器人就是本田公司的ASIMO。

人形機器人的出現(xiàn)是計算機科學(xué)、傳感器技術(shù)、機械科學(xué)等學(xué)科的技術(shù)進步，也是人類日常生活需要的產(chǎn)物。目前我國人口老齡化問題日益顯現(xiàn)，在以后的幾十年時間里必將影響社會的發(fā)展。人形機器人的出現(xiàn)一定程度上能夠緩解人口老齡化帶來的勞動力資源緊張的局面，同時人形機器人能夠代替人類在惡劣以及高危環(huán)境下工作。

二、建立人形機器人教學(xué)平臺的必要性

我國的人形機器人研究起步于1986年啟動的國家高技術(shù)計劃，經(jīng)過二十多年的研究，取得了豐碩的成果。如北京理工大學(xué)研制的機器人“匯童”有32和自由度，能根據(jù)自身平衡狀態(tài)和地面高度變化實現(xiàn)未知路面的穩(wěn)定行走。進入21世紀，機器人已經(jīng)不再局限于工業(yè)上的應(yīng)用，而應(yīng)該在社會的各個行業(yè)合理利用。如何讓人形機器人在教育應(yīng)用上發(fā)揮其應(yīng)有的作用成為當(dāng)前研究的重點。隨著全國乃至國際各類機器人大賽的日益升溫，各類職業(yè)院校迫切希望能在機器人大賽中獲得成績來提升學(xué)校綜合競爭力以及知名度，因此職業(yè)院校建立人形機器人教學(xué)平臺成為需要，同時也能有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有很好的趣味性和挑戰(zhàn)性。

讓機器人教育走進學(xué)校，開發(fā)機器人文化的教育功能和發(fā)掘智能機器人的教育價值，對推進教育創(chuàng)新，促進教育改革和教育現(xiàn)代化，對創(chuàng)造型、研究型、專家型教師隊伍的形成，對提高學(xué)生的創(chuàng)新和實踐能力，同時對我國機器人事業(yè)的發(fā)展、人才高地的建設(shè)，都具有重要的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。

因此，建立人形機器人教學(xué)平臺是十分必要的，它適合于機電一體化、電氣自動化、機械制造及其自動化、機械電子工程、機械設(shè)計與理論、數(shù)控技術(shù)、自動控制等相關(guān)專業(yè)的一體化教學(xué)和培訓(xùn)。

三、教學(xué)平臺實施步驟

（一）加強學(xué)校硬件設(shè)備的建設(shè)

學(xué)校積極籌措資金、充實有關(guān)設(shè)備。準備購買新機器人器材的資金，為機器人活動添加硬件設(shè)備，以此來創(chuàng)設(shè)良好的機器人學(xué)習(xí)環(huán)境，推動機器人教學(xué)。根據(jù)總體設(shè)計方案的要求，我們購買了兩臺機器人的配件，一臺用于項目組前期做實驗，另一臺則用于高級班的機器人一體化教學(xué)。

（二）提高教師專業(yè)素質(zhì)，提升學(xué)校軟實力

我們著力通過培訓(xùn)、教研、講座三個環(huán)節(jié)來提高參與師生素質(zhì)。

首先是培訓(xùn)，教師對機器人技術(shù)的認識決定著機器人教學(xué)的成敗。因為教師是方案的直接參與者，只有當(dāng)教師充分認識到機器人技術(shù)的價值，對課題研究充滿信心并熱情投入時，課題研究才能收到良好的效果。為此，我們加強了參與教師的理論學(xué)習(xí)。首先要抓的是教育觀念的更新，我們準備通過學(xué)習(xí)先進的教學(xué)資料，組織教師認真學(xué)習(xí)相關(guān)教育理論和文件。幫助教師從理論上提高對課題實驗的必要性、重要性的認識，促進教師進一步樹立正確的教育觀念，為實驗的順利開展奠定堅實的思想基礎(chǔ)。

其次是教研。為適應(yīng)課題研究的需要，我們要進一步開展參與教師專題討論，組織教師開展課外機器人活動的現(xiàn)場觀摩，并進行案例分析，積累實際教學(xué)經(jīng)驗，提高教師把機器人技術(shù)融入教學(xué)實踐的能力；組織校內(nèi)外機器人競賽活動，使參與教師在相互交流中提高，在實踐探索中成長。

三是講座。學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)邀請專家來校講座，進一步提高課題組成員的理論基礎(chǔ)，并請專家進行現(xiàn)場指導(dǎo)，對涌現(xiàn)出的好做法、好經(jīng)驗，及時總結(jié)、推廣；對發(fā)現(xiàn)的問題，面對面地進行指導(dǎo)幫助。有效地調(diào)動了教師的積極性，確保平臺實施的順利進行。

（三）組建機器人實驗室及學(xué)生興趣小組

由機電科組牽頭組建機器人項目實驗室，從機電一體化、電氣自動化、電工與電子等專業(yè)學(xué)生中挑選學(xué)習(xí)成績比較優(yōu)秀同時又對機器人制作感興趣的學(xué)生組成學(xué)生機器人興趣小組。由指導(dǎo)教師編寫有關(guān)人形機器人的制作指導(dǎo)教材，從傳感器的性能到人形機器人的組裝再到程序的編寫，通過對興趣小組學(xué)生進行授課，使他們逐步進入機器人科學(xué)世界。

（四）應(yīng)用到一體化教學(xué)

