機(jī)器人創(chuàng)新工程實(shí)踐教學(xué)改革與探索

張毅+汪幫富+王思明

摘要：機(jī)器人創(chuàng)新工程實(shí)踐教學(xué)旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力。本文闡述了機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題、培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)改革等方面的內(nèi)容，旨在探索機(jī)器人創(chuàng)新工程實(shí)踐教學(xué)體系與教學(xué)模式的改革，為機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人教學(xué)；實(shí)踐改革；創(chuàng)新工程

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）51-0133-02

一、傳統(tǒng)機(jī)器人實(shí)踐教育的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

1.教學(xué)內(nèi)容跟不上機(jī)器人的發(fā)展速度。隨工業(yè)4.0的提出和應(yīng)用，各國(guó)在機(jī)器人研發(fā)和制造方面投入了大量的精力和物力，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅速，而我們的教學(xué)大綱大多數(shù)幾年都沒(méi)有什么變化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)教師在授課時(shí)基本按照教學(xué)大綱執(zhí)行，對(duì)教學(xué)內(nèi)容的更新不多。課程設(shè)置的大多還是一些傳統(tǒng)基礎(chǔ)內(nèi)容，可能有部分內(nèi)容已經(jīng)不再使用，而不能把機(jī)器人學(xué)科前沿進(jìn)展和最新成果傳授給學(xué)生。

2.教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置上存在不合理。機(jī)器人教育在教學(xué)環(huán)節(jié)上存在不合理，大多數(shù)高校在機(jī)器人教育方面以理論課為主，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)不足，教師偏重于對(duì)理論課的講解，缺乏實(shí)踐動(dòng)手環(huán)節(jié)。而實(shí)踐環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)的最佳方法，是鍛煉學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題等必不可少的重要環(huán)節(jié)。

3.教育機(jī)器人產(chǎn)品缺少規(guī)范。目前，市場(chǎng)上生產(chǎn)和出售教育機(jī)器人的廠家很多，并且大多都是小企業(yè)，沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，所以自成體系，互不兼容，系統(tǒng)開(kāi)放度低，基本上不可能進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)用處不大。

二、機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)的培養(yǎng)目標(biāo)

1.熟練掌握基礎(chǔ)知識(shí)和靈活應(yīng)用能力。學(xué)生通過(guò)機(jī)器人創(chuàng)新工程實(shí)踐，可以深度掌握機(jī)械設(shè)計(jì)和制造技術(shù)、電路技術(shù)、電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制原理技術(shù)等知識(shí)以及基本實(shí)用電路設(shè)計(jì)，將所學(xué)理論知識(shí)靈活應(yīng)用于機(jī)器人創(chuàng)新工程實(shí)踐。

2.專業(yè)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，機(jī)電一體化產(chǎn)品是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)有機(jī)組合所構(gòu)成的整體，所以，在機(jī)器人創(chuàng)新工程實(shí)踐中，需要學(xué)生按機(jī)器人設(shè)計(jì)功能要求構(gòu)建相應(yīng)的機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，需要學(xué)生將所學(xué)習(xí)的機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造技術(shù)、電路、數(shù)電模電、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制原理、單片機(jī)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)等學(xué)科知識(shí)進(jìn)行融合，因此需要培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用多門專業(yè)知識(shí)的能力。

3.培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。機(jī)器人技術(shù)是一門跨專業(yè)、高度綜合的新興學(xué)科，其本身的綜合性非常強(qiáng)，涉及的學(xué)科也很多，如電路技術(shù)、數(shù)電模電技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制原理技術(shù)、機(jī)械制造設(shè)計(jì)和機(jī)電一體化技術(shù)等多門學(xué)科。在機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)和設(shè)計(jì)的過(guò)程中，由于受到學(xué)生的知識(shí)層次和動(dòng)手能力等方面的限制，所以需要多名同學(xué)組成學(xué)習(xí)小組，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、相互配合，才能設(shè)計(jì)制造出高質(zhì)量的機(jī)器人。小組成員既要分工又要合作，形成良好的團(tuán)隊(duì)，這就是未來(lái)社會(huì)需要的合作模式。所以說(shuō)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

