以“機器人”為主線的電子信息類專業(yè)綜合實踐教學(xué)改革

李菲

【摘 要】為了更好地實現(xiàn)高素質(zhì)工程技術(shù)人才的培養(yǎng)，對電子信息類專業(yè)的綜合實踐課程進(jìn)行了改革。機器人是電子信息類專業(yè)實踐教學(xué)的理想平臺，不僅可以進(jìn)行獨立的綜合實踐訓(xùn)練，也可與多門專業(yè)課程的實驗結(jié)合起來，對提高學(xué)生的設(shè)計與動手能力有很大的幫助。整個改革的內(nèi)容包括構(gòu)建以“機器人”為主線的新的實踐教學(xué)體系、以機器人實驗平臺為工程對象完成相關(guān)專業(yè)課程中實驗教學(xué)、在機器人平臺上實現(xiàn)綜合設(shè)計訓(xùn)練。

【關(guān)鍵詞】機器人；綜合實踐；教學(xué)改革

中圖分類號： G712；TP242-4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）26-0068-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.26.028

The comprehensive practice teaching reform of electronic information specialty with “robot” as the main line

LI Fei

（Shaoyang University，Hunan Shaoyang，422000， China）

【Abstract】In order to better realize the cultivation of high-quality engineering and technical personnel， the comprehensive practical course of the electronic information major has been reformed. Robot is an ideal platform for practical teaching of electronic information. It can not only carry out independent comprehensive practical training， but also can be combined with experiments of many professional courses， which is of great help to improve students' design and hands-on ability. The whole reform includes the construction of a new practical teaching system with "robot" as the main line， the robot experiment platform as the engineering object to complete the experimental teaching in relevant professional courses， and the comprehensive design training on the robot platform.

【Key words】Robot； Comprehensive practice； Teaching reform

1 機器人是電子信息類專業(yè)實踐教學(xué)的理想平臺

1.1 機器人涵蓋多門課程知識

機器人系統(tǒng)的綜合設(shè)計需要學(xué)生具備電子技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)等多門課程知識，通過整個機器人系統(tǒng)的實現(xiàn)，可完成學(xué)生所學(xué)課程間的知識融合，由單一的課程知識點到形成綜合性的知識體系。

1.2 提高學(xué)生設(shè)計與動手能力

由于機器人的綜合訓(xùn)練包括了機械結(jié)構(gòu)的搭建和功能系統(tǒng)測控，要完成整個訓(xùn)練需進(jìn)行合理的規(guī)劃和布局。這不僅鞏固了學(xué)生的理論知識，也提高了學(xué)生的動手能力，實現(xiàn)了學(xué)生從“學(xué)”到“用”再到“創(chuàng)新性應(yīng)用”的轉(zhuǎn)化。

1.3 培養(yǎng)學(xué)生獨立分析與解決問題的能力

機器人系統(tǒng)的實現(xiàn)是一個復(fù)雜的過程，它牽涉到零部件的選擇、傳感器、電機的選擇、運動方案的確定、參數(shù)的確定等多個環(huán)節(jié)，在實現(xiàn)的過程中，學(xué)生將遇到很多課本上沒有的實際問題，通過系統(tǒng)的訓(xùn)練，可使學(xué)生分析問題、解決問題的能力大幅度提高。

2 現(xiàn)狀分析

我校早在2008年就開始著手構(gòu)建關(guān)于機器人的實踐教學(xué)，該類教學(xué)主要面向電子信息工程、電子科學(xué)與技術(shù)、計算機與物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)生，旨在通過機器人系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，來培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和綜合設(shè)計能力。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，我校主要從機器人實驗室建設(shè)、師資培訓(xùn)和實踐課程建設(shè)三個方面進(jìn)行了重點建設(shè)與培養(yǎng)。經(jīng)過多年的建設(shè)，取得了一定成績，但也存在以下一些問題：

（1）機器人與專業(yè)課程結(jié)合性不強，大多獨立開設(shè)，而且只在第七學(xué)期開設(shè)，學(xué)習(xí)時間較短，沒有形成系統(tǒng)化；

