以實踐為導向的機器人教學改革探索

張奔

摘 要 針對我國高校機器人實踐教學的不足，結合三江學院開展機器人教學現(xiàn)狀進行分析研究，以實踐為導向，提出針對機器人教學內(nèi)容、方法的多層次立體的教學改革和探索。實踐表明，改革后的教學內(nèi)容和方法能有效提升學生的工程能力和創(chuàng)新意識，也為工科院校開展以實踐教學為導向、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的模式進行了有效的探索與實踐。

關鍵詞 機器人教學；教學模式；實踐教學；教學改革

中圖分類號：TP242.2 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）06-0091-02

1 前言

機器人是高度整合機械、電子、計算機、材料、控制和仿生學的產(chǎn)物，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、軍事等領域中均有重要用途，機器人學已經(jīng)成為近年來各國科技發(fā)展的重要方向。因此，機器人教育已經(jīng)成為高等院校相關專業(yè)的重要課程。但是由于機器人學的多學科交叉性以及較強的理論和實踐性要求，只有制訂一套切實符合應用型本科教學規(guī)律及要求的課程教學方案，強化實踐，以應用為導向，才能真正意義上培養(yǎng)適合地方工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的應用型人才。

本文以三江學院機械工程學院機械電子工程專業(yè)為例，在對國內(nèi)外高校機器人學科教學調(diào)研的基礎上，針對本校本專業(yè)的特點，提出一些建議和改革措施，應用于近兩年的教學之中，并取得較好的教學效果[1]。

2 國內(nèi)外機器人教學現(xiàn)狀

美國機器人教學現(xiàn)狀 相對于國內(nèi)而言，美國等西方國家的機器人教育起步較早，從中小學到高等教育到研究生教育的機器人教學體系較為完善。如麻省理工、卡內(nèi)基·梅隆、斯坦福、伯克利等著名美國高校均針對不同對象開設了機器人課程。其機器人教學具有以下特點[2]。

1）課程設置靈活。美國高校中的機器人課程設置相對比較靈活，針對不同專業(yè)課程種類較多，如麻省理工學院就開設了機器人學、機器人導論、自控機器人設計競賽、機器人編程競賽等不同的課程。這些課程的針對方向和對象都不同，教學體系安排、考核方法也有所不同。

2）課程設置交叉性強。美國高校中機器人課程設置對學生知識領域的要求較高，這和美國完善的機器人乃至科技教學體系有關。許多高校的機器人課程對學生有很多先修課程要求，而且在導論性課程以后還有相關深入性課程供學生進行選修。以麻省理工為例，機器人導論課程需要先修動力學建模與控制課程，而機器人編程課程要求先修Java編程基礎。

3）以項目為導向，實踐性強。美國高校的機器人教學，尤其是科研實力較強的高校，往往以其最新的科研成果為載體，力圖讓學生參與到科研和實踐當中，在實踐和動手過程中學習。另外，很多課程的考核方式也是以團隊項目來代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義的理論考試。

國內(nèi)機器人教學現(xiàn)狀 國內(nèi)高校在最近幾年也都在相關專業(yè)的高年級或者碩士研究生階段開設了機器人相關課程。課程設置相對國外還比較單一，基本以機器人導論性課程為主。課程中理論環(huán)節(jié)比重較大，實踐環(huán)節(jié)較少，很多高校實踐課程為零。

三江學院針對機械電子工程專業(yè)在第七學期開設機器人技術及其應用這門課程，其教學環(huán)節(jié)及過程還存在很多不足。

1）重理論輕實踐。大量的教學時間花費在機器人機構學和控制策略的講述上，而實踐動手機會很少，學生大多興趣不高，接受程度也較差。

2）教學內(nèi)容較為陳舊。機器人學科發(fā)展日新月異，而機器人課程教學還是以傳統(tǒng)經(jīng)典教材為主，教學內(nèi)容落后，并不能跟上時代要求，導致學生學而無用，校園學習和工作實踐相脫節(jié)。

3 改革措施及效果

針對三江學院機器人技術及其應用課程存在的問題和不足，以實踐為導向，提出一系列課程體系改革的方法和方向。

將機器人與其他相關課程教學相結合 機器人學本身是一門多學科交叉性學科。就三江學院機械電子工程專業(yè)而言，在進行機器人課程教學之前，學生已經(jīng)先修過機械設計、理論力學、C語言、單片機等相關課程，但教學中并沒有以機器人為對象進行過研究。

在機械電子工程專業(yè)學生的相關先修課程教學中，試圖以機器人為本體，在教學中對機器人的相關知識做到簡單介紹；另外在相關課程的課程設計中，如單片機課程設計中，將機器人控制系統(tǒng)作為設計內(nèi)容，兩門課或多門課相結合進行學習，效果事半功倍。

注重實踐，提倡學生創(chuàng)新性培養(yǎng) 實踐教學一直是工科高校尤其是應用型本科院校的重要教學手段。機器人學也是一門典型的實踐教學課程，除了在有限的理論教學時間內(nèi)，要求學生掌握機器人機構學、運動學、控制學、人工智能等各個方面的知識以外，還以實踐為導向，引導學生動手去分析和解決問題，這對學生對知識的理解和掌握更為重要[3]。