通過興趣小組的引導(dǎo)，逐漸將機器人教學(xué)向?qū)W科課程發(fā)展。隨著中職院校教學(xué)改革和課程改革的實施，機器人教學(xué)走進課堂是一種必然的發(fā)展方向。面向機電一體化以及電氣自動化專業(yè)高級班學(xué)生開設(shè)《機器人制作》課程，講解人形機器人的控制板、傳感器、輸出設(shè)備等硬件知識以及人形機器人控制程序的開展等軟件知識。

通過項目教學(xué)法，讓學(xué)生在學(xué)完本課程內(nèi)容后能獨立組裝并調(diào)試人形機器人，讓學(xué)生知道如何將學(xué)習(xí)的內(nèi)容應(yīng)用到生產(chǎn)和生活實際當(dāng)中，提高學(xué)生和學(xué)校的競爭能力。

四、平臺建立后所獲成效

（一）人形機器人各項技術(shù)指標(biāo)達標(biāo)，作為機器人一體化的教具，并加以推廣

通過對機、電、材料、計算機、傳感器、控制技術(shù)等學(xué)科相關(guān)知識的講解，讓學(xué)生將所學(xué)的知識應(yīng)用到實踐中，完成對人形機器人的設(shè)計與制作，由此成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和動手操作能力的平臺，讓更多的學(xué)生參與其中。學(xué)生的設(shè)計成果能參加國際、國內(nèi)各種機器人比賽，學(xué)校將一直保留學(xué)生的作品供師生參觀學(xué)習(xí)，共同提高。同時可推廣為中等專業(yè)和大學(xué)相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)和創(chuàng)新課程學(xué)習(xí)的教具，既教會了學(xué)生各種專業(yè)知識，又讓學(xué)生通過動手、動腦實踐，提高了綜合素質(zhì)。

（二）學(xué)生素質(zhì)顯著提高，與時俱進，滿足社會對現(xiàn)代高級技工的培養(yǎng)要求

1.學(xué)生的邏輯思維能力顯著提高

程序是機器人的思想，需要有嚴密的邏輯結(jié)構(gòu)，使機器人按照程序進行活動。因此編寫程序是機器人教學(xué)的一個重要內(nèi)容。學(xué)生在了解機器人的結(jié)構(gòu)、工作原理和各部件功能的基礎(chǔ)上，根據(jù)任務(wù)來編寫程序，為培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力提供了很好的途徑。

2.學(xué)生分析問題，解決問題的能力增強

制作人形機器人是一個非常復(fù)雜的過程，設(shè)計機器人的搭建、編程、運行和調(diào)試的反復(fù)過程。學(xué)生要學(xué)會分析問題，分析是哪一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題。學(xué)生在分析原因的同時，也要考慮解決問題的辦法，根據(jù)實際情況進行修改、調(diào)試和優(yōu)化，分析出錯原因，提出解決問題的辦法。

3.學(xué)生創(chuàng)新能力、實踐能力明顯提高

通過課題實驗，充分發(fā)揮一體化教學(xué)的優(yōu)勢，整合課程資源，通過多維互動的課堂教學(xué)，促進了學(xué)生創(chuàng)新能力、實踐能力的提高。

在教學(xué)中加大機器人方面的知識和實際操作培訓(xùn)，培養(yǎng)出更多數(shù)量和更高質(zhì)量的“藍領(lǐng)”“灰領(lǐng)”人才，學(xué)生的動手能力和實踐能力增強了，對機器人的機械控制和電氣控制等知識的了解也能夠滿足對各種家用和工業(yè)機器人的簡單開發(fā)和使用的需要。

4.學(xué)生的團隊合作能力提高

機器人教學(xué)多以小組形式開展，機器人的學(xué)習(xí)其實就是團隊合作學(xué)習(xí)的過程。機器人的成功制作要求團隊成員團結(jié)協(xié)作，利用集體的力量來完成個人難以完成的問題，在實踐中培養(yǎng)團隊合作能力。

（三）教師綜合素質(zhì)明顯增強

要求教師對機器人重要性的認識進一步加深，進一步學(xué)習(xí)機器人方面的技術(shù)。同時，自身素質(zhì)的提高與積極利用課程資源為機器人教學(xué)服務(wù)已成為教師的內(nèi)在需求，學(xué)習(xí)中提高自己業(yè)務(wù)水平已成為絕大部分教師自覺的要求。

（四）獲獎

在第九屆技能節(jié)國際智能機器人競賽暨廣東省技工院校機器人制作表演賽中，我校機器人教學(xué)平臺培養(yǎng)出來的學(xué)生經(jīng)過與國內(nèi)外7所知名技工院校激烈角逐后，勇奪國際智能機器人競賽和機器人擂臺比賽兩個項目的三等獎和優(yōu)秀組織獎。

五、結(jié)語

機器人技術(shù)是一門橫跨多個學(xué)科的綜合性技術(shù)，通過對人形機器人的設(shè)計和實踐教學(xué)，使學(xué)生對機電控制系統(tǒng)和機器人系統(tǒng)有了完整的理解。學(xué)生對人形機器人的了解和實際操作，加強了學(xué)生對現(xiàn)代機械設(shè)備和操控能力，提高了學(xué)生和學(xué)校的競爭能力。學(xué)生由此知道了學(xué)習(xí)內(nèi)容是如何應(yīng)用到生產(chǎn)和生活實際當(dāng)中，激發(fā)了學(xué)習(xí)的興趣和熱情，改善學(xué)習(xí)風(fēng)氣和學(xué)習(xí)態(tài)度。使用機器人作為學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的平臺，本身也是對教學(xué)實踐的創(chuàng)新，為社會培養(yǎng)創(chuàng)新性人才，為創(chuàng)建和諧社會、創(chuàng)新社會做出應(yīng)有的貢獻。

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