（2）大多仍以知識傳授為主，沒有以學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)為前提；

（3）綜合設(shè)計的工程性不強，只對機器人的結(jié)構(gòu)鍵進(jìn)行拆裝與組合、或在現(xiàn)有程序上進(jìn)行修改等，具有很大的局限性，無法體現(xiàn)綜合設(shè)計，也無法體現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計。由于前期基礎(chǔ)薄弱，從機械結(jié)構(gòu)的搭建到信號的檢測再到功能的實現(xiàn)這整個設(shè)計過程中，學(xué)生感覺較困難，涉及的知識點也多，學(xué)生一時掌握不了。而且，實現(xiàn)的系統(tǒng)功能有限，僅限于簡單的運動，無法完成某種特定功能。

3 建設(shè)目標(biāo)與內(nèi)容

根據(jù)電子信息類人才培養(yǎng)目標(biāo)和機器人課程現(xiàn)存的問題，需建設(shè)的目標(biāo)與內(nèi)容有：

（1）圍繞專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，以綜合設(shè)計能力為導(dǎo)向，加強產(chǎn)教融合，建立以“機器人”為主線的電子信息類專業(yè)綜合實踐教學(xué)課程體系。

（2）整合和優(yōu)化電子信息類專業(yè)實踐課程的教學(xué)模式與內(nèi)容，將機器人平臺融入到專業(yè)課程中，實現(xiàn)以“機器人”為工程對象的理論學(xué)習(xí)與應(yīng)用；

（3）將教學(xué)從教師的“理論知識傳授”轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生的“綜合設(shè)計能力實現(xiàn)”，深化產(chǎn)學(xué)研協(xié)同育人，全面提升學(xué)生的綜合實踐能力，培養(yǎng)高素質(zhì)的信息類工程技術(shù)人才。

（4）建立科學(xué)的保障機制與評價體系。

4 具體實施辦法

4.1 以綜合設(shè)計能力為導(dǎo)向，構(gòu)建以“機器人”為主線的新實踐教學(xué)體系

根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)，形成以“機器人為實驗平臺”的實踐課程體系，具體如圖1所示。整個課程體系分為按照年級分為四個階段，大一階段主要是進(jìn)行學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)，通過機器人第二課堂學(xué)習(xí)機器人的結(jié)構(gòu)搭建和圖像化編程形式，同時在這個階段會開設(shè)C語言課程，學(xué)會在機器人應(yīng)用中如何進(jìn)行C語言編程。在大二和大三階段主要是專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，在這兩個階段主要將機器人平臺和專業(yè)課程結(jié)合起來，包括單片機原理與應(yīng)用、傳感器原理與應(yīng)用、嵌入式應(yīng)用設(shè)計等課程，在機器人平臺上實現(xiàn)這些專業(yè)課程的實驗。在大四階段主要進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研的協(xié)同創(chuàng)新，通過專題訓(xùn)練來進(jìn)行綜合系統(tǒng)設(shè)計，提高學(xué)生的綜合實踐能力和應(yīng)用能力。

4.2 機器人平臺下的專業(yè)課程實驗教學(xué)改革

將機器人引入到專業(yè)課程中，形成以“機器人”為工程對象的教學(xué)模式，讓學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)，可促進(jìn)學(xué)生對所學(xué)知識和技能更系統(tǒng)地掌握，更有利于學(xué)生將各種知識融會貫通。同時，也能很好的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果可得到顯著提高。

在機器人與專業(yè)課程對接的時候，各專業(yè)課程的實驗教學(xué)大綱、實驗教學(xué)內(nèi)容等都需要重新修訂，都需要加入機器人的內(nèi)容，利用專業(yè)課程的某一個知識點或幾個知識點去解決機器人中的某一個工程問題，使理論知識的學(xué)習(xí)更對象化、工程化。

4.3 機器人平臺下的綜合實踐課程教學(xué)改革

機器人的綜合實踐課程教學(xué)體現(xiàn)在兩方面：機器人綜合設(shè)計訓(xùn)練；畢業(yè)設(shè)計、競賽、開放實驗以及機器人第二課堂等實踐環(huán)節(jié)。