4.分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和獨(dú)立思考能力。機(jī)器人創(chuàng)新工程實(shí)踐過(guò)程要求學(xué)生團(tuán)隊(duì)或小組獨(dú)立完成從車體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制器設(shè)計(jì)、傳感器應(yīng)用與檢測(cè)信息分析和處理、電源管理、控制軟件設(shè)計(jì)與編寫、系統(tǒng)安裝與調(diào)試到最終構(gòu)建一個(gè)完整的機(jī)電一體化系統(tǒng)，學(xué)生在整個(gè)過(guò)程中，機(jī)器人學(xué)習(xí)小組需要查閱相關(guān)資料、傳感器選擇與布置、程序編制和調(diào)試以及方案論證都要在獨(dú)立思考狀態(tài)下進(jìn)行，通過(guò)小組討論分析問(wèn)題，最終找到解決問(wèn)題的方法。

三、機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)的構(gòu)建

（一）實(shí)踐平臺(tái)硬件建設(shè)。我校在工程訓(xùn)練中心構(gòu)建了大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)平臺(tái)：機(jī)器人創(chuàng)新基地。它是一個(gè)培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)的實(shí)踐基地。該基地以開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室的方式進(jìn)行管理，是為學(xué)生和老師提供不同層次、不同專業(yè)的創(chuàng)新活動(dòng)和科研活動(dòng)的平臺(tái)。該平臺(tái)分為三部分：

1.以機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新為主體的機(jī)械設(shè)計(jì)制造平臺(tái)，該平臺(tái)重點(diǎn)為機(jī)械類學(xué)生提供工程實(shí)踐教學(xué)條件，使學(xué)生能從低年級(jí)就開(kāi)始參與較簡(jiǎn)單的機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，并培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、機(jī)械設(shè)計(jì)制造能力和創(chuàng)新意識(shí)。

2.以電子創(chuàng)新設(shè)計(jì)為主體的電子設(shè)計(jì)制作平臺(tái)，主要為電子、控制和機(jī)械電子類專業(yè)的學(xué)生提供實(shí)踐教學(xué)條件。該平臺(tái)以低年級(jí)的電子設(shè)計(jì)制作實(shí)踐為基礎(chǔ)，通過(guò)設(shè)計(jì)制作各種簡(jiǎn)單控制電路、控制系統(tǒng)提高學(xué)生的電子設(shè)計(jì)制作實(shí)踐能力，隨著實(shí)踐的深入開(kāi)展和學(xué)生能力的提高，實(shí)踐內(nèi)容可以加深，學(xué)生可以進(jìn)行更高層次的設(shè)計(jì)和制作。

3.以機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作為主體的機(jī)器人設(shè)計(jì)平臺(tái)，該平臺(tái)是由以前兩個(gè)平臺(tái)為基礎(chǔ)進(jìn)行綜合運(yùn)用的平臺(tái)。該平臺(tái)是一個(gè)團(tuán)隊(duì)協(xié)作的平臺(tái)，要求進(jìn)入的學(xué)生必須通過(guò)上面兩個(gè)平臺(tái)之一的實(shí)踐學(xué)習(xí)且具有一定的基礎(chǔ)之后，才可以根據(jù)機(jī)器人的功能和設(shè)計(jì)要求組合設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，由團(tuán)隊(duì)完成機(jī)器人的設(shè)計(jì)、制作全部過(guò)程。

（二）實(shí)踐平臺(tái)“軟件”建設(shè)

受傳統(tǒng)教學(xué)理念和教學(xué)模式的影響，大部分高校偏重理論教學(xué)而忽視實(shí)踐教學(xué)。我校在加強(qiáng)機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)硬件平臺(tái)建設(shè)的同時(shí)，也加強(qiáng)“軟件”建設(shè)。我校認(rèn)真對(duì)待實(shí)踐指導(dǎo)教師這支隊(duì)伍的建設(shè)和發(fā)展，已建立了一支實(shí)踐技術(shù)高、教學(xué)能力強(qiáng)、具有創(chuàng)新意識(shí)、符合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)要求和符合學(xué)?？茖W(xué)發(fā)展的高素質(zhì)實(shí)踐教師隊(duì)伍。其中，機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)建設(shè)時(shí)，充分考慮機(jī)器人技術(shù)綜合了多學(xué)科知識(shí)，因此需要一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的、多學(xué)科互補(bǔ)的教師團(tuán)隊(duì)，以利于更好地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新意識(shí)及競(jìng)賽能力；同時(shí)建立學(xué)生團(tuán)隊(duì)與梯隊(duì)，擴(kuò)大了學(xué)生競(jìng)賽的參與面，提高學(xué)生參與競(jìng)賽的熱情，并為學(xué)校選拔優(yōu)秀學(xué)生組隊(duì)參加國(guó)家級(jí)、省級(jí)競(jìng)賽提供參考。

四、機(jī)器人創(chuàng)新工程實(shí)踐教學(xué)改革與探索

1.突出以大賽為載體的教學(xué)模式。創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式的關(guān)鍵是必須找準(zhǔn)切實(shí)可行的載體，機(jī)器人創(chuàng)新工程實(shí)踐教學(xué)以機(jī)器人大賽為載體。通過(guò)大賽，強(qiáng)化教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新意識(shí)，在準(zhǔn)備期間，學(xué)生應(yīng)學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，踴躍進(jìn)行訓(xùn)練并形成自我學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣，使得學(xué)習(xí)和教學(xué)效果大大增強(qiáng)，不僅工程能力得到提高，也使得專業(yè)知識(shí)在訓(xùn)練中得到鞏固和升華，競(jìng)賽還有利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神、安全意識(shí)、環(huán)保意識(shí)和成本節(jié)約意識(shí)，提升學(xué)生的操作技能和綜合素質(zhì)。

2.注重創(chuàng)新教育，將大賽獲獎(jiǎng)作品推廣至課堂教學(xué)。一段時(shí)間的機(jī)器人創(chuàng)新工程實(shí)踐教學(xué)產(chǎn)生了大量較高水平的學(xué)生大賽獲獎(jiǎng)作品，這些作品對(duì)于低年級(jí)的學(xué)生非常有說(shuō)服力，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、自信心和主動(dòng)性。實(shí)踐教學(xué)可以以這些作品為內(nèi)容和對(duì)象，由任課教師進(jìn)行講解，重點(diǎn)講解其運(yùn)用的原理和解決問(wèn)題的思路、方法，以及運(yùn)用哪些基本理論知識(shí)的綜合，并針對(duì)某個(gè)作品發(fā)表各自的意見(jiàn)或者提出改進(jìn)的建議，有成熟的想法和能力的同學(xué)可進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

3.校企合作，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，增加課堂教學(xué)工程案例。機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于周邊生產(chǎn)制造企業(yè)，把一些典型的機(jī)器人技術(shù)工程案例引入課程教學(xué)，由工程師進(jìn)行講解，包括項(xiàng)目背景、設(shè)計(jì)要求、技術(shù)路線、詳細(xì)方案、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)以及整個(gè)項(xiàng)目的管理辦法。通過(guò)工程案例的講解，學(xué)生有了全面的了解和熟悉，對(duì)于增強(qiáng)工程意識(shí)和實(shí)踐能力非常有益。同時(shí)，加強(qiáng)校企合作關(guān)系，從企業(yè)選聘實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員兼職學(xué)校指導(dǎo)教師，把他們所掌握的知識(shí)及最新技術(shù)傳授給學(xué)生；引入和利用企業(yè)實(shí)踐基地，讓企業(yè)為學(xué)校提供校外實(shí)習(xí)基地，并由企業(yè)的技術(shù)骨干擔(dān)任實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師，拓展和更新實(shí)踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容和要求，提高實(shí)踐的真實(shí)性和工程性，讓學(xué)生感受“真刀真槍”的訓(xùn)練，從而形成和構(gòu)建優(yōu)良的工程實(shí)踐環(huán)境。

五、成果與總結(jié)

近年來(lái)，我校學(xué)生參加中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup（中國(guó)賽區(qū)）公開(kāi)賽等機(jī)器人大賽共獲得國(guó)家級(jí)和省級(jí)的亞軍和季軍獎(jiǎng)杯7座、獎(jiǎng)勵(lì)證書(shū)82張。說(shuō)明我校在機(jī)器人創(chuàng)新工程實(shí)踐教學(xué)方面的教學(xué)改革取得了良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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[2]戰(zhàn)強(qiáng).機(jī)器人教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2010，20（3）：144-146：139.

Robot Innovation Engineering Practice Teaching Reform and Exploration

ZHANG Yi1，WANG Bang-fu1，WANG Si-ming2

（1.Suzhou University of Science and Technology，Suzhou，Jiangsu 215009，China；

2.Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，Gansu 730070，China）

Abstract：Robot innovation engineering practice teaching aims to cultivate students' innovation consciousness and engineering practice ability. This paper expounds the practice teaching of the current situation and existing problems of robot，the training goal and the content of the teaching reform，explores the robot innovation engineering practice teaching system and teaching mode reform，as the robot in the process of practice teaching，improves students' innovative consciousness and engineering practice ability.

Key words：robot teaching；practice reform；innovation project