結合機械工程學院機器人綜合實驗室，借助各種機器人開發(fā)平臺，組裝機器人，編寫、調(diào)試機器人程序，讓更多的學生在更多的教學環(huán)節(jié)進入實驗室中。具體措施如下所示。

1）完善實驗室建設，增大實踐教學比重。機器人課程實踐從零開始，其比重逐年增大，實驗室已經(jīng)可以針對不同的教學內(nèi)容開設16個課時的針對性課內(nèi)實驗。

2）以比賽促學習，調(diào)動學生學習積極性。組織學生參加各種機器人比賽，在實踐課程中就引入課內(nèi)競賽的機制，一方面對實踐教學進行補充，另一方面對學生進行選拔，進而為師生構建科研團隊、構建創(chuàng)新性培養(yǎng)平臺提供有利基礎。近年來，實驗室在多項全省機器人競賽中獲得優(yōu)異的成績。

3）改革課程考核體系，提高實踐比重。以往的機器人課程考核多數(shù)以理論考試為主，學生往往以此忽略實踐環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在采用理論考核+實驗考核+綜合作業(yè)的方式進行全面考查，而且其比重為5：2：3。尤其是在理論課程開始就下發(fā)綜合作業(yè)，要求學生以任務為導向，在理論課學習過程中，利用所學知識及時解決實際問題。將機器人理論教學與實踐教學相結合，并對課程內(nèi)容進行延展，充分調(diào)動學生學習的積極性和課下自學的能力。改變以往實踐教學中標準化、程序化的弊端，使學生不受教材和結論的約束，完全做到自主性學習和研究，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、動手能力和跨專業(yè)綜合應用能力[4]。

開展校企合作，深化學生能力培養(yǎng) 隨著中國工業(yè)向工業(yè)4.0轉(zhuǎn)型，機器人成為工業(yè)4.0生態(tài)系統(tǒng)中的重要一環(huán)，尤其是近年來，由于人力成本的增高和計算機等相關行業(yè)的發(fā)展，機器人工業(yè)發(fā)展日益蓬勃。

因此，企業(yè)對機器人方面的人才需求也相應增加。通過對西門子、埃斯頓等相關機器人企業(yè)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)企業(yè)對畢業(yè)生的知識技術要求和傳統(tǒng)的機器人教學知識儲備存在較大的出入。造成以上矛盾的主要原因是傳統(tǒng)的機器人教學以理論教學為主，著重于對機器人運動學、動力學及控制學等相關學科的簡單堆砌，而缺乏以機器人為對象的實踐應用型教學。

通過和企業(yè)進行理論教學+實驗室共建+工廠實習+畢業(yè)實習+就業(yè)的多層次合作，吸收企業(yè)靈活、應用性強、知識技術更新快等優(yōu)勢，增強機器人教學的實踐導向性，使學生更直觀和深入地認識機器人，掌握機器人應用的相關知識。具體措施包括[5]：

1）學習相關企業(yè)對于機器人領域崗前培訓的內(nèi)容，了解企業(yè)需求，并盡可能地把企業(yè)需要的知識糅合到機器人理論教學之中；

2）和企業(yè)進行機器人實驗室共建，請企業(yè)工程師加入到實踐教學環(huán)節(jié)中，幫助學生提高實踐動手能力；

3）組織學生進行工廠參觀實習和畢業(yè)實習，讓畢業(yè)生在進行畢業(yè)實習的同時，以工程項目為背景，進行畢業(yè)設計。

4 總結與展望

通過以實踐教學為導向的機器人教學改革，加強學生對知識的掌握，提高教學質(zhì)量，增強學生的動手能力和就業(yè)競爭力。通過在三江學院機械電子工程專業(yè)的教學實踐反饋來看，機器人教學改革受到學生、教師和用人單位的一致好評。如何通過以機器人教學為載體，進一步強調(diào)實踐教學重要性，通過實踐教學和理論教學相結合，激發(fā)學生的創(chuàng)新能力和協(xié)作能力，是進一步進行機器人教學改革和發(fā)展的方向。

參考文獻

[1]李彥林，郭建新，胡蓉，等.工程訓練課程體系中機器人模塊教學改革[J].實驗科學與技術，2010，8（5）：132-134.

[2]張存鷹，尹飛凰.關于高職院校實現(xiàn)機器人教學的探索與實踐[J].價值工程，2011，30（12）：198.

[3]楊維，呂棟騰，吳德君，等.高職《機器人制作與編程》課程教學改革與實踐[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2014（17）：207-208.

[4]戰(zhàn)強，閆彩霞，蔡堯，等.機器人教學改革的探索與實踐[J].現(xiàn)代教育技術，2010，20（3）：144-146.

[5]肖靜，余穎，張道海，等.立足機器人競賽促進創(chuàng)新訓練與實踐教學改革[J].東華理工大學學報：社會科學版，2013，32（2）：189-192.