4.3.1 機器人綜合設(shè)計訓(xùn)練

機器人綜合設(shè)計訓(xùn)練課程開設(shè)在第七學(xué)期，通過前面六個學(xué)期的積累，要求學(xué)生完成具備某種功能的機器人系統(tǒng)設(shè)計，整個設(shè)計過程分為3個階段。

（1）階段1：機械結(jié)構(gòu)組裝

該機械結(jié)構(gòu)的組裝以具體的功能機器人為目標(biāo)，共設(shè)計四種：雙足機器人、掃地機器人、5自由度機械臂、四輪機器人。具體見表1所示。

（2）階段2：信號檢測

機械結(jié)構(gòu)組裝完成之后，機器人要自主地運動或工作，必須依賴于對外界環(huán)境的感知和判斷，通過傳感器來完成對距離、溫度、光線、聲音、圖像等信號的采集。具體見表2所示。

（3）階段3：專題訓(xùn)練

該階段的訓(xùn)練以專題訓(xùn)練為主，需完成具有某種功能的機器人系統(tǒng)設(shè)計，具體見表3所示。目前，專題訓(xùn)練的內(nèi)容包括掃地機器人的設(shè)計、智能小車的設(shè)計以及5自由度機械臂的設(shè)計等，學(xué)生可（下轉(zhuǎn)第42頁）（上接第69頁）以選擇其中一個完成，包括功能分析、機械結(jié)構(gòu)搭建、傳感器檢測、編程以及功能實現(xiàn)與調(diào)試，整個完成時間設(shè)置為24學(xué)時。同時，學(xué)生也可以選擇其他項目進(jìn)行綜合系統(tǒng)設(shè)計，但是必須經(jīng)過指導(dǎo)教師的同意才可進(jìn)行。

4.3.2 其它綜合實踐環(huán)節(jié)

除了專門的綜合設(shè)計訓(xùn)練課程外，學(xué)生還可通過畢業(yè)設(shè)計、競賽、開放實驗或機器人第二課堂的方式進(jìn)行機器人綜合系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)計的內(nèi)容可自行選定，也可由指導(dǎo)老師擬定，在完成過程中，需提交申請，批準(zhǔn)后方可進(jìn)入機器人實驗室。

4.4 建立科學(xué)的保障機制與評價體系

保障機制：（1）實驗室條件。目前，探索者實驗室已基本建設(shè)完成，但要圓滿地完成機器人與專業(yè)課程的實踐教學(xué)緊密結(jié)合環(huán)節(jié)、綜合設(shè)計環(huán)節(jié)，有必要進(jìn)一步擴(kuò)展機器人實驗室。（2）實驗室規(guī)章制度。整個綜合訓(xùn)練過程包含了興趣課堂、專業(yè)課程實驗、畢業(yè)設(shè)計、競賽、開放實驗等環(huán)節(jié)，環(huán)節(jié)較多，學(xué)生需嚴(yán)格遵守實驗室規(guī)章制度，需進(jìn)入實驗室學(xué)習(xí)之前，必須提出申請，獲實驗室負(fù)責(zé)人員批準(zhǔn)后方可進(jìn)入。

評價體系：由于綜合實踐課程包括兩部分：專業(yè)課程實驗和綜合設(shè)計訓(xùn)練，因此在面向不同的環(huán)節(jié)時應(yīng)采用不同的評價標(biāo)準(zhǔn)，但是不管是哪個環(huán)節(jié)，都需要進(jìn)行多方評價，包括指導(dǎo)教師、督導(dǎo)、企業(yè)和社會等。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張明德.以培養(yǎng)工程實踐能力為目標(biāo)的機器人課程設(shè)置模式[J].重慶與世界（學(xué)術(shù)版），2015（01）.

[2]王軍，李明.面向機器人工程對象的“創(chuàng)新研究型實驗”課程建設(shè)[J].實驗室研究與探索，2013（06）.

[3]邱麗梅.應(yīng)用型本科院校機器人技術(shù)課程教學(xué)改革與實踐[J].榆林學(xué)院學(xué)報，2015（02）.

[4]張彥斌，宋磊，邱明，張占立，田軍營.面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的機器人學(xué)課程教學(xué)改革與實踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2017（